低溫甲烷泵用密封系統分析和探討

李 永 王明濤 郝殿成 關延軍

（中國石油吉林石化公司乙烯廠 吉林吉林）

一、前言

甲烷是最簡單的飽和烴，也是重要的化學工業基礎原料和清潔液體燃料，廣泛用于有機合成、醫藥、農藥、涂料、染料、汽車和國防等工業中。在蒸汽熱裂解制乙烯的工藝流程中，甲烷用于脫甲烷塔的回流，對乙烯產品的收率影響巨大，為此機泵的平穩運行對企業的效益起到至關重要的作用。

國內某乙烯裝置甲烷回流泵設計工況：介質，甲烷；溫度-98.1℃；流量17 m3/h；入口壓力3.236 MPa；出口壓力3.636 MPa；轉速 2950 r/min；軸徑 40 mm；沖洗方案，API方案 53+61。設計參數在裝置實際運行中曾出現過一系列問題，包括泵內介質汽化，導致機泵抽空；壓力波動較大，泵在運轉中，密封附近大量結霜、結冰，導致密封失效甚至損壞了泵懸架；還有的泵，密封開始運轉正常，幾天后突然出現封液甲醇大量內漏，甲醇進入系統，造成工藝管線凍堵。

二、理論分析和驗證

1.介質的物理特性

甲烷是無色無味、比空氣輕難溶于水的氣體，是沼氣、天然氣的主要成分。常溫下與溴水、酸性高錳酸鉀溶液等不反應；在空氣中點燃純凈的甲烷氣體，可以安靜地燃燒，產生淡藍色火焰，生成二氧化碳和水，放出大量熱。

2.甲烷物料在化工生產運行中的主要工藝特點

（1）介質溫度較低。液相輸送時介質溫度在-98℃以下，甚至可以達到-100℃，有些常用材料（如橡膠件、四氟）在低溫環境會變脆硬，失去原有的物理性能，不能起到密封或滑移的作用，導致密封失效。

（2）介質有高壓易汽化的特性。甲烷是輕烴組分最輕的化學物質，為了能夠形成流體，有效途徑是增加壓力和降低溫度，無形中增加密封的性能。

（3）選擇合適的密封方案。所謂合適的方案是指在低溫、高壓介質的工況下，密封能正常運行較長的周期而不用維護。如果方案選擇不當，由于介質溫度較低，外部大氣中的水蒸氣會在低溫作用下凝聚于密封處結霜甚至結冰，從而破壞密封部件、損毀設備。

3.密封系統改造具體思路

（1）沖洗方案更改。由于原進口密封采用API53+61方案，在很多煉油化工企業，普遍認為國外理論是最先進的，是不能更改的，機械密封出現問題總是分析設計不合理，由于API53方案需要增壓，增加了密封使用壓力，并且隔離液泄漏后會影響介質的工藝性能，根據化工行業輕烴類密封的使用調研，常用的API52無壓串聯密封，使用效果良好，故此，將API53方案改用API52方案；現場泵型號為20WUC的立式泵，采用API13方案，增加介質沖洗功能；運行中屬于低溫泵，介質泄漏后形成結冰，增加API62氮氣吹掃功能；綜合以上說明，此次改造采用API13+52+62(氮氣吹掃)，采用雙密封的方案后，可以在輔助系統中增加液位和壓力報警裝置，隨時可以檢測密封的運轉情況，安全性能大大提高；外側緩沖液采用常溫甲醇，甲醇的凝固點低，在內部泵送環的作用下，緩沖液在密封和儲液罐之間循環，不斷的進行熱量交換，在低溫的作用下也不會在密封處凝結，這種設計能完全保證了設備的長期安全運行。

（2）輔助密封的選擇。由于原橡膠件輔助密封經常失效，動密封點采用波紋管彈性元件，采用金屬波紋管密封是比較適合的。這種密封的輔助密封元件和彈性元件是金屬波紋管，而低溫對金屬材料的影響相對較小，綜合腐蝕性的考慮，金屬波紋管采用哈氏C合金材料是比較合適的，這對低溫泵都是適用的。

（3）結構的選擇。由于低溫甲烷作為輕烴類，介質壓力較高，故設計時增加了撥叉傳動，防止由于端面汽化，扭矩增大，導致波紋管斷裂失效。由于高壓側防止波紋管波動較大，采用靜止型。原進口機封密封方案見圖1。改造后的密封方案見圖2。

改造后API13方案系統見圖3。

改造后的API 52方案，密封液從泵出口腔經節流套進入一級密封后經限流孔板返回泵入口。立式泵密封腔的壓力接近出口壓力，所以選P13而不選P11。改造后API 52方案輔助系統示意圖4。

改造后的API 62方案，外部容器為二級密封提供緩沖液，緩沖液循環動力由密封內泵送環提供。容器內壓力低于泵腔壓力，同火炬系統連通。外引冷卻液流經機械密封外側，降低密封面的溫度。改造后API 62方案輔助系統示意見圖5。

（4）工藝管線的布置。原設備殼體放空接入火炬系統，其作用是將設備倒空時的氣體排入火炬，此排放在運行期間處于切斷狀態，致使設備運行期間產生的氣體聚集在吸入口，導致機泵抽空，嚴重損壞設備。需要配置一條殼體放空線，既不造成資源浪費又能將殼體內的氣體連續排出，保持系統的穩定性。

三、具體結構分析與改造

1.結構

（1）取消了原進口橡膠圈、和包覆O形圈結構，采用柔性石墨圈及彈簧制動墊圈，起到低溫下的密封作用，增加了密封的可靠性。

（2）波紋管采用較小的端面比壓Pb進而降低了該密封的PV值，可使密封的壽命延長。

（3）加大了封油腔空間，液流通暢，及時帶走摩擦熱。

（4）取消了原進口整體石墨環結構，而采用鑲嵌石墨結構，提高機封強度

（5）波紋管波片為雙層0.14 mm的薄片，以45°波形焊接成型，這種形狀結構剛性較大、不易變形、具有抗疲勞特點，且耐壓性能好，能承受較高壓力。波片材料為Ns333（00Cr16Ni60Mo17W4），其化學成分見表1。該材料經特殊處理后，成型及焊接性能都好，是一種高強度不銹鋼，適合作波紋管材料。

表 1 Ns333（00Cr16Ni60Mo17W4）化學成分

2.密封主要性能核算

圖1 原進口機封密封方案

圖2 改造后的密封方案

圖3 改造后API13方案系統

新機械密封如圖6所示。取一級機械密封設計尺寸D1=63.1 mm，D2=69.1 mm，d1=58.72 mm，d2=71.42 mm。對密封主要性能進行核算。求得波紋管有效作用直徑de=65.17 mm；平衡系數B=0.66；波紋管彈簧比壓Ps=2.07；膜壓系數λ=0.486；所以當密封腔內介質壓力為3.5 MPa時，端面比壓Pb=0.907 MPa。（計算公式及過程略）。根據內裝式機封端面比壓的選取標準，其端面比壓符合機械密封設計要求。

2臺機泵的殼體放空管線并聯配置到主泵的最小回流線上，將主泵的原回流線上的限流孔板改為盲板，這樣就將主泵回流管線變成了單獨的放空線，保證了殼體內氣體的連續排出，避免了出口回流對殼體氣體的影響，同時將備泵的出口閥及回流閥處于常開狀態，以此作為2臺泵的共用最小回流線。此套密封經上述改造后使用近2000 h未發生泄漏。

圖4 改造后API 52方案輔助系統示意

圖5 改造后API 62方案輔助系統示意圖

圖6 新機械密封簡圖（高壓端）

甲烷泵密封改造前，無法建立回流，脫甲烷塔頂甲烷中乙烯含量為0.5～0.9%，密封形式改造后，回流泵可以長時間正常投用，脫甲烷塔頂甲烷中乙烯含量降為0.2～0.4% ，按脫甲烷塔頂回流罐出口甲烷流量10 t/h，按滿負荷運行8000 h計算，全年回收乙烯993.6 t，按照乙烯價格8700元/t，年創效益864萬元。

四、結論

在低溫高壓的輕烴類密封，合理的采用波紋管密封，能夠有效的提高密封性能，減少密封泄漏，節約成本。選擇合理的沖洗方案的重要性，采用API 13+52+62（氮氣）的密封方案，可以滿足低溫介質的使用要求，并能起到泄漏抑制。有效解決低溫高壓液態烴多級立式泵的汽化問題，能大幅提高系統的安全平穩運行。