乙二醇裝置碳酸鹽泵P-202密封的改進措施

王越(中國石油化工股份有限公司茂名分公司，廣東 茂名 525000)

1 概述

茂名石化乙二醇裝置采用荷蘭Shell公司專利技術，以乙烯和氧氣為原料，生產高純度環氧乙烷、纖維級乙二醇及二乙二醇和三乙二醇產品。裝置始建于1993年，1996年9月投產。原設計年生產能力10萬噸當量乙二醇，環氧乙烷生產能力為1.6萬噸/年。2005年10月擴能改造后，年生產能力13萬噸當量乙二醇，環氧乙烷生產能力為4.0萬噸/年。2008年12月再次擴能改造后，年生產能力15萬噸當量乙二醇，環氧乙烷生產能力為8.0萬噸/年。

碳酸鹽泵P-202(BB2型)為英格索蘭生產，于1996年投用，是茂名石化乙二醇裝置的一臺非常重要的機泵，是CO2吸收系統的貧碳酸鹽吸收液循環泵，其運行穩定性直接影響循環氣系統的CO2吸收效果及裝置的平穩生產。碳酸鹽泵P-202工藝流程圖如圖1所示。

圖1 碳酸鹽泵P2O2工藝流程圖

該泵原采用API PLAN 21的密封沖洗形式，密封形式為單端密封，后因泄漏頻繁，每年平均6次，每次維修成本約8 000元。在2014年將單端密封改造為雙端密封，沖洗形式為API PLAN 21+52，但密封使用壽命仍無法保證，平均每年維修4次，每次維修成本約13 000元，無法達到10個月檢修一次的密封使用壽命標準。我們通過對密封失效原因及工藝介質特性進行了綜合分析，并于2017年11月對密封沖洗形式和O圈材質進行了改造(改為API PLAN 11+32+53B)和更換(由原來的氟橡膠更換為全氟醚橡膠6375)[1]，改造后機械密封使用效果良好，未發生泄漏，取得了滿意成果。碳酸鹽泵性能參數如表1所示。

表1 碳酸鹽泵性能參數

2 問題及原因分析

2.1 問題

碳酸鹽泵P-202在運行過程中較為平穩，其輸送介質為碳酸鹽溶液(溶液組成如表2所示)。由于介質具有污染性、有毒性，所以在機械密封的選用上由原來的單端密封更改為兩套解析密封串聯使用的雙端密封。密封沖洗形式也由原來的API PLAN 21變更為API PLAN 21+52。但變更后密封使用壽命仍無法達到有效延長，通過檢修發現機械密封發生泄漏的部位主要為動靜環端面和O圈處，損壞情況如圖2所示。

表2 脫碳溶液組成

圖2 動靜環端面和O圈處損壞情況

2.2 原因分析

2.2.1 工藝介質特性

為脫除環氧乙烷生產裝置副反應生成的二氧化碳，裝置采用碳酸鉀和偏硼酸鉀為主要成分的脫碳溶液。其主要脫碳反應為：

從工藝介質特性分析，碳酸鹽溶液的pH值為1～12，具有強堿性，且介質溫度為100 ℃，而原密封O圈所材質為氟橡膠，此種材質具有耐熱性、抗氧化性、耐油性和耐大氣老化性[2]，但對于這種高溫強堿性溶液，氟橡膠不具備在高溫狀態下耐強堿的功能作用，密封O圈受介質腐蝕，導致損壞失效，這是機械密封經常發生泄漏的重要原因之一。

從溶液中主要成分碳酸鉀的特性進行分析，在100℃時碳酸鉀的溶解度為156.0 g/100 mL，在常溫下溶解度為110～114 g/100 mL，兩種不同溫度，溶解度差值十分明顯。從生產實際工況來分析，碳酸鹽泵在運轉時泵體溫度為95～100 ℃，而備用泵體溫度為30～40 ℃，由此可判斷在備用泵狀態下，沉積在密封腔內的碳酸鹽溶液由于溫度降低且沒有沖洗，碳酸鉀晶體會析出沉積在密封腔內，這些晶體會在機泵運轉后對密封件造成磨損，進而導致密封失效，這是機械密封經常發生泄漏的重要原因之一。碳酸鉀在水中的溶解度如表3所示。

表3 碳酸鉀在水中的溶解度

2.2.2 機械密封本體

原機械密封采用單端密封形式，不適用于碳酸鹽溶液這種高溫強堿性介質，密封性能較差，最初設計和選型上存在問題。

2014年對密封本體進行了改造，采用雙端面機械密封背靠背串聯安裝，更適用于易燃，易爆氣體、易結晶液體，安全性要求較高的場合。符合現場使用要求。

2017年仍沿用了雙端面機械密封背靠背串聯安裝的形式。密封O圈材質由原來的氟橡膠更換為全氟醚橡膠(6375)，提高O圈的耐高溫、強堿腐蝕性。

2.2.3 密封沖洗形式

機械密封端面沖洗的作用有二：一是帶走密封腔中機械密封的摩擦熱、攪拌熱等，以降低密封端面溫度，保證密封端面上流體膜的穩定；二是阻止固體雜質和油焦淤積于密封腔中，使密封能在良好、穩定的工作環境中工作，并減少磨損和密封零件失效的可能。實踐證明，合適的端面沖洗是提高離心泵機械密封耐久性的重要輔助措施之一。

密封沖洗1：碳酸鹽泵P-202最初采用API PLAN 21 的沖洗形式，該沖洗方案具有提供冷卻沖洗，也具有足夠的壓差以保證良好的沖洗流量的特點。但作為單端面密封，不適用于這種高溫強堿性介質，密封性能較差，且此種密封沖洗形式不能夠防止碳酸鹽晶體對密封的摩擦。API682 標準 API PLAN 21沖洗方案示意圖如圖3所示。

圖3 API682 標準 API PLAN 21 沖洗方案示意圖

密封沖洗2：經過2014年密封改造，我們在將原有的單端面密封改為雙端面密封的同時對密封沖洗進行了改造，選用API PLAN 21+52 的密封沖洗形式。密封沖洗方案示意圖如圖4所示。

圖4 密封沖洗方案示意圖

此種密封沖洗形式在保留了API PLAN 21 優點的同時，也增加了API PLAN 52 沖洗形式，使用脫鹽水通過密封中的泵效環驅動循環進入機械密封沖洗后，回到沖洗液冷卻罐，經盤管冷卻完成循環。外側密封作為主密封的安全后備，具有較好的密封效果。但仍無法解決碳酸鹽晶體對密封件摩擦而導致密封失效的根本問題。

密封沖洗3：2017年我們采用了API PLAN 11+32+53B 的密封沖洗形式，此種密封沖洗形式直接利用泵出口自沖洗回流對密封腔內進行沖洗和散熱，API PLAN 53B使用加壓的脫鹽水(附帶氣囊式蓄能器)作為隔離液通過雙端密封中的泵效環驅動循環進入機械密封沖洗后，進入換熱器進行換熱。相比原來API PLAN 52 沖洗方案更具有良好的密封效果，能夠更加有效的防止碳酸鹽溶液泄漏。

為良好的主密封的安全后備。根據工藝介質容易結晶的特性，我們在API PLAN 11自沖洗的外端增加API PLAN 32 脫鹽水外沖洗，當泵停止運轉后/備用泵啟動前，關閉API PLAN 11自沖洗投用API PLAN 32 脫鹽水外沖洗，利用脫鹽水對密封腔內進行沖洗，將沉積在密封腔內的碳酸鹽溶液/晶體沖洗干凈。當泵正常運轉之后，關閉脫鹽水手閥，停用API PLAN 32脫鹽水外沖洗，打開API PLAN 11自沖洗。這樣既解決了碳酸鹽結晶對密封的損壞，又節省了脫鹽水的使用量。密封沖洗方案示意圖如圖5所示。

圖5 密封沖洗方案示意圖

3 處理過程及措施

(1) 由單端面密封改為雙端面機械密封背靠背串聯安裝，提高密封可靠性。

(2)密封O圈材質由原來的氟橡膠更換為全氟醚橡膠(6375)，提高O圈的耐高溫、強堿腐蝕性。

(3)密封沖洗形式由API PLAN 21 變更為 API PLAN 21+52，最終改進為API PLAN 11+32+53B的沖洗形式，解決碳酸鹽晶體對密封件磨損問題，進一步提升密封可靠性。

(4)操作方面，采用API PLAN 11+32+53B密封沖洗形式后，規范職工操作。在密封沖洗系統投用正常的前提下，當運轉泵停止運轉后/備用泵啟動前，關閉API PLAN 11自沖洗投用API PLAN 32 脫鹽水外沖洗，利用脫鹽水對密封腔內進行沖洗，將沉積在密封腔內的碳酸鹽溶液/晶體沖洗干凈。當泵正常運轉之后，關閉脫鹽水手閥，停用API PLAN 32 脫鹽水外沖洗，打開API PLAN 11自沖洗。

4 效果對比

原采用API PLAN 21的密封沖洗形式，密封形式為單端密封，每年平均6次。

在2014年將密封改造為雙端密封，沖洗形式為API PLAN 21+52，平均每年維修4次。2017年11月對密封沖洗形式和O圈材質進行了改造(改為API PLAN 11+32+53B)和更換(由原來的氟橡膠更換為全氟醚橡膠6375)，機械密封使用效果良好，未發生泄漏，取得了滿意成果。改造前后對比圖如圖6所示。

圖6 改造前后對比圖

5 結語

碳酸鹽泵P-202從2017年11月改造至今，密封系統壓力、溫度穩定，未發生泄漏，對該泵的震動、溫度、泄漏檢測也非常正常、穩定，達到10個月檢修周期的目標。實踐證明，對該泵的密封改進獲得成功。該泵的改造成功讓我們對工藝介質特性對密封性能的影響有了更為清楚的認識，對離心泵機械密封選型、維護、管理方面積累了經驗。