常減壓P2103泵用機械密封的可靠性升級改造

李國旺

中海石油中捷石化有限公司，中國·河北 滄州 061100

1 引言

石油化工企業(yè)是中國經濟發(fā)展的中流砥柱，其生產過程中的“動脈”一般是指流體輸送設備。其中，機泵的數(shù)量占很大的比例，在這些機泵中，以高溫泵、輕烴泵、有毒有害泵為關鍵泵位。這些設備中所使用的流體介質大多是易燃、易爆、毒性和強腐蝕等特性，在實際生產中，它們帶來了巨大的潛在危險性，它們的穩(wěn)定運行對于整個裝置的甚至于整個企業(yè)生產過程的長周期安全運行起著至關重要的作用。

機械密封及輔助系統(tǒng)作為機泵的重要組成單元，對機泵的穩(wěn)定運行起著重要的作用。隨著中國的國力日益強盛，對安全、環(huán)境保護與健康的要求也不斷提高。為了進一步提高設備運行時間，提升現(xiàn)役泵的安全等級，從本質上保證設備穩(wěn)定運行，同時配合集團公司的安全整治要求，筆者對常減壓裝置P2103泵位的機械密封進行了升級改造。

2 改造升級方案

2.1 改造前機械密封及輔助系統(tǒng)配置說明

2.1.1 配置簡介

常減壓裝置P2103泵，其應用工況參數(shù)如表1所示，該泵自投入使用到升級改造前，機泵密封一直采用單端面波紋管機械密封結構（如圖1所示），輔助沖洗方案采用PLAN21方案（如圖2所示）

圖1 單端面波紋管密封示意圖

圖2 PLAN21沖洗方案示意[2]

表1 密封所處工況條件

2.1.2 方案說明

（1）密封結構選用說明

波紋紋管機械密封因其使用溫度高、耐腐蝕、性能可靠等特點在煉油行中得到了廣泛應用[1]。結合該泵位的使用工況，該泵輸送的流體為高溫柴油，因此該泵配置的是單端面波紋管機械密封。

（2）輔助沖洗方案選用說明

密封的長時間安全、穩(wěn)定地運行，取決于密封的工作環(huán)境，而密封的工作環(huán)境又離不開輔助系統(tǒng)。為了改善密封的工作環(huán)境，對于單端面密封來說，需要對密封采用冷卻、外沖洗等措施。該泵位考慮到過程流體本身特性，采用的是PLAN21沖洗方案作為輔助沖洗方案（如圖2所示），從而起到沖洗、降溫等作用。

（3）配置隱患說明

但隨著對設備安全等級要求的提升，單端面波紋管密封的配置存在一定安全隱患。具體內容如下：

第一，采用單端面密封結構，密封介質出現(xiàn)泄漏時，介質會直接泄漏到大氣中，缺乏安全保護。尤其是對于高溫介質，雖有外沖洗、背冷系統(tǒng)起到冷卻和隔離的作用，但是對于高溫介質而言，一旦出現(xiàn)極限事故，高溫介質就會大量的直接的流向大氣側。如果處理不及時則很容易引起著火事故，存在著很大的安全隱患。

第二，密封出現(xiàn)泄漏，只能靠巡檢人員到現(xiàn)場巡檢發(fā)現(xiàn)，輔助系統(tǒng)無報警提示，若出現(xiàn)大量泄漏，一旦處理不及時很容易形成安全隱患。

2.2 改造方案

2.2.1 密封結構的選擇：

（1）密封布置方式

布置方式1：每套集裝式密封中有一對密封端面，即單端面密封[2]。

布置方式2：每套集裝式密封中有兩對密封端面，且兩對密封端面之間的壓力低于密封腔壓力，即雙端面機械密封[3]。

布置方式3：每套集裝式找那個有兩對密封端面，且隔離流體由外部引入到兩對密封端面間，其壓力高于密封腔壓力，即雙端面機械密封。

（2）布置方式2與布置方式3的區(qū)別說明

一般情況下，布置方式2和布置方式3的區(qū)別在于兩對密封端面壓力與密封腔壓力差值，低于密封腔壓力為布置方式2，高于密封腔壓力為布置方式3。此外，還可以通過過程流體的泄漏方向進行區(qū)分，布置方式2是過程流體向緩沖液測泄漏，布置方式3是阻封流體向過程流體側泄漏。

（3）結構確定

結合密封廠家（丹東克隆）提供的密封資料、外型尺寸及推薦建議，同時防止該泵輸送流體向外泄漏，經核對，決定采用布置方式3，具體結構如圖3所示。

圖3 改造升級后密封結構示意

（3）密封類型的選擇

考慮到流體的溫度，而波紋管密封在此溫度下的密封性能優(yōu)異。因此，密封類型采用雙端面波紋管機械密封。

2.2.2 密封材料的選擇

為了保證密封更好的穩(wěn)定運行，在升級密封結構的同時，對密封材料也進行了升級，其中主要的密封部件材料選用如下。

（1）摩擦副材料的選擇

摩擦副材料的選用一般依據(jù)具體工況條件，結合材料自身的力學性能、化學兼容性、熱力學性能、摩擦特性、加工性以及價格等綜合因素來確定。一般來說，機械密封常用軟硬配對來降低摩擦，將硬材質作為寬環(huán)、軟材質作為窄環(huán)，組合使用。本設計中，適宜選用自潤滑性好的材質。碳石墨具有優(yōu)良的摩擦特性和良好的力學性能，彈性模量低，更容易在壓力下彎曲或變形；其耐溫范圍廣，惡劣環(huán)境也可應用，所以要選擇不易起泡的浸銻石墨作為軟環(huán)材質。碳化硅的硬度高，耐腐蝕性強、導熱性高和對石墨的摩擦系數(shù)低。因此，選用最耐化學腐蝕的無壓燒結碳化硅作為硬環(huán)材質。

（2）輔助密封材料的選擇

輔助密封的選材主要考慮對介質的耐溫性和化學兼容性。經多方考慮，輔助密封材料選擇全氟橡膠和柔性石墨材料。

（3）彈性元件選擇

由于本設計溫度高，同時密封結構選用的是波紋管機械密封，所以本設計中的彈性元件為波紋管。對于波紋管的材料，綜合考慮后選用INCONEL718，波紋管波形一般波紋管采用45°波形大大降低了應力峰值，分解內孔焊茹應力，防止早期破壞。

（4）其他關鍵金屬件的選擇

考慮到本次設計結構中采用的是鑲嵌結構，為減少密封端面變形對密封長周期使用的影響。通過對比，同時考慮到過程流體的溫度、腐蝕性等因素，選用定膨脹合計作為鑲嵌環(huán)使用。

2.2.3 機械密封輔助系統(tǒng)配置的選擇

（1）沖洗方案的選擇

機械密封輔助系統(tǒng)具有沖洗、改善端面潤滑、調節(jié)溫度、控制壓力、除雜、防結焦等功能，合理的選擇輔助系統(tǒng)配置可以為端面摩擦副和輔助密封創(chuàng)造良好的周圍環(huán)境并保證其在最佳的工作條件下運行，從而提升設備運行的可靠性。

通過了解API682中介紹的輔助沖洗方案原理，結合現(xiàn)場實際使用的沖洗方案，為了能實現(xiàn)升級后設備安全可靠運行，決定采用圖4所示的PLAN21+PLAN53A組合的輔助沖洗方案。

圖4 PLAN21+PLAN53A示意圖

（2）PALN53A方案介紹

Plan53A工作原理：

第一，P53A由雙端面密封和密封之間的隔離液構成，本方案用于布置方式3的密封。隔離過程中，流體不允許出現(xiàn)輸送介質泄漏到大氣中的情況。適用于高溫、臟污、腐蝕或易聚合性介質。

第二，在沖洗方案53A中，采用外部氣體加壓隔離液儲液罐為隔離流體密封腔提供潔凈的隔離液。隔離液一般盛裝在圖5示意中的儲液罐中，儲液罐中的壓力高于被密封介質壓力0.14～0.41MPa。

圖5 PLAN53A沖洗方案示意

第三，PLAN53A利用內循環(huán)裝置（一般是指密封泵送環(huán)）將隔離液從儲液罐中輸出，之后在返回到儲液罐中，為了最大限度地提高隔離液的循環(huán)效果，應通過合理選擇管道規(guī)格、減少配件、使用大半徑彎頭和降低管道運行長度來使管路損失最小化。

第四，使用PLAN53A方案時，內部密封泄漏時，隔離液泄到被輸送的介質中。如果被密封介質壓力變化過大，可以通過應用可控壓差調節(jié)器，以設定外部密封腔壓力高于被密封介質壓力0.14～0.17MPa

2.2.4 封液的選擇

通過查閱大量試驗數(shù)據(jù)可知，封液中的添加劑、油品粘度等對運轉中的密封摩擦副有很大的影響，尤其是對石墨材料。油的粘度越高，石墨越容易出現(xiàn)皰疤現(xiàn)象。通過對油品牌號的比較，決定采用15號工業(yè)白油作為此次改造的封液使用。

2.3 升級改造優(yōu)勢說明

2.3.1 提升了設備運行的安全等級

升級改造后的密封結構采用雙端面機械密封，輔助沖洗方案采用PLAN21+53A具有以下優(yōu)勢。

第一，在這個升級方案中，內側密封為主密封，密封結構采用旋轉型波紋管，外側密封為輔密封，起到保護的作用。外側密封承受儲罐封液的壓力。外側密封同樣選用耐高溫金屬波紋密封，外側密封采用PLAN53A方案，并用外接氮氣加壓至高于密封腔壓力0.14～0.41MPa。當主密封失效時，外側密封可以在有限的時間內起到密封的作用，有足夠的時間切換設備，保證工藝介質不會大量泄漏到大氣中，從根本上避免高溫熱油外漏與氧氣接觸而引發(fā)火災等災難性事故，提升了設備運行安全等級。

第二，PLAN53A系統(tǒng)配置了報警系統(tǒng)，可通過遠傳DCS信號（可接停機聯(lián)動）接入主控室，形成電子監(jiān)控，將原有的不確定、不可控、不安全，轉化為可控安全。當內側主密封失效時，儲罐封液向內大量泄漏，導致液位開關低報警，壓力低報警，系統(tǒng)會發(fā)出報警信號，通知操作工密封失效，需要及時更換密封；若外側安全密封意外失效，不僅大氣會有大量白油泄漏，且儲罐液位也會迅速下降，液位開關低報警，壓力低報警，系統(tǒng)會發(fā)出報警信號，通知操作工密封失效，需要及時更換密封

第三，同時可通過人工巡檢觀測，及時發(fā)現(xiàn)儲液罐液位的變化，判定介質側密封的泄漏程度，及時進行密封失效分析，提升設備運行的可靠性

2.3.2 對機械密封進行升級

通過對機械密封升級，設備連續(xù)運行時間延長（如表2所示），減少了檢修次數(shù)。

表2 升級前后數(shù)據(jù)對比

3 結語

常減壓裝置P2103泵位在機械密封廠家（丹東克隆）的配合下，實現(xiàn)了預期效果，滿足了集團公司關于設備可靠性升級改造的要求。

通過對該泵位的改造，每年為公司節(jié)省了12074.52元的維修費用，節(jié)約了維修成本，提高了設備的安全性能，產生了很好的經濟效益

本次通過對該泵位機械密封及其輔助系統(tǒng)進行改造和技術升級，杜絕了火災的發(fā)生和有害介質對環(huán)境的污染，提升現(xiàn)役泵安全等級，從本質上保證設備安全可靠運行，有很好的社會效益。