MTO 裝置泵用密封沖洗方案的選用

陳慶同

（天津大沽化工股份有限公司，天津300455）

API682 標(biāo)準(zhǔn) （離心泵和轉(zhuǎn)子泵用軸封系統(tǒng)）1994 年4 月出版第一版，由于此標(biāo)準(zhǔn)要求的制造使用成本高，多數(shù)用戶僅用于參照；隨著對(duì)安全環(huán)保的重視程度的提高，API682 標(biāo)準(zhǔn)第二版在2002 年頒布后，廣泛應(yīng)用于石油、石化、化工行業(yè)的機(jī)械密封中；API682 標(biāo)準(zhǔn)第三版在2004 年頒布，并與ISO標(biāo)準(zhǔn)合并，得到了更大范圍的推廣，在2002 年頒布的第九版API610（石油、石化和天然氣工業(yè)用離心泵）中API682 標(biāo)準(zhǔn)被直接引用[1]；API682 標(biāo)準(zhǔn)第四版在2014 年5 月正式發(fā)布，此版API682 標(biāo)準(zhǔn)中融入了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 API682 標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用范圍與密封系統(tǒng)

1.1 應(yīng)用范圍

API682 標(biāo)準(zhǔn)適用于石油、天然氣和化工行業(yè)中的離心泵和轉(zhuǎn)子泵的密封系統(tǒng)，主要應(yīng)用于危險(xiǎn)、易燃或者有毒介質(zhì)的工況以及密封軸徑在20～110 mm的場(chǎng)合。其他泵和壓縮機(jī)、攪拌設(shè)備中的密封不屬于本標(biāo)準(zhǔn)的范圍，但也被其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)所引用。為了滿足泵的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)要求，該標(biāo)準(zhǔn)的密封系統(tǒng)要在滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范最大泄漏率要求的情況下，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)至少3 年（25 000 h）。

1.2 密封系統(tǒng)

API682 標(biāo)準(zhǔn)將密封分成3 個(gè)系列、3 種型式和3 種布置方式。

（1）密封系列。API682 將密封分為系列1、系列2 和系列3 個(gè)系列的應(yīng)用范圍等見(jiàn)表1。

表1 密封系列應(yīng)用范圍對(duì)比表

（2）密封形式。API682 將密封分為A 型、B 型和C 型3 種形式，其區(qū)別見(jiàn)表2。

表2 密封形式對(duì)比表

其中A 型和B 型密封的使用溫度≤176 ℃，C型密封的使用溫度≤400 ℃。低溫工況常采用B 型密封。

（3）密封布置方式。API682 將密封分為布置方式1、布置方式2 和布置方式3，其區(qū)別見(jiàn)表3。

表3 密封布置方式對(duì)比表

布置方式2 首選的端面組合方式為 “面對(duì)背”組合方式，布置方式3 標(biāo)準(zhǔn)的端面組合方式為“面對(duì)背”，這使得密封腔內(nèi)的雜質(zhì)在離心力的作用下會(huì)向外甩，對(duì)主密封影響小，但是“背對(duì)背”和“面對(duì)面”端面組合方式更緊湊。

2 常用密封沖洗方案介紹

API682-2014 共介紹了32 種密封沖洗方案，以下介紹幾種常用的密封沖洗方案。

（1）PLAN11：密封沖洗液從泵高壓區(qū)引出，經(jīng)限流孔板獲得沖洗流速后進(jìn)入密封腔。本沖洗方案適用于泵送潔凈介質(zhì)工況，以免堵塞限流孔板。

（2）PLAN13：密封腔的沖洗液經(jīng)過(guò)限流孔板后，返回泵的入口。此方案適用于高揚(yáng)程泵，可避免高揚(yáng)程泵選用PLAN11 方案時(shí)，使的孔板直徑很小或者沖洗流速很大。

（3）PLAN14： 此 方 案 相 當(dāng) 于 PLAN11 和PLAN13 的組合；此沖洗方案在對(duì)密封面進(jìn)行冷卻的同時(shí)，連續(xù)的給密封腔排氣，示意圖見(jiàn)圖1。

（4）PLAN21：相當(dāng)于在PLAN11 方案的孔板后增加了一個(gè)冷卻器。冷卻器可以降低進(jìn)入密封腔的溫度， 從而提高密封腔的飽和蒸汽壓力裕量。PLAN21 沖洗方案可以采用空氣冷卻，在不能采用水冷的情況下是較好的選擇，而且由于PLAN21 沖洗液來(lái)自泵的出口，一般情況下PLAN21 會(huì)提供足夠的壓差來(lái)提供較好的沖洗流速。

圖1 沖洗方案14示意圖

（5）PLAN23：密封腔內(nèi)的沖洗液，通過(guò)密封腔內(nèi)的循環(huán)裝置進(jìn)入密封腔外部冷卻器后，再進(jìn)入密封腔。對(duì)于PLAN23 沖洗方案，冷卻液的循序僅在密封腔的內(nèi)部，冷卻器僅用來(lái)冷卻循環(huán)的那部分沖洗流體， 而不是持續(xù)冷卻泵出口的沖洗流體， 所以與PLAN21 相比更不易堵塞，而且PLAN23 的冷卻器負(fù)荷要小于PLAN21 的冷卻器負(fù)荷，能效較高，示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 沖洗方案23示意圖

（6）PLAN32：沖洗液是來(lái)自外部的潔凈沖洗介質(zhì)。PLAN21 和PLAN23 沖洗方案可能會(huì)出現(xiàn)堵塞問(wèn)題，如果能夠提供外部沖洗液，而且沖洗流體與泵送流體相容，用戶也可以考慮選用PLAN32 沖洗方案。但是PLAN32 會(huì)稀釋產(chǎn)品，同時(shí)操作費(fèi)用高，能耗高，一般PLAN32 用于泵內(nèi)介質(zhì)含有固體顆粒等雜質(zhì)的情況，不推薦僅僅由于冷卻的需求就采用PLAN32 沖洗方案。

（7）PLAN52：應(yīng)用在布置方式2 無(wú)壓密封的場(chǎng)合，緩沖液壓力要比密封腔壓力低0.28 MPa。抑制密封腔內(nèi)的緩沖液通過(guò)抑制密封腔內(nèi)的循環(huán)裝置將緩沖液循環(huán)到外部?jī)?chǔ)罐，之后緩沖液再回到抑制密封腔。 通過(guò)主密封泄露的氣相隨緩沖液到儲(chǔ)罐后，從儲(chǔ)罐的頂端排放至氣體收集系統(tǒng)，因此緩沖液壓力接近大氣壓，同時(shí)由于主密封的泄露，泵送介質(zhì)會(huì)污染緩沖液，需定期對(duì)緩沖液系統(tǒng)進(jìn)行保養(yǎng)和維護(hù)。當(dāng)主密封泄露后，泵送介質(zhì)會(huì)泄漏到緩沖液罐，觸發(fā)緩沖液罐內(nèi)的高液位報(bào)警，若泄露速度過(guò)快，也會(huì)觸發(fā)緩沖罐壓力報(bào)警。此方案要求泵送介質(zhì)為潔凈、非聚合性質(zhì)的流體。PLAN52 沖洗方案示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 沖洗方案52示意圖

（8）PLAN53A/B/C：應(yīng)用在布置方式3 加壓密封的場(chǎng)合。PLAN53A 為隔離液儲(chǔ)罐外部氣體加壓，PLAN53B 為囊式蓄能器加壓，PLAN53C 為活塞式蓄能器加壓， 以下主要介紹PLAN53A 沖洗方案。PLAN53A 沖洗方案是通過(guò)外部氣體給隔離液儲(chǔ)罐中的隔離液加壓，使隔離液壓力高于密封腔壓力，壓差至少為0.14 MPa。其隔離液的循環(huán)同PLAN52中緩沖液的循環(huán)。如果泵送介質(zhì)較臟或者易結(jié)晶，該沖洗方案是較好的選擇，但是要保證隔離液與泵送介質(zhì)有較好的相容性， 不會(huì)對(duì)泵送介質(zhì)造成污染。當(dāng)密封泄漏時(shí)，隔離液通過(guò)主密封漏向泵內(nèi)或者通過(guò)二級(jí)密封漏向大氣側(cè)，這都會(huì)使儲(chǔ)液罐液位降低，觸發(fā)低液位報(bào)警。

（9）PLAN54：應(yīng)用在布置方式3 加壓密封的場(chǎng)合，隔離液由外部隔離液系統(tǒng)提供，隔離液的壓力不能低于密封腔的壓力，否則如果主密封泄漏，泵送介質(zhì)會(huì)污染整個(gè)外部隔離液系統(tǒng)。PLAN54 沖洗方案用于泵送介質(zhì)溫度較高，或者含有固體顆粒的場(chǎng)合。

（10）PLAN62：急冷（吹掃）介質(zhì)從外部引入到密封的大氣側(cè)，急冷（吹掃）介質(zhì)可以是蒸汽、氮?dú)饣蛘咚?，其作用是去除可能積聚在密封面周圍的有害物質(zhì)。

（11）PLAN72：應(yīng)用在布置方式2 無(wú)壓密封的場(chǎng)合。主密封為接觸式密封，抑制密封為非接觸式密封。抑制密封腔由外部氣源提供緩沖氣。

（12）PLAN76：應(yīng)用在布置方式2 來(lái)排放泄漏到抑制密封腔的不凝氣， 并將泄漏氣排放到指定位置。該方案中配有壓力變送器，來(lái)監(jiān)測(cè)泄漏氣壓力并實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。

實(shí)際上，在選擇密封沖洗方案時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行幾種沖洗方案的組合來(lái)達(dá)到想要的密封效果。

3 MTO 裝置密封沖洗方案選擇實(shí)例

以下介紹MTO 裝置中幾種典型泵的密封沖洗方案的選型。

3.1 凝結(jié)水泵

（1）參數(shù)

介質(zhì)：凝結(jié)水；密度877 kg/m3；流量90 m3/h；揚(yáng)程95 m；泵送溫度147 ℃；入口壓力0.3 MPaG；泵型OH2。

（2）工藝作用

將蒸汽凝結(jié)水泵送至除氧器進(jìn)行除氧或者泵送至MTO 裝置區(qū)外。

（3）沖洗方案

由于PLAN23 沖洗方案適用于所有的熱水工況，并且PLAN23 是80 ℃及以上的熱水及鍋爐給水工況的標(biāo)準(zhǔn)沖洗方案，相比PLAN21 更節(jié)能，所以蒸汽凝結(jié)水泵選擇PLAN23 沖洗方案。

3.2 堿液循環(huán)泵

（1）參數(shù)

介質(zhì)：8%濃度NaOH；密度1 080 kg/m3；流量50 m3/h；揚(yáng)程26 m；泵送溫度42.5 ℃；入口壓力1.0 MPaG；泵型OH2。

（2）工藝作用

為堿洗塔堿洗段的堿液循環(huán)提供動(dòng)力，來(lái)洗滌反應(yīng)氣中攜帶的H2S 和CO2，以滿足乙烯產(chǎn)品中的規(guī)格要求。

（3）沖洗方案

該泵泵送介質(zhì)為非烴類介質(zhì)，潔凈且泵送溫度不大于80 ℃，因此可選擇布置方式1 和PLAN11 沖洗方案；由于主密封組件周圍可能積聚苛性堿，因此選用PLAN62 沖洗方案作為輔助密封系統(tǒng)。綜上，該泵的沖洗方案選為PLAN11+62。

3.3 脫甲烷塔回流泵

（1）參數(shù)

介質(zhì)：C1～C3烴；密度561 kg/m3；流量30 m3/h；揚(yáng)程109 m；泵送溫度-37 ℃；入口壓力3.0 MPaG；泵型OH2。

（2）工藝作用

把經(jīng)過(guò)脫甲烷塔塔頂冷凝下來(lái)的，以及經(jīng)過(guò)脫甲烷塔排氣冷凝器冷凝下來(lái)的脫甲烷塔塔頂凝液打回流，泵送進(jìn)脫甲烷塔塔頂，作為脫甲烷塔的洗液。

（3）沖洗方案

由于工藝要求，緩沖液/隔離液不能泄漏到泵中，并考慮到泵送介質(zhì)甲烷不能泄露到大氣中，所以選用PLAN52 沖洗方案。 雖然PLAN62 在附錄G 中描述為： 主要用于單端面密封的輔助系統(tǒng)，其目的是去除氧化物，防止結(jié)焦，也用于沖走動(dòng)密封組件周圍積聚的有害物質(zhì)。 但在7.2.2.1 無(wú)壓雙封的NOTE1 中有描述為： 在低溫工況下，可使用急冷（吹掃）來(lái)防止結(jié)冰。 由于該泵泵送溫度為-37 ℃， 所以在密封沖洗方案中也選用了PLAN62 來(lái)防止結(jié)冰。 綜上，該泵的沖洗方案選為PLAN14+52+62。

3.4 C2 綠油分液罐底泵

（1）參數(shù)

介質(zhì)：C2烴；密度444 kg/m3；流量4 m3/h；揚(yáng)程266 m；泵送溫度-31.5 ℃；入口壓力2 MPaG；泵型OH6。

（2）工藝作用

將C2綠油分液罐底液泵送到乙烯精餾塔，在乙烯精餾塔塔底中回收洗液中的C2 組分。

（3）沖洗方案

雖然該泵為低溫泵，但由于高速泵布置空間的限制，不能選用PLAN62 沖洗方案?；诹⑹奖门艢獾目紤]，主密封沖洗方案選擇PLAN14。在附錄A 推薦的機(jī)械密封選擇程序的表7、8、9 中單獨(dú)提到是否為立式泵， 若為立式泵就選擇PLAN13 或PLAN14 沖洗方案，因?yàn)樵诒?、8、9 中針對(duì)是否為立式泵注解a 有描述：密封腔是否需要排氣為是否考慮采用PLAN13 的一項(xiàng)參考因素。注解b 中又有描述為：?jiǎn)为?dú)采用PLAN13 時(shí)，若密封腔和泵入口間的壓差不能保證所要求的沖洗流量時(shí)， 應(yīng)選擇PLAN14。在附錄G 中PLAN13 和PLAN14 也有相應(yīng)的描述，這也是該泵選擇PLAN14 的原因。綜上，該泵的沖洗方案選為PLAN14+52。

3.5 混合C4 裝車泵

（1）參數(shù)

介質(zhì)：混合C4；密度562 kg/m3；流量30 m3/h；揚(yáng)程60 m；泵送溫度40 ℃；入口壓力0.36 MPaG；泵型VS6。

（2）工藝作用

將罐區(qū)混合C4儲(chǔ)罐中C4產(chǎn)品泵送到C4裝車鶴位。

（3）沖洗方案

由于VS6 為立式泵，主密封的沖洗方案按照上述討論選擇PLAN14 沖洗方案。該泵處于混合罐區(qū)，而本項(xiàng)目中混合罐區(qū)不能提供循環(huán)水進(jìn)行密封的冷卻，所以該泵的抑制密封沖洗方案選擇干氣密封PLAN72+76 的型式， 主密封泄漏的氣相通過(guò)PLAN76 沖洗方案收集并排放到火炬，當(dāng)主密封大量泄漏時(shí)，PLAN76 還有觸發(fā)報(bào)警的功能。綜上，該泵的沖洗方案選為PLAN14+72+76。

3.6 丙烯精餾塔回流泵

（1）參數(shù)

介質(zhì)：丙烯；密度469 kg/m3；流量1 769 m3/h；揚(yáng)程130 m；泵送溫度45.1 ℃；入口壓力2.42 MPaG；泵型BB2。

（2）工藝作用

將丙烯精餾塔塔頂經(jīng)冷凝器冷凝下來(lái)的一部分液相，泵送回丙烯精餾塔塔頂，作為丙烯精餾塔的洗液。

（3）沖洗方案

由于BB2 泵型的泵密封腔壓力接近入口壓力，不適合選擇PLAN13 沖洗方案，綜合考慮泵送溫度和介質(zhì)較為潔凈，主密封選擇PLAN11 沖洗方案。考慮到緩沖液不能進(jìn)入泵內(nèi)，影響丙烯的產(chǎn)品規(guī)格，所以選用無(wú)壓密封沖洗方案PLAN52。綜上，該泵的沖洗方案選為PLAN11+52。

4 結(jié)語(yǔ)

在安全和環(huán)保重視程度日益提高的當(dāng)下，API682 標(biāo)準(zhǔn)在石油、化工等工業(yè)領(lǐng)域中泵用密封及其輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行都有著至關(guān)重要的指導(dǎo)作用。只有掌握了密封形式、分類和沖洗方案及其配置，并結(jié)合泵送介質(zhì)溫度、壓力和特性（易燃易爆、毒性），才能確定針對(duì)每個(gè)不同工況的密封形式和沖洗方案，保證設(shè)備安全長(zhǎng)期運(yùn)行，并符合環(huán)保零泄漏的要求，做到化工裝置設(shè)備本質(zhì)上安全。