液化氣泵用干氣密封失效分析及優化改造

胡偉杰

(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

某焦化裝置穩定塔頂回流泵，在運行過程中其干氣密封平均使用壽命約為6個月，嚴重影響了設備的長周期運行，經過故障失效原因分析，將機封沖洗流道和密封端面結構參數進行優化改造，顯著提高了機封運行穩定性，機封使用壽命延長至24個月以上。

1 塔頂回流泵基本運行工況信息

介質：液化氣(含H2S)

溫度：40～50 ℃

入口壓力：0.9～1.2 MPa

出口壓力：1.7 MPa

轉速：2950 rpm

機封型式：串聯式干氣密封

密封布置方案：11+72+76

緩沖流體：氮氣0.2 MPa

2 泵用串聯式干氣密封的特點

泵用串聯式干氣密封是將普通接觸式機械密封與干氣密封串聯在一起組合使用，機械密封為一級主密封，干氣密封為二級次密封。使用過程中要在機械密封與干氣密封之間通入密封氣(通常為氮氣)，這樣使機械密封后具有一定的背壓，這樣可以減少一級密封端面液膜介質汽化的程度，極大地延長了機械密封的使用壽命；當一級機械密封發生泄漏時，泄漏的工藝介質會隨著充入的密封氣一起排入火炬，保證了工藝介質不會向大氣泄漏；一級機械密封失效后，二級的干氣密封可以在短時間內起到主密封作用，防止工藝介質向大氣大量泄漏。這種串聯式的泵用干氣密封主要應用在易揮發介質、對密封氣壓力要求不高的場合[1]。

為保證串聯式干氣密封的可靠運行，干氣密封均配備了相應的控制系統，用來為干氣密封提供干燥、清潔的密封氣，同時還要對機械密封是否出現泄漏進行監控。干氣密封兩個密封端面間形成的氣膜厚度在2～3 μm左右，如果充入的密封氣中帶液或含有直徑大于3 μm的雜質顆粒，就會破壞密封端面間氣膜的形成，進而影響密封性能。因此必需要求密封氣滿足一定的清潔度，才能保證干氣密封的正常運行[2]。對各級密封泄漏的監測控制，在11+72+76方案中是通過對干氣密封泄漏排氣管線上的氣體壓力的監視而實現對密封泄漏的監控。當干氣密封泄漏管線上的壓力高于一定值時，安裝在泄漏管線上壓力開關發出高報警信號，這說明主密封泄漏過大，可能出現問題；當泄漏管線上的壓力低于一定值時，壓力開關發出低報警信號，說明密封氣進氣壓力過低或二級干氣密封泄漏過大。但壓力表值突然的大幅波動，也有可能是軸的振動或工藝波動引起，此時需要進行排查[3]。

3 失效形式及原因分析

故障現象：機封運行過程中，出現異常尖叫聲，拆檢發現一級密封磨損較大，機封壽命短，運行6個月左右就出現泄漏。

原因分析：有尖叫聲說明存在干摩擦，而導致干摩擦的原因是密封端面的液膜或氣膜遭到破壞，難以形成連續、穩定的流體膜。通過拆檢情況分析，從密封端面材質自身特性和存在過熱兩個方面查找原因。

3.1 密封端面材質選型問題

因液化氣類介質自身沸點低，易氣化，而且密封腔內壓力較高，密封端面摩擦也會產生大量熱量，使汽化更容易發生，造成氣液兩相同時存在。該密封屬于輕烴泵專用密封，干氣密封旋轉環和靜止環組對和機械密封摩擦副組對材質均為碳石墨，干氣密封和機械密封的輔助密封圈均采用氟橡膠，這種摩擦副材料的選用, 是具有成熟的應用性和可靠性；第一道機械密封的端面選用進口優質石墨，耐磨損，能夠適應氣液兩相的運轉環境，機封廠家有同工況穩定運行案例，因此排除密封圈和端面材質選型問題[4]。

3.2 密封沖洗量不夠問題

現場如果PLAN11 沖洗量不夠，會導致密封腔的熱量無法被及時帶走，導致熱量積聚，密封面溫度升高，氣相變多，液相變少，磨損加劇，造成端面短期內過度磨損。如果密封腔內的介質壓力接近介質飽和蒸汽壓的，再加上端面摩擦發熱的影響，介質在端面間更容易發生汽化，這種接近飽和蒸汽壓的運行工況條件對機封的性能本身也是考驗。機封運行過程中出現的尖叫聲說明存在這種現象。

4 優化改造方案

針對機封發熱和沖洗量不夠的問題，采取了以下優化改造措施：

圖1 圖中圓圈內加粗部分為優化沖洗流道Fig.1 The bold part in the circle is the optimized flushing channel

(1)加大沖洗量。密封腔中的溫度過高會導致介質汽化，而汽化及高溫會引起機封密封元件變形，直致密封失效。設置冷卻沖洗的目的就是將密封運轉過程中產生的過多熱量帶走。密封腔中熱量將原PLAN11 支路上限流孔板的孔徑加大，使PLAN11對密封的沖洗量提高，加速介質在泵腔內循環散熱。

(2)優化機封內部的沖洗流道及冷卻方式。優化后的結構如下圖1所示。

(3)優化密封環結構參數，控制端面發熱量。密封腔中熱量的來源包括密封端面摩擦產生的熱量、介質剪切產生的熱量；由旋轉的密封元件引起的紊流而產生的熱量、由泵經密封腔和軸傳導的熱量。其中密封端面上產生的熱量：

Q=(Tr×n)/9550，Tr=pcAf(Dm/2000)

式中，n為轉速，r/min；Tr為密封端轉矩；pc為端面比壓，MPa；A為端面面積，mm2；f為端面摩擦系數；Dm為端面平均直徑，mm。

對于不銹鋼軸套和壓蓋的鋼結構泵，一個保守的熱量吸收估算公式Qs(J/s)：

Qs=0.249S×ΔT

(1)

式中：S為有效的密封直徑，mm；ΔT為泵送溫度與密封腔溫度之差，℃。

機封廠家根據計算，優化了機械密封的端面尺寸，保證在有沖洗作用下其端面發熱量不超過介質對應壓力下飽和蒸汽壓產生汽化的溫升，避免介質汽化[5]。

圖2 端面溫度分布Fig.2 End temperature distribution

5 結 論

經過優化改造的機封，加大了PLAN11密封液沖洗量，有效控制了第一級機械密的密封端面發熱量，避免泵送介質氣化，造成動靜環密封面干摩擦，使密封運行環境得到改善；同時通過對密封端面結構尺寸的優化設計計算，控制端面發熱量，顯著提高了機封運行穩定性，機封使用壽命延長至24個月以上。