高危介質(zhì)泵機(jī)械密封及密封沖洗方案的改造

孟 亮，劉麗潔，趙 清，甘小兵

（中油青海油田格爾木煉油廠， 青海 格爾木 816000）

催化分餾塔底油漿循環(huán)泵是煉油廠催化裂化裝置的關(guān)鍵設(shè)備，我廠油漿泵為開一備一，由嘉利特荏原泵業(yè)有限公司制造。該泵為單級單吸懸臂式離心泵，其泵的型號為200ZPY450；流量為376 m3/h，揚(yáng)程為150 m；入口壓力0.2 MPa，出口壓力2.0 MPa，介質(zhì)為油漿；溫度340 ℃，采用波紋管式機(jī)械密封。 油漿泵輸送介質(zhì)溫度高，密度大（840~1 010 kg/m3）,含有較高濃度的催化劑（Al2O3及SiO2）等固體顆粒，最高濃度可達(dá)25 g/L，這些固體顆粒吸附性強(qiáng)，粘附在機(jī)封波紋管上，使波紋管波谷內(nèi)沉積大量的催化劑顆粒，從而使波紋管失彈，導(dǎo)致機(jī)械密封頻繁泄漏，給裝置的長周期運(yùn)行造成了很大的隱患[1-4]。

1 機(jī)械密封系統(tǒng)失效原因分析

1.1 機(jī)械密封系統(tǒng)簡介

我廠油漿泵機(jī)械密封采用單端面波紋管式，如圖1所示，該機(jī)械密封靜環(huán)材質(zhì)為碳化硅（SiC），動環(huán)材質(zhì)為石墨，動環(huán)輔助密封圈材質(zhì)為柔性石墨，其余材料均為不銹鋼。

圖1 波紋管集裝式機(jī)械密封結(jié)構(gòu)組裝圖Fig.1 Bellows seal container type mechanical structure assembly drawing1-軸封圈；5-動環(huán)密封圈；6-金屬波紋管；7-靜環(huán)；11-水封；12-恰簧； 16-動環(huán)輔助密封圈

機(jī)械密封的輔助系統(tǒng)采用了外沖洗結(jié)構(gòu)（PLA N32方案），密封沖洗液為30 ℃催化自產(chǎn)柴油，壓力為0.6 MPa，沖洗液經(jīng)機(jī)封壓蓋進(jìn)入密封腔，密封沖洗液溫度較低，能及時帶走摩擦熱，防止動靜環(huán)以及波紋管結(jié)焦，同時沖走密封腔內(nèi)的雜質(zhì)及結(jié)焦物，保證密封腔潔凈及潤滑摩擦副。此外該機(jī)械密封還采用了低壓蒸汽冷卻系統(tǒng)，冷卻蒸汽既起到冷卻的作用，同時又能防止密封腔內(nèi)液體進(jìn)入彈性元件腔，從而使波紋管機(jī)械密封在更加潔凈的條件下運(yùn)行。

1.2 機(jī)械密封失效原因分析

通過對失效機(jī)械密封的拆修解剖分析，發(fā)現(xiàn)引起機(jī)械密封失效泄漏的原因主要有以下幾個方面：

1.2.1 工藝操作造成機(jī)械密封失效

在日常開停工過程中，由于操作原因造成油漿泵入口壓力波動較大時，使油漿泵反生抽空、汽蝕及憋壓等異常現(xiàn)象，引起較大的軸向力，使動、靜環(huán)接觸面分離，從而造成機(jī)封泄漏；日常操作中油漿泵輸送介質(zhì)中含有催化劑顆粒狀物質(zhì)，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中進(jìn)入摩擦副端面起研磨作用，造成機(jī)封波紋管內(nèi)側(cè)結(jié)焦、積碳及含固體催化劑顆粒使波紋管失彈及密封面發(fā)生劇烈磨損而失效。

1.2.2 設(shè)備安裝運(yùn)行過程中造成機(jī)械密封失效

機(jī)械密封動靜環(huán)密封端面間的摩擦工況，是影響機(jī)封密封壽命的主要因素。油漿泵安裝運(yùn)行期間，機(jī)封密封存在以下幾種失效：

（1）安裝不當(dāng)造成機(jī)械密封泄漏

安裝機(jī)械密封時壓縮量過大，導(dǎo)致摩擦副端面嚴(yán)重磨損、擦傷；動環(huán)密封圈過緊，彈簧無法調(diào)整動環(huán)的軸向浮動量；靜環(huán)密封面過松，當(dāng)動環(huán)軸向浮動時，靜環(huán)脫離靜環(huán)座。

（2）由于密封端面失去潤滑油膜而造成機(jī)械密封泄漏

因端面密封載荷的存在，在密封腔缺乏液體時啟動泵而發(fā)生干摩擦，造成機(jī)封泄漏；介質(zhì)壓力低于飽和蒸汽壓力，使得密封端面液膜發(fā)生閃蒸，喪失潤滑，造成機(jī)封泄漏。

（3）機(jī)封沖洗造成機(jī)械密封泄漏

油漿泵機(jī)械密封輔助沖洗系統(tǒng)要保障機(jī)封冷卻系統(tǒng)沖洗液持續(xù)供給，防止端面沖洗液中斷，油漿泵運(yùn)行過程中沖洗液中斷，使密封端面溫度升高，潤滑膜閃蒸而降低密封端面的潤滑，從而加劇磨損，造成機(jī)械密封泄漏。

2 機(jī)械密封改造方案

2.1 串聯(lián)式機(jī)械密封結(jié)構(gòu)及工作原理

將油漿泵機(jī)械密封由單端面改為雙端面，該方案為兩級機(jī)械密封（即串聯(lián)機(jī)封），如圖 2所示。第一級密封介質(zhì)為柴油。兩級密封之間設(shè)蓄能罐，帶壓氣囊蓄能器加入隔離液（封液）作為二級密封的密封介質(zhì)。當(dāng)?shù)谝患壝芊庑孤┖螅钅芷鲗⒏綦x介質(zhì)壓入密封腔內(nèi)，使泵送介質(zhì)無法泄漏到大氣，同時蓄能器上的壓力開關(guān)報(bào)警。

圖2 串聯(lián)機(jī)械密封結(jié)構(gòu)Fig.2 Tandem mechanical seal structure1-彈簧盒組件；2-軸套；3-動環(huán)Ⅰ；4-泵端蓋；5-靜環(huán)Ⅰ；6-靜環(huán)座；7-壓蓋；8-傳動環(huán)； 9-轉(zhuǎn)動圈；10-泵軸；11-靜環(huán)Ⅱ；12-動環(huán)Ⅱ；13-彈簧；14-泵送環(huán)；15-O形圈

與單端面機(jī)械密封相比，串聯(lián)機(jī)封具有以下有點(diǎn)：

（1）適用于有毒有害等高危介質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)介質(zhì)的零溢出，降低了危險介質(zhì)泄漏到大氣中的風(fēng)險。

（2）雙重保護(hù)作用，主密封失效，二級密封可以短時間起到主密封的作用。

（3）通過壓力開關(guān)，液位開關(guān)可以實(shí)時監(jiān)測密封的失效情況。

2.2 API 32+53B密封沖洗方案工作原理及特點(diǎn)

API 32+53B方案工作原理：外部管道系統(tǒng)為加壓串聯(lián)密封的二級密封提供隔離液，預(yù)先加了壓的氣囊蓄能罐提供壓力給循環(huán)系統(tǒng)，如圖3所示。蓄能器為有壓的雙端面密封提供隔離液（封液），采用換熱器對隔離液進(jìn)行降溫。

圖3 密封沖洗方案API 32+53BFig.3 Seal flush scheme of API 32+53B

它的主要優(yōu)點(diǎn)有：適用于高溫工況，區(qū)別于自沖洗，從外部引入潔凈沖洗液；帶走密封端面處的雜質(zhì)顆粒，對密封起到清潔作用；封液壓力高于介質(zhì)壓力，保證工藝介質(zhì)零排放；系統(tǒng)配有壓力報(bào)警開關(guān)，可及時發(fā)現(xiàn)密封失效情況；當(dāng)一級密封失效時二級密封實(shí)現(xiàn)主密封功能，提高設(shè)備運(yùn)行安全安級。

3 結(jié) 論

實(shí)施上述改造后，催化裂化裝置分餾塔底油漿泵 P208運(yùn)行狀況良好，機(jī)械密封處于穩(wěn)定狀態(tài)，有效杜絕高危機(jī)泵密封泄漏的危險介質(zhì)排放至大氣的隱患，與此同時為機(jī)泵密封維修提供預(yù)警，機(jī)泵連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性得到了明顯提升（我廠油漿泵至今已經(jīng)累計(jì)運(yùn)行8 600 h無故障），降低了機(jī)修車間維修工作量，減少了維修成本。總結(jié)上述改造，得出以下結(jié)論：

（1）機(jī)械密封為雙端面波紋管密封，在一級密封失效時二級密封實(shí)現(xiàn)主密封功能，與單端面密封相比，雙重非承壓密封能降低回路泄漏風(fēng)險，提高設(shè)備運(yùn)行安全等級；

（2）機(jī)械密封輔助系統(tǒng)的功能在于采用沖洗、循環(huán)、熱對流的工作方式，控制機(jī)械密封的溫度、潤滑等式?jīng)r參數(shù)，建立較理想的機(jī)械密封的工作環(huán)境，提高機(jī)械密封的可靠性，延長使用壽命；有效地改善了機(jī)械密封的運(yùn)行狀況，為高危介質(zhì)泵機(jī)械密封長周期運(yùn)行提供了重要保障。

［1］郝木明.機(jī)械密封技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：中國石化出版社，2010.

［2］王汝美.實(shí)用機(jī)械密封技術(shù)問答[M].北京：中國石化出版社，2006.

［3］美國石油協(xié)會.用于離心泵和回轉(zhuǎn)泵的泵—軸封系統(tǒng)[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2002.

［4］何啟亮 .第三版API682標(biāo)準(zhǔn)沖洗方案解析[J].湖南農(nóng)機(jī)，2011.