加氫裂化進(jìn)料泵的密封改造

文/靜國(guó)榮

上海石化芳烴部加氫裂化進(jìn)料泵密封改造經(jīng)驗(yàn)分享——中石化上海石化芳烴部加氫裂化進(jìn)料泵GA101是加氫裂化裝置的關(guān)鍵設(shè)備，該泵由BYRONJACKSON公司設(shè)計(jì)制造，于1984年10月投入使用。原設(shè)計(jì)采用的單端面彈簧密封，介質(zhì)中含有H2S、溫度近120℃，轉(zhuǎn)速近6 000 r/min，在運(yùn)行中密封易泄漏，使用壽命短。因介質(zhì)中硫化氫含量較高，在泵運(yùn)行中，密封的泄漏會(huì)造成環(huán)境污染以及對(duì)操作人員造成健康損害。公司基于環(huán)保、安全、壽命等因素考慮，對(duì)此高危泵進(jìn)行密封改造。分析加氫裂化進(jìn)料泵密封的故障原因，提出改進(jìn)方案。根據(jù)加氫進(jìn)料泵密封特點(diǎn)選擇合適的機(jī)械密封輔助系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)校驗(yàn)密封的性能參數(shù)。

加氫裂化裝置是石油化工行業(yè)的重要加工生產(chǎn)裝置，其技術(shù)是在一定的穩(wěn)定度和氫壓下，通過(guò)催化劑的催化作用，使原料油與氫氣進(jìn)行反映進(jìn)而提高油品質(zhì)量、得到目標(biāo)產(chǎn)品。加氫裂化進(jìn)料泵作為其核心重要設(shè)備是保證裝置長(zhǎng)期安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。

加氫進(jìn)料泵的特點(diǎn)是：流量大，要求操作平穩(wěn)；出口壓力高、揚(yáng)程大，通常為多級(jí)離心泵；對(duì)泵及輔助系統(tǒng)的可靠性要求高。

設(shè)備概況

上海石化芳烴部2#芳烴加氫裂化裝置GA-101是加氫新鮮進(jìn)料泵，該泵由BYRONJACKSON公司設(shè)計(jì)制造，型號(hào)為3×101/4HDO，結(jié) 構(gòu) 形 式 為BB5,10級(jí)離心泵。介質(zhì)為減壓柴油，軸功率1175 kW，額定流量145 m3/h，吸入壓力0.21 MPa，排出壓力18.37 MPa。機(jī)械密封作為進(jìn)料泵上的重要部件，是該泵能否安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行的重要一環(huán)。

運(yùn)行狀況

該泵于1984年10月投入使用，在使用過(guò)程中多次出現(xiàn)機(jī)械密封外漏情況,現(xiàn)場(chǎng)伴有H2S味道。原機(jī)械密封存在的問(wèn)題是，型式為單端面機(jī)械密封（如圖1），輔助系統(tǒng)為PLAN23，且密封冷卻器循環(huán)水管直徑小，冷卻效果差。密封在使用一段時(shí)間后就發(fā)生泄漏，問(wèn)題主要表現(xiàn)在端面內(nèi)側(cè)結(jié)焦非常嚴(yán)重（如圖2、3）。

圖2 動(dòng)環(huán)端面結(jié)焦圖

圖3 動(dòng)環(huán)端面內(nèi)側(cè)結(jié)焦圖

由于單端面機(jī)械密封的安全系數(shù)低，當(dāng)密封失效時(shí)，高溫柴油會(huì)立即泄漏到環(huán)境當(dāng)中從而對(duì)環(huán)境造成影響，嚴(yán)重的甚至?xí)鸹馂?zāi)、爆炸、人員傷亡等重大安全事故。近年來(lái)國(guó)家對(duì)環(huán)保要求提升，同時(shí)出于對(duì)原料泵運(yùn)行的安全及穩(wěn)定性考慮，所以對(duì)高危泵的單端面的機(jī)械密封進(jìn)行改造是必然趨勢(shì)。

雙端面機(jī)械密封是主要的選型方向，它的結(jié)構(gòu)種類很多，配置不同的輔助系統(tǒng)，雙端面密封又可以劃分為有壓雙封和無(wú)壓雙封，所以我們先根據(jù)加氫進(jìn)料泵工況選定密封的輔助系統(tǒng)。

輔助系統(tǒng)介紹和選擇

機(jī)械密封的輔助系統(tǒng)是密封極其重要的組成部分，是密封能否安全、可靠、長(zhǎng)周期運(yùn)行的重要保障。輔助系統(tǒng)選擇合理，則密封結(jié)構(gòu)的選擇就相對(duì)簡(jiǎn)單且多樣化；一旦輔助系統(tǒng)選擇存在問(wèn)題，就會(huì)對(duì)密封結(jié)構(gòu)提出很多苛刻的要求甚至任何密封結(jié)構(gòu)都無(wú)法滿足使用要求。

密封的輔助系統(tǒng)主要有以下作用。

1.為密封的運(yùn)行創(chuàng)造更有利的環(huán)境，主要包括：為密封提供良好的潤(rùn)滑，促進(jìn)端面形成穩(wěn)定的液膜；將密封端面在工作時(shí)產(chǎn)生的熱量帶走；調(diào)節(jié)密封腔壓力；為密封提供清潔的工作液；隔離外部環(huán)境對(duì)密封的影響。

2.監(jiān)測(cè)和控制密封的泄漏，主要包括：監(jiān)測(cè)密封的泄漏；將泄漏介質(zhì)引至適當(dāng)?shù)氖占蛱幚硐到y(tǒng)。

由于不讓高溫柴油介質(zhì)泄漏到大氣中，需要用相對(duì)安全穩(wěn)定的隔離液作為密封的潤(rùn)滑液，即采用有壓雙端面密封，兩對(duì)端面之間的壓力大于密封腔的壓力。當(dāng)介質(zhì)側(cè)密封泄漏時(shí)，隔離液泄漏到密封腔內(nèi)；當(dāng)大氣側(cè)密封泄漏時(shí)，隔離液往大氣側(cè)泄漏。無(wú)論哪一側(cè)的密封泄漏，泄漏的總是隔離液，從而保證透平介質(zhì)的“零泄漏”，兼顧安全與環(huán)保。

經(jīng)過(guò)綜合考慮此進(jìn)料泵的最終沖洗方案選定為PLAN 23+53B。如圖4所示，在PLAN 53B中，由囊式蓄能器加壓的隔離液系統(tǒng)為抑制液密封腔提供清潔的隔離液。隔離液的設(shè)置壓力必須高于密封腔的工作壓力。隔離液采用螺旋套循環(huán)裝置進(jìn)行循環(huán)。

圖4 沖洗方案53B

在該沖洗方案中，隔離液的壓力是通過(guò)囊式蓄能器來(lái)維持的。囊式蓄能器的存在避免了用于加壓的氣體與隔離液直接接觸，從而避免了加壓氣體被隔離液吸收，使密封可以用于高壓操作工況。

蓄能器應(yīng)先充入加壓氣體，然后再充入隔離液，通過(guò)隔離液壓縮氣囊使蓄能器達(dá)到操作壓力。內(nèi)、外側(cè)密封的泄漏會(huì)導(dǎo)致隔離系統(tǒng)壓力降低，因而蓄能器的初始充入壓力應(yīng)該稍高于所需要的壓力，并且當(dāng)密封泄漏時(shí)使蓄能器的壓力降到系統(tǒng)的最小許用壓力時(shí)，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)重新加注隔離液，使隔離液工作體積達(dá)到最大。

只有排出管路和密封冷卻器中的氣體和氣泡，沖洗方案53B才能實(shí)現(xiàn)有效的流動(dòng)。因此啟動(dòng)時(shí)，排除系統(tǒng)中的氣體對(duì)系統(tǒng)的正常操作至關(guān)重要。

之所以選擇PLAN23+53B而不選擇PLAN23+53A的原因還在于，PLAN 53B換熱效果優(yōu)于PLAN53A。PLAN 53B則采用一個(gè)囊式蓄能器對(duì)隔離液進(jìn)行加壓，囊式蓄能器將氮?dú)馀c隔離液完全隔開(kāi)，避免了氮?dú)獗桓綦x液吸收的情況。但是，在PLAN 53B中，換熱器的盤(pán)管中走的是隔離液，而盤(pán)管由于長(zhǎng)度及拐彎等因素隔離液在其中流動(dòng)的阻力較大，這就對(duì)螺旋套內(nèi)循環(huán)裝置提出了較高的要求。

綜上所述，從可行性、可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性方面考慮，PLAN 53B是較優(yōu)的沖洗方案。

圖5 進(jìn)料泵雙端面密封結(jié)構(gòu)圖

密封結(jié)構(gòu)

加氫進(jìn)料泵的密封型式的主要取決于溫度和轉(zhuǎn)速。雖然此加氫進(jìn)料泵工作時(shí)密封腔壓力不高，但是溫度有110~120℃，它的運(yùn)行轉(zhuǎn)速則高達(dá)5 918 r/min。此壓力和溫度下，彈簧式密封和波紋管密封之間選擇優(yōu)先考慮彈簧式密封結(jié)構(gòu)。又因?yàn)檗D(zhuǎn)速高的原因(密封端面的線速度超過(guò)23 m/s) ，軸速度很高時(shí)，需要很大的閉合力才能保持密封端面的閉合，否則密封可能出現(xiàn)泄漏超標(biāo)的問(wèn)題，而很大的閉合力又可能影響密封使用壽命。因而當(dāng)此情況宜選擇靜止式補(bǔ)償組件結(jié)構(gòu)密封。綜上所述加氫進(jìn)料泵的改造密封結(jié)構(gòu)圖如5所示。

內(nèi)封分析及參數(shù)計(jì)算

包括：密封結(jié)構(gòu)選擇、材料選擇、參數(shù)設(shè)計(jì)。

1.密封結(jié)構(gòu)的選擇

在正常工作的情況下介質(zhì)側(cè)密封只需要承受較小的外壓工作壓力。但是，在靜壓情況下密封可能需要承受較大的壓差；同時(shí)，當(dāng)密封腔壓力波動(dòng)、外側(cè)密封失效或系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下，密封需要承受反壓。因此，要求介質(zhì)側(cè)密封既能承受較高正壓，還需要具備承受反壓的能力，所以采用如圖6所示。

圖6 雙向平衡型內(nèi)封結(jié)構(gòu)圖

2.密封材料的選擇

密封由若干零件組成，組成密封的零件所用的材料大致分為4類，即摩擦副組對(duì)的材料、輔助密封圈的材料、彈性元件的材料及其他結(jié)構(gòu)件的材料。下面分別介紹它們的選擇原則：

（1）摩 擦副組

摩擦副組對(duì)材料的選擇是對(duì)材料的物理性能、化學(xué)性能、摩擦特性等的綜合運(yùn)用。為確保密封的摩擦副具有較長(zhǎng)的使用壽命、良好的密封性能以及高的可靠性，摩擦副組對(duì)的材料需具有以下特點(diǎn)：a.耐磨性。機(jī)械密封的一個(gè)最顯著的特點(diǎn)就是具有較長(zhǎng)的使用壽命，API 682要求連續(xù)使用壽命達(dá)25 000 h，因此摩擦副組對(duì)材料的耐磨性是材料選擇的重要條件。b.耐腐蝕性。若摩擦副組對(duì)材料被腐蝕，會(huì)使泄漏量加大甚至導(dǎo)致密封失效，因此需根據(jù)截至的性質(zhì)來(lái)考慮摩擦副的耐腐蝕問(wèn)題。c.機(jī)械強(qiáng)度高。為防止摩擦副損壞或密封端面過(guò)大的變形，摩擦副必須具有較高的機(jī)械強(qiáng)度。d.良好的耐熱性和熱傳導(dǎo)性。密封運(yùn)行時(shí)摩擦副摩擦產(chǎn)生的熱量會(huì)給摩擦副的磨損帶來(lái)不利影響，例如影響密封端面液膜的形成等。e.摩擦因數(shù)小且有一定的自潤(rùn)滑性。摩擦因數(shù)會(huì)直接影響摩擦熱量的多少。在大多數(shù)情況下端面的摩擦處于不充分潤(rùn)滑狀態(tài)，因此在選擇摩擦副材料時(shí)需考慮摩擦因數(shù)及自潤(rùn)滑性。f.氣密性好。摩擦副組對(duì)的材料需組織緊密、無(wú)滲漏是密封性能良好的前提條件。h.摩擦副組對(duì)材料的相容性。不同的摩擦副組對(duì)材料，由于材料表面分子結(jié)構(gòu)不同，相互摩擦磨損的機(jī)理不同，在密封不同介質(zhì)時(shí)會(huì)有不同的密封效果及使用壽命。因此摩擦副組對(duì)材料要有良好的相容性。i.易成形加工等。這有利于降低成本，保證加工精度。

綜合上述對(duì)摩擦副組對(duì)材料的要求，同時(shí)考慮介質(zhì)的特性、溫度等因數(shù)，摩擦副材料選擇進(jìn)口的浸金屬石墨與碳化硅的組對(duì)。其機(jī)械性能參數(shù)見(jiàn)表1，碳化硅的機(jī)械性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 石墨性能參數(shù)

表2 碳化硅機(jī)械性能參數(shù)

它是一種具有優(yōu)異耐磨性的材料，其中含有的游離硅可減少端面的摩擦及磨損。

(2)輔助密封圈

根據(jù)輔助密封圈的作用，要求其具有良好的彈性、較低的摩擦系數(shù)、能耐介質(zhì)的腐蝕溶脹、耐老化。在壓縮之后及長(zhǎng)期工作中具有較小的永久變形量，在高溫下使用不黏著，低溫下不硬脆失彈，在高壓時(shí)需要有抗爆性。根據(jù)這些特征及介質(zhì)工況，考慮到介質(zhì)的溫度、腐蝕性等，選擇全氟醚橡膠，即FFKM。目前最常用的全氟醚橡膠材料為杜邦公司的Kalrez，其在石油化工領(lǐng)域有著極其多的成功應(yīng)用案例，使用效果穩(wěn)定。其常用牌號(hào)的數(shù)據(jù)表見(jiàn)表3。

綜合考慮表3中Kalrez橡膠各牌號(hào)的耐熱標(biāo)準(zhǔn)、永久變形量、拉伸強(qiáng)度等各種性能參數(shù)，本進(jìn)料泵介質(zhì)側(cè)選用的是Kalrez6375的全氟醚橡膠作為密封的輔助密封圈。

表3 FFKM(Kalrez) 橡膠的性能參數(shù)

(3)彈簧

彈簧的材料要求強(qiáng)度高、耐疲勞、耐腐蝕及長(zhǎng)期工作不降低或失去彈性，Hast.C是一種鎳鉻鉬合金，具有良好的耐腐蝕性與熱穩(wěn)定性，為API682標(biāo)準(zhǔn)推薦的用于小彈簧密封的彈簧材料。經(jīng)過(guò)測(cè)試，按照表4所列參數(shù)設(shè)計(jì)出的彈簧的彈力誤差范圍在8%以內(nèi)，在正常工作中不存在屈服變形的情況，因此選擇Hast.C作為彈簧材料。

表4 Hast.C的性能參數(shù)

(4)其他結(jié)構(gòu)件

考慮到耐腐蝕耐溫等因素，選擇316L。

1.3設(shè)計(jì)計(jì)算及校核（大氣側(cè)密封）

（1） 端面寬度b

式中，d2：密封端面外徑，mm；d1：密封端面內(nèi)徑，mm。

（2） 平衡系數(shù)B

式中，de：密封平衡直徑，mm。

結(jié)合介質(zhì)側(cè)密封工作參數(shù)，取b=3 mm，B=0.6~0.8。進(jìn)料泵密封處平衡直徑de=105 mm。根據(jù)以上參數(shù)，聯(lián)解式3-1、3-2并圓整后得：d1=103 mm d2=109 mm驗(yàn)算:將d1、d2的值帶入式(3-2)可得：B=0.67。

（3） 彈簧比壓Ps

式中，F(xiàn)s：?jiǎn)蝹€(gè)彈簧處于工作高度時(shí)的彈力；Ns：彈簧個(gè)數(shù)，12個(gè)；A：密封端面面積,mm2；結(jié)合介質(zhì)側(cè)密封工作參數(shù)，Ps的范圍為0.1~0.2 MPa,取Ps≈0.16 MPa。

結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前石化行業(yè)面臨越來(lái)越大的環(huán)保及安全壓力，進(jìn)料泵密封一旦失效，導(dǎo)致高溫、易燃介質(zhì)外泄，不僅會(huì)威脅到現(xiàn)場(chǎng)人員的健康、安全，甚至?xí)?dǎo)致嚴(yán)重的安全事故、環(huán)境污染，因此加氫進(jìn)料泵機(jī)械密封的輔助系統(tǒng)選擇及密封的可靠性、安全性顯得尤為重要。此次上海石化芳烴部加氫進(jìn)料泵的改造成功，為更多類似工況密封選型提供了寶貴的 經(jīng)驗(yàn)。 ●