乙烯裝置急冷油泵機械密封改造

馬斌良，張道君，王俊杰，楊柯

（中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化分公司，新疆 獨山子 833699）

乙烯裝置急冷油泵機械密封改造

馬斌良，張道君，王俊杰，楊柯

（中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化分公司，新疆 獨山子 833699）

某乙烯裝置急冷油泵屬于高危泵，其單端面機械密封泄漏將造成裝置停工和環境污染、人身傷害等安全環保問題，因此單端面機械密封需要改造成雙端面機械密封。本文結合機泵介質特性對這三種方案和輔助沖洗密封系統進行了論證，最終選擇串聯式高溫金屬波紋管密封，現場使用效果證明密封改造方案可行，達到了改造的目的。

高危泵；密封改造；串聯式機械密封

1 流程簡介

某石化公司乙烯裝置急冷油泵是單級雙支雙吸式離心泵，出口壓力為11.03bar，設計流量為880m3/h。油洗塔通過急冷油泵將一部分急冷油返塔循環，一部分送去燃料油汽提塔外，其余大部分送去熱量回收系統。急冷油在稀釋蒸汽發生器里被用于發生稀釋蒸汽，供裂解爐反應使用，被冷卻的急冷油一部分返回油洗塔內折流板的上方，為裂解爐來的氣體提供冷卻介質，一部分急冷油被注入到裂解爐急冷器中，去急冷來自廢熱鍋爐的裂解氣出料（圖1）。

圖1 急冷油泵工藝流程圖

從工藝作用可以看出急冷油泵能否長周期安全平穩運行，關系到整個乙烯裝置的能否平穩運行。

2 存在的問題

制約機泵長周期平穩運行的關鍵因素是機械密封的長周期平穩運行，機械密封長周期平穩運行又和機械密封的結構選型是否合理緊密聯系在一起。急冷油泵屬于高危泵，為雙支撐結構，前后兩個密封均為普通的單端面機械密封，其主要的泄漏點就是動靜環端面。從圖2結構可以看出，單端面機械密封只有一個端面密封，一旦密封泄漏，急冷油泵輸送的易燃、易爆、有毒、有害的介質就會泄漏擴散到環境中，一方面設備故障，造成裝置停工，另一方面也是最重要的是造成環境污染或人身傷害，存在安全隱患，因此必須對急冷油泵的機械密封進行改造。

圖2 單端面密封結構示意圖

3 密封改造方案的論證

根據API682標準，急冷油泵改造前采用的單端面機械密封屬于第一類組合形式的機械密封，從介質零泄漏的安全角度出發，急冷油泵單端面機械密封應該改造成第三類加壓雙端面機械密封。當第一級密封出現泄漏后，第二級密封可以起到延時保護功能，通過輔助報警功能，及時提醒作業人員檢修處理，同時當第一級機械密封出現泄漏時，輸送介質不會外泄，提高了機械密封的安全性。根據密封面的布置方式可供選擇的方案有帶隔離氣串聯雙端面非接觸氣膜干氣密封（3NC-FB）、帶隔離氣串聯雙端面氣液膜密封和帶隔離液雙端面串聯接觸液膜濕密封（3CW-FB）。

根據機泵的實際情況，對上述三種方案進行論證。

（1）帶隔離氣串聯雙端面非接觸氣膜干氣密封。

這種布置形式的密封第一級和第二級均采用干氣密封（圖3），沖洗方案采用PLAN 74.這種形式的機械密封使用條件比較高，適用于密封比較干凈的介質，對于粘性的含有硬質顆粒的介質不適用。急冷油泵輸送稠環芳烴粘度高介質、溫度高達190～220℃，由于參與冷卻裂解爐中的裂解氣，急冷油中夾雜有堅硬的含碳焦粒，這種介質會破壞干氣密封氣膜的建立，堅硬的含碳焦粒也會很快損壞密封面，所以一級密封會很快的出現泄漏；當一級干氣密封泄漏后，介質會竄入密封腔中，會很快造成二級密封失效，介質泄漏，造成安全事故。即使二級干氣密封未立即發生泄漏，密封氣會通過一級密封大量進入急冷油泵腔造成氣縛，機泵不上量、振動加劇，造成機泵無法正常工作甚至損壞。當二級密封首先損壞時，一、二級密封腔室內的密封氣泄入大氣，密封腔壓力會下降至低于泵腔密封工藝介質壓力，從而導致一級干氣密封承受反壓，造成一級密封立即失效，介質外泄。

另外干氣密封是首先建立密封壓力才能開泵，會有微量氣體進入泵腔，對機泵的啟動提出了更高的要求，增大了泵的操作難度。

圖3 雙端面干氣密封示意圖

（2）帶隔離氣串聯雙端面氣液膜密封。

這種布置形式的機械密封第一級是接觸式機械密封，第二級是干氣密封（圖4），沖洗方案采用Plan32+75。當一級機械密封泄漏后，介質由泵腔串入密封腔，急冷油中的一部分輕組份揮發溢出排往火炬，重組分沉積在收集罐里面。這種密封方案較第一種密封方案有一定的改進，但也存在缺陷。首先，當一級機械密封出現泄漏，急冷油會進入密封腔，破壞二級干氣密封，造成二級密封很快失效，急冷油外漏，同時急冷油中輕組份揮發后，重組分的粘度增大，流動性變差，重組分的收集和后續處理難度加大。

（3）帶隔離液雙端面串聯接觸液膜濕密封。

這種配置方式的機械密封一二級均采用金屬波紋管密封，沖洗方案采用Plan32+53A，典型結構如圖5所示。金屬波紋管密封是接觸式密封，Plan32為外部強制沖洗，Plan53A是從外部引入到一、二級密封之間的隔離液，通過泵送環使隔離液強制循環，以帶走密封在工作中產生的熱量，隔離液壓力高于內側密封工藝介質壓力0.2～0.3MPa，隔離液采用管網氮氣加壓。

圖4 雙端面氣液膜密封示意圖

圖5 雙端面串聯金屬波紋管機械密封

針對急冷油泵工況，輸送介質粘度高、溫度高、還含有少量顆粒，采用串聯式高溫金屬波紋管密封有以下優點。

第一，當一級密封破裂失效時，高溫、高粘度介質進入一、二級密封間的腔室，由于二級密封是按照一級密封標準設計的，所以二級密封能完全承擔主密封的作用，介質不會泄漏入大氣中，通過輔助密封系統的變化提前預警，能為密封的檢修提供足夠的時間，是安全的。

第二，當二級密封損壞時，腔體內的隔離液壓力將會降低，會導致一級密封承受正壓，而基于Plan53A方案的一級波紋密封是能承受正反壓的，仍能繼續工作，介質不會泄漏入大氣中，能為密封的檢修提供足夠的時間。

第三，當PLAN 32沖洗斷流時，波紋管也可以正常使用一段時間。因為一級密封摩擦副間的液膜是干凈的隔離液。由于介質溫度高、粘度大會造成波紋管阻塞、失彈，幾小時后密封才會失效，為密封的檢修提供足夠的時間。

通過對上述3種方案的分析和論證，急冷油泵機械密封改造采用第3種方案，密封沖洗采用Plan32+53A。該方案采用一流的波紋管制造技術，解決了高粘度介質引起的彈簧失彈的問題，沖洗方案Plan53A解決了高粘度介質摩擦面潤滑液膜難形成的問題，有良好的抗溫差應力的能力，有較好的抗顆粒介質的能力。

4 驗證

根據上一節機械密封改造方案的論證，急冷油泵機封改造采取串聯式高溫金屬波紋管密封（圖6），沖洗方案采用Plan32+52A。投用前將冷卻水線、氮氣線和儲液罐沖洗置換干凈，開機后連續72小時對機泵密封系統進行監測，機泵驅動端和非驅動端機械密封的密封油出入口線溫度穩定，儲罐隔離液液位穩定在78%～80%，儲罐壓力穩定在0.58MPa，機泵運行至今，機泵兩側機械密封未出現物料泄漏，密封油系統也未出現跑冒滴漏的現象，機封改造成功（圖7）。

圖6 串聯式高溫金屬波紋管密封

圖7 密封改造后的急冷油泵

[1]柴春林.離心泵機械密封泄漏現象分析[J].潤滑與密封,2009,34(1):104-105.

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1671-0711（2017）05（上）-0071-03