進口輻射進料泵機械密封改造

劉 震

（中國石油大港石化公司 天津）

一、前言

延遲焦化裝置輻射進料泵是加熱爐進料泵，是裝置的核心設備之一，主要任務是輸送分餾塔底焦化油至加熱爐內快速升溫至生焦溫度，然后進入焦炭塔內反映生焦，所以他輸送的介質具有“兩高、兩大和一多”的特點，即溫度高（350～385℃）、壓力高（4 MPa）、黏度大、密度大和焦粉多。所以對其的設計、制造的要求高，其中的機械密封更是直接影響著該泵的安全長期運行。同時由于近年來，國內煉油企業發生了多起高溫油泵密封泄漏著火事故，給裝置安全運行及生產任務的完成帶來嚴重影響，僅2010年就發生5起因機泵密封而引發的火災。設備相關數據：高溫油泵介質溫度在290～358℃；密封結構為單端面金屬波紋管機械密封，沖洗方案是API plan 22或32+62。

發生事故的機泵密封均為單端面金屬波紋管機械密封，一旦該密封失效而大量泄漏，現場則來不及或根本無法采取控制措施，而機泵的機械密封在運行中出現故障泄漏是難免的，正好與目前我公司輻射進料泵的工藝特點和機封形式基本一致，所以對其進行改造勢在必行。

二、改造方案

1.密封布置方式

吸取其他企業的經驗教訓，決定密封布置方式選擇必須堅持兩個重要原則。第一個原則是高溫介質絕不能外漏，否則就會引起火災；第二個原則是取消PLAN62蒸汽背冷，因為蒸汽易沿軸向竄入軸承箱，破壞軸承潤滑，污染潤滑油，嚴重時抱軸，也會導致機封泄漏著火。

依據美國石油學會標準API 610-1995第八版中規定“如果必須控制泵送液體通過密封端面泄漏入大氣的泄漏量，可以采用下列措施之一：（1）輔助密封裝置，如裝一個細小間隙的浮動節流襯套；（2）采用緩沖液體壓力維持在比被密封的壓力低的雙重式密封；（3）采用隔離液體壓力維持在比被密封的壓力高的雙重式密封。”

布置方式1即為單端面密封，布置方式2為無壓雙重式密封，布置方式3為有壓雙重式密封；考慮到第一個原則，所以布置方式1就不適合了，應采用布置方式2或3。又考慮到該泵輸送的介質為含有固體顆粒物的高溫渣油，既不能排入火炬管網，又不能就地排放，而且如果介質漏入密封輔助系統中也會對隔離液進行污染，所以放棄了無壓雙密封的選擇，決定采用布置方式2有壓串聯式密封，且密封輔助系統的壓力要高于密封腔壓力，只有這樣才能保證一旦與介質接觸側的密封（內密封）發生泄漏時，是隔離液往泵腔里泄漏，而不是渣油介質外漏。

根據公式 P腔=P入口+（P出口-P入口）×0.15，得出密封腔壓力P腔=0.12+（3.6-0.12）×0.15=0.642 MPa，隔離液系統的壓力P隔離液=P腔+（0.14～0.41）=0.782～1.52 MPa。氮氣系統最高壓力為0.6 MPa，所以不能選擇系統氮氣作為壓力源，最后選擇了PLAN53B系統（圖1），即通過氣囊式蓄能器給隔離液加壓，并通過泵效環使隔離液在兩密封間循環。

密封形式，API 682標準型機械密封型式（Types of seal）分為 3 類：TypeA，滑動式多彈簧密封；TypeB，低溫旋轉型波紋管密封；TypeC，高溫靜止型波紋管密封。

選擇typeC，因為C型密封的最高工作溫度為400℃，而且與TypeB旋轉波紋管密封相比，可以最大限度的克服由于泵軸與端蓋傾斜所帶來的波紋管在高速旋轉時產生的振動；同時解決了密封壓蓋與靜環之間的輔助密封可采用耐高溫的柔性石墨問題，而卻對機封壓蓋與軸的垂直度要求不高，這樣就減輕了安裝難度。

圖1 PLAN53B系統圖

2.設計參數

（1）端面比壓。作用于密封端面單位面積的力稱為端面比壓，為保證機械密封具有長久的使用壽命與良好的密封性能，必須選擇合理的端面比壓，原則是必須高于波紋管比壓；必須大于介質在端面溫度升高時的飽和蒸汽壓。在保證以上條件下，盡量取小值，以防端面發熱，破壞液膜，加劇磨損，功率消耗增大，密封使用壽命減短。同時考慮對自潤滑性好的組對（M106K/SiC、YG6/SiC、M106K/YG6）可以取稍大值，因液膜不易被破壞，摩擦因數不易增加。對于高黏度介質，取稍大值（以保持端面貼合）。參照現用的單密封值，端面比壓取0.43。

（2）PV值。在機械密封制造行業中，用PV值來表示機械密封的工作能力（同時也可用它表示機封的工況負荷）。P是密封流體壓力（MPa）；V是密封端面的平均滑移速度（m/s）。PV值的單位為MPa·m/s。機械密封的PV值越高，表示機械密封的工作能力越強；工況PV值越高，表示機械密封要承載的負荷越高（密封腔的流體壓力、轉動線速度）。PV值取2.1。

3.輔助密封沖洗方案

由于輻射進料泵輸送的介質，溫度高，黏度大，固體顆粒含量多，建議設置沖洗系統，一方面可以帶走熱量，降低密封腔溫度，防止液膜由于氣化或未排氣而引起的干膜，改善密封的潤滑條件；另一方面可以防止雜質的集積，延長機械密封的使用壽命。建議采用PLAN32方案（圖2），它是指外來的沖洗液注入到密封腔內進行沖洗，又稱為外沖洗。

（1）沖洗液的選取。為防止沖洗液進入到高溫密封腔內氣化，所以采用80～120℃的蠟油作為沖洗液。

（2）沖洗液注入壓力的選取。外沖洗液壓力應比密封腔壓力要大，其差值一般為0.05～0.1 MPa，所以選取0.7 MPa。

（3）方案布置。從封油總管來，順序配置隔斷閥、單向閥、過濾器、壓力表、切斷閥、最后通過球面密封的活接頭進入密封壓蓋。

圖2 PLAN32系統圖

4.密封材料

（1）高溫油泵石墨環材料的選擇。根據API 682-2004要求：對于溫度為260℃（500℉）～400℃（750℉）、壓力低于2.1 MPa（300 psi）機泵，摩擦副材料選用高級抗起泡石墨VS反應燒結碳化硅，所以采用浸銻石墨，浸銻石墨是一種優良的自潤滑抗磨材料，可運行在高溫500℃、深冷-253℃、高速20 000 r/min，高壓10 MPa或高黏度等介質中。

（2）硬質合金環的選擇。API 682-2004標準中推薦使用反應燒結碳化硅（RBSiC）和無壓燒結碳化硅（SSSiC）。SIC與WC相比，SIC具有摩擦因數小、導熱性好、硬度高耐磨的優點，所以選擇SIC。

（3）輔助密封的材料。對于高溫油泵，當介質溫度＜290℃時，可選用全氟橡膠，當介質溫度＞290℃時應選用柔性石墨，所以該泵選擇柔性石墨。

（4）金屬波紋管的選擇。對于金屬波紋管，API 682-2004規定，除非另有規定，否則，B型密封（B型密封的最高工作溫度為176℃）的金屬波紋管材料采用合金C-276；C型密封（C型密封的最高工作溫度為400℃）采用合金718（鎳基高溫合金）。所以該泵選擇合金718（鎳基高溫合金）。

（5）其他金屬件的選擇?；诔杀究紤]，軸套、內法蘭等直接與介質接觸的金屬件采用316L；外法蘭，固定環、傳動環、螺栓等采用304。

5.最終方案

（1）機械密封及系統方案（圖3）。

圖3 輻射進料泵機封結構圖

（2）機械密封及系統改造方案技術說明。改造后的密封沖洗方案采用API PLAN 32+53B+62。PLAN 32沖洗流體介質參數：介質名稱，蠟油；介質溫度＜105 ℃；沖洗量≥8～12 L/min；沖洗壓力高于密封室壓力0.1～0.2 MPa。

PLAN53B：53B用于密封布置3不允許泵送流體向大氣側泄漏的雙端面機封中，系統主要由蓄能器和換熱器組成。蓄能器對系統進行加壓，由機封泵送環對儲液進行循環，通過換熱器中盤管冷卻，以達到降低密封溫度的目的。系統內加壓至少高于密封腔0.15 MPa，乙方提供報警單元，以檢測機封運轉情況。并及時對系統進行補液，管道連接用高壓球面接頭。

密封阻封液：清潔的32號白油或相當于32號白油粘度的清潔潤滑油；高于密封腔壓力0.2 MPa；循環水：入口壓力＞0.35 MPa，回水壓力＜0.27 MPa；氯離子含量＜700 mg/L，污垢系數0.00045 mzk/w

6.安裝注意事項

（1）儲液罐采用細長型20 L，安裝在位于密封半徑0.91 m以內，不可直接安裝在泵上方。儲液罐底部應高于泵的水平中心線或垂直雙封入口30.5～76.2 cm。

（2）機械密封壓蓋和儲液罐之間的管線至少為通經≥1/2英寸的奧氏體不銹鋼無縫鋼管；坡度至少為每英尺（30.48 cm）上升1/4英寸（0.64 cm）；不可在管線上安裝任何可能阻礙流動的閥門，若使用球閥或閘閥必須保證該閥門鎖定在全開的位置，嚴禁使用截止閥、單向閥或旋塞閥；最小轉彎半徑為5倍的管徑且數量最多6個；輔助系統管線要有足夠的支撐和保護。

（3）輔助系統至少配有一個排液閥口和排氣閥口；排液閥口必須保證無需拆卸管路、密封或壓蓋零件的情況下將密封腔和管路中的液體排凈；排氣閥口必須在管線的最高點，并朝下煒彎防止雨水進入。蓄能器安裝后啟用前必須檢查充氣壓力和有無泄漏；一般以系統工作壓力的85%作為充氣壓力。

7.密封使用維護情況

（1）首先對安裝好的系統管線進行氣密試驗。用壓力0.15 MPa（過高會損壞機封）的氣壓，做氣密試驗。檢查每個焊點和接頭，有無漏氣情況，并把循環油管程內的焊渣和雜物吹掃干凈；把水管回路閥打開（先關閉換熱器進口閥門），向外排水五分鐘以上，并敲擊管壁，使里面的焊渣、雜物、盡快排放出來。

（2）把清潔的緩沖液注入輔助系統和密封回路中。密封循環液應選用潤滑性好、氣化點高、流動性好的潤滑油，且不應對機械密封和膠圈產生腐蝕，不含雜質和細小顆粒，不易污垢，結晶、結焦。對于石油烴類介質，推薦使用白油20#輕質油或46#汽輪機油。用戶也可參考同類裝置系統中密封件及管路預熱、保證密封循環液較好的流動性。

（3）plan53B系統加油方法。在加油前先給蓄能器氣囊里充氮氣，壓力應小于報警值。把B0出口或零管線最高點的放汽閥打開，等出油后關閉手閥。如果沒有放汽閥，就把B0出口管線最高點的接頭打開，堵住罐側的進口、使所加的油單向流動。等B0出口管線最高點出油后，再連接上所拆開的管線。繼續用手壓泵打油，到了需要的壓力后，關閉手壓泵下的手閥，并加滿油箱備用。

圖4 53B系統P&ID圖

（4）正常工作時，除補液閥和放液排汽閥外，各閥都必須常開。換熱器系統根據出口壓力的不同，孔板的孔徑也不同?，F場可加壓力表和溫度表，這樣可直觀些。

（5）被密封介質＞80℃時，一般選用強制循環系統，即與系統相連通的密封腔的密封旋轉部分，加裝泵送環來循環導熱油；被密封介質溫度＜80℃，選用熱虹吸循環，也可以選外源沖洗（PLAN32方案）。正常的機械密封的進油管線的溫度應＜80℃，出口溫度＜100℃。

（6）壓力罐及增壓罐都是按照壓力容器設計生產的，出廠前經8 MPa水壓試驗。在正常使用溫度，壓力范圍內，不用擔心其耐壓能力。

（7）對60℃以下容易凝固介質，開泵前要對沖洗的換熱器罐及管路進行蒸汽加熱，使其為液體并有流動性后再開泵，保證管路暢通。如介質為石臘，在開泵前先關閉進水閥門，用蒸氣加熱罐及管程外辟，使罐（管）內介質為液體后再啟動泵，沖洗溫度高于60℃時，再慢慢打開水閥，要穩定沖洗液的溫度。

（8）開泵后的巡檢。每天上班時候對泵及系統都要進行檢查；聽泵有無異常聲音；探測軸承箱的振動；看機封沖洗冷卻管線的入口溫度在120℃以下最好；檢查系統窗口的油位（2/3處），導熱入口溫度應在80℃以下，氮氣壓力要保持在規定值。

三、使用效果

該輻射進料泵機封改造在2014年4月檢修時完成，改造前平均3個月機封泄漏1次，改造后機封運行良好，截止到8月底未出現泄漏，未進行過補油。機封改造后效果明顯，為裝置長周期安全生產提供了根本的保證。