高溫輻射進料泵降壓系統優化

孟劍

摘 要：對一種BB2結構形式高溫輻射進料泵的非驅動端機械密封在運行過程中的滲漏故障進行分析得出，機械密封泄漏故障的根本原因是密封腔泵送介質壓力偏高，內側密封沖洗液（P32）及外側密封沖洗系統（P53A）隔離液壓力偏小，無法滿足冷卻潤滑密封動靜環要求，導致機械密封長時間在高溫、高壓狀態下運行失效。為消除泵運行安全隱患，對泵的降壓系統進行了模型分析與優化設計，將密封腔體介質壓力由原來的1.2 MPa降低至約0.3 MPa，實現了密封沖洗液對密封動靜環的充分冷卻和潤滑，延長機械密封使用壽命，提高機組安全運行的可靠性，有效降低了運維成本。

關鍵詞：輻射進料泵;節流套;泄壓系統;泄漏量

中圖分類號：TQ520.5文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）16-0047-04

Abstract： Based on the analysis of the leakage of the mechanical seal at the non drive end of a BB2 structure high temperature radiation feed pump in the process of operation， it was concluded that the root cause of the leakage of the mechanical seal was the high pressure of the pumped medium in the seal cavity， the low pressure of the internal seal flushing fluid （P32） and the external seal flushing system （p53a） isolating fluid， which could not meet the requirements of the dynamic and static rings of the cooling lubrication seal， resulting in the mechanical seal fails in high temperature and high pressure for a long time. In order to eliminate the potential dangers of pump operation ， the model analysis and optimization design of the pump's pressure reduction system were carried out， and the medium pressure of the sealing cavity was reduced from the original 1.2 MPa to about 0.3 MPa， which realized the sufficient cooling and lubrication of the moving-fix ring ， and extended the work life of the mechanical seal， improved the reliability and safety of the machine unit， reduced the cost of operation and maintenance efficiently.

Keywords： radiation feed pump;throttle sleeve;pressure relief system;leakage

延遲焦化裝置中輻射進料泵，也稱為加熱爐進料泵，是焦化裝置的關鍵設備，其功能是將300 ℃以上的焦化渣油從分離塔底抽出，經由燃燒爐輻射室快速升溫后，送至焦炭塔反應生焦。該泵的特點是流量大、揚程高、功率消耗大，是延遲焦化裝置用電大戶。某煉化廠延遲焦化裝置中，采用BB2結構形式的加熱爐進料泵共3臺，并聯安裝，兩開一備運行，泵送出來的渣油經出口截止閥后分成8個支路進入燃燒爐升溫，然后再進入焦炭塔，在8個支路上設置調節閥控制流量。3臺泵自投入運行以來，泵的性能指標良好;但是，非驅動端機械密封每運行2個月左右，便出現滲漏現象，對故障機械密封解體檢查后發現，兩道密封的動靜環均存在不同程度的磨損現象，此項指標與泵廠家所提供的維修計劃中機械密封使用壽命8 000 h以上嚴重不符[1]。

該泵非驅動端機械密封頻繁發生故障，不但額外增加了公司的運維成本，而且存在安全隱患，為了徹底解決這一隱患，經分析排查后發現，導致機械密封故障的根本原因是機械密封長時間運行在非設計工況下導致密封失效。本文將從現場實際情況出發，結合該泵的結構及現場運行情況，就如何徹底解決非驅動端機械密封頻繁失效進行了相關研究，并進行了成功改造。

1 高溫輻射進料泵概述

1.1 設計參數

高溫輻射進料泵用于輸送高溫焦化渣油，主要設計參數如表1所示。

1.2 泵體結構

如圖1所示，該泵為單殼體徑向剖分式離心泵，3級葉輪串聯，首級采用雙吸葉輪，可減少軸向推力，還可有效增加泵的抗汽蝕性能，次級、末級采用單吸葉輪，設置平衡孔，用以平衡水力軸向力;泵體和葉輪口環采用騎縫螺釘固定，可提高泵的效率并維持泵的穩定性;泵的吸入、吐出口均垂直向上，與泵體整體鑄造成型，采用雙蝸殼結構，可有效平衡水力徑向力，確保泵在全部工作范圍內的穩定性;采用中心線支撐、徑向剖分設計，可有效防止高溫高壓下變形;非驅動端設置一對角接觸球軸承承受殘余軸向力，徑向力由驅動端深溝球軸承承受，軸承采用稀油自潤滑。

1.3 非驅動端密封沖洗系統

該泵的驅動端與非驅動端采用相同型號的集裝式雙端面機械密封。由于泵送介質為高溫焦化渣油，密封的沖洗方案采用《石油、石化和天然氣工業用離心泵》（API610—2010）中的P32+P53A+P62[2]。

第一道密封采用《石油、石化和天然氣工業用離心泵》（API610—2010）中的P32外沖洗系統，如圖2所示，沖洗液為外部干凈的不污染泵送介質的流體，沖洗液的壓力、流量可進行調節。

第二道密封采用《石油、石化和天然氣工業用離心泵》（API610—2010）中的P53A密封沖洗系統進行沖洗。該系統為一閉式自循環系統，循環所需的動力由機械密封內部的泵效環完成，隔離液儲液罐壓力（壓力可調）高于密封腔室介質壓力，隔離液一般選用白油，P53A密封系統如圖3所示。

第三道密封P62是機械密封急冷系統。該系統的目的是阻止高溫介質通過泵軸將高溫傳遞到推力軸承處，導致軸承溫度過高。該系統的冷卻水由外部冷卻水源供給。P62密封急冷系統如圖4所示。

2 故障根本原因分析與檢測

經過原因查找，初步判斷非驅動端機械密封頻繁故障的原因可能是密封腔室介質壓力高于沖洗液壓力，導致機械密封在高溫、高壓非設計工況下運行。為驗證此故障判斷的準確性，通過非驅動端密封腔室與泵入口連接的泄壓管線對密封腔室壓力進行現場測量，測量結果為泄壓管線介質壓力為1.2 MPa，該壓力遠超過密封沖洗液與隔離液的壓力。P32沖洗液為蠟油，其溫度約90 ℃，壓力0.5 MPa;P53A隔離液為白油，壓力0.49～0.52 MPa。

3 方案可行性分析

經過分析，提出以下兩種解決方案。

第一，提高密封沖洗液的壓力，使其超過密封腔室壓力（1.2 MPa）。增加密封沖洗液壓力：通過計算，需要將P32系統沖洗液的壓力增加至約12.1 MPa，P53A系統隔離液壓力增加至約12.4 MPa，即可滿足密封的要求，對現場操作來講，此方案最為簡單。對該方案進行綜合性評估，發現單純地增加密封沖洗液壓力將會額外增加指向驅動端的軸向力（根據該泵的結構，泵運轉時，水力軸向力指向驅動端），影響轉子平衡，造成推力軸承承受載荷增加，長時間運行將導致該軸承溫度偏高，從而使軸承壽命降低。

第二，降低密封腔壓力，使其與驅動端密封腔壓力相近。降低密封腔室壓力：根據該泵的結構，繪制了簡易的非驅動端密封腔體降壓系統，如圖5所示，可通過增加節流套的降壓能力（流阻）及加大泄壓管線過流能力，使通過節流套泄漏的泵送介質能完全通過泄壓管線回到泵入口，達到動態平衡。該方案不僅可徹底解決密封頻繁故障，而且不會造成其他新的潛在故障的發生，對于泵的穩定性也有所提高。

通過分析上述兩種方案的可行性，本項目采用降低非驅動端機械密封腔室壓力的方案進行項目改造，以徹底解決機械密封頻繁損壞的故障。

4 泵降壓系統優化設計

為了得到相對準確的計算結果，在對該泵更換機械密封時，按照相應要求對其進行了局部解體，測量了節流套間隙、節流套有效長度、泵蓋泄壓孔、泄壓管內徑，測量結果如表2所示。

從以上計算結果可以得出，節流套泄漏量[q1]與泄壓管線過流量[q2]基本相等，維持了動態平衡，計算結果準確，此時機械密封腔室壓力[P2]=1.2 MPa。

假設將機械密封腔室壓力降低至[P2]=0.35 MPa，按照現有節流套測量參數，根據公式（1）計算節流套的泄漏量[q1]=12.64 m3/h，泄漏量增加了28.6%;同時按照公式（2）計算泄壓管或孔的過流量[q2]=4.49 m3/h，該數值約為節流套泄漏量的1/3，出現了嚴重不匹配的現象，只有將泄壓管線內徑增加至24 mm，此時計算[q2]=12.96m3/h，該過流流量與節流套泄漏量基本相等，維持了動態平衡。

考慮到只增加泄壓管線內徑，由原來的15 mm增加至24 mm，將會導致泵的內漏增大，造成泵的效率下降，本項目優化改造時應盡可能保證節流套與未改造前泄漏量（9.83 m3/h）基本保持一致，因此計劃將采用如下兩種方案同時進行：第一，將原節流套結構改為齒形結構，增加流阻，如圖6所示;第二，適當增加泄壓孔孔徑，可增加過流能力。

5 軸套結構優化設計

雖然通過齒形節流套、增大泄壓孔徑的方案可滿足降低機械密封腔室壓力的要求，達到預期的效果;但是，為了增加此次項目改造的可靠性，計劃再將軸套結構改為螺旋槽形式（如圖7所示），這樣可增加一定的流阻，進一步降低節流套泄漏量，增加方案的可靠性[5]。

為了對螺旋槽計算結果進行驗證，對螺旋槽進行了三維建模以及數值模擬分析計算，計算過程如圖8所示，計算結果為螺旋槽可提供的流阻是0.025 5 MPa，與理論計算結果基本相同。

6 優化方案的確定

從該泵的安全性考慮，最終采取了綜合性的優化方案，即節流套采用齒形節流套、擴大泵蓋泄壓孔徑、與節流套配合的軸套采用螺旋槽結構三個方案疊加實施，先對3臺泵中的1臺泵進行優化改造。

按照以上方案對泵改造后，泵運行穩定后對非驅動端機械密封腔室壓力進行了測量（泄壓管線上取測量點），測量結果為0.3 MPa，比預期結果偏好，項目改造非常成功。

7 結論

項目優化設計，徹底解決了非驅動端機械密封故障頻發的現象，降低了公司運維成本。

優化結果表明：降低密封腔室壓力的根本措施是保持節流套泄漏量與泄壓管線過流能力達到動態平衡;基本參數相同的節流套，采用齒形結構的節流能力較平直結構的節流能力高約20%;螺旋密封槽的旋向根據轉速進行準確判斷，螺旋角的變化對密封能力影響比較敏感;密封腔室壓力過大，除會導致機械密封故障頻發外，還會引起軸向力偏大，導致軸承運行溫度偏高，降低軸承壽命。

參考文獻：

[1]陶鐵梅.延遲焦化輻射進料泵節能改造[J].流體機械，2014（7）：51-54.

[2]美國石油協會.石油、石化和天然氣工業用離心泵：API610-2010[S].11版.2010.

[3]關醒凡.現代泵理論與設計[M].北京：中國宇航出版社，2011.

[4]黃軍宜，周麗芬，孟小松.離心泵用機械密封腔壓力的確定[J].機械，2010（S1）：15-17.

[5]羅惕乾.流體力學[M].3版.北京：機械工業出版社，2007.