液態(tài)烴泵機械密封改造

朱田華

（岳陽泰藝檢維修有限責任公司，湖南岳陽 414014）

1 概述

煉油事業(yè)部氣分裝置液態(tài)烴泵輸送流體介質(zhì)主要為液態(tài)丙烷、丙烯等易燃易爆烴類物質(zhì)，危險性極高，故而軸端密封性能尤為重要。該類液態(tài)烴泵原軸封采用的是串聯(lián)式彈簧機械密封[1]，即由兩組單端面機械密封串聯(lián)組裝而成，其中一級密封與介質(zhì)側(cè)相連，二級密封與大氣側(cè)接觸，一級密封端面采用自沖洗，二級密封端面采用工業(yè)除鹽水沖洗、冷卻，這種沖洗冷卻方式耗能多，壽命短，風險高。隨著煉化裝置安全環(huán)保、節(jié)能降耗要求的越來越高，以及現(xiàn)代密封技術的不斷進步，液態(tài)烴泵機械密封技術改造成為必要。

2 液態(tài)烴泵機械密封運行中存在的問題

近幾年來煉油事業(yè)部氣分裝置液態(tài)烴泵在運行過程中，其缺陷主要表現(xiàn)在三個方面：機械密封易泄漏，除鹽水消耗大，隱患風險高。

2.1 機械密封易泄漏

首先，原機械密封為遼寧丹東某密封廠設計的DTM 系列多彈簧機械密封，其設計使用壽命為6 000 h，已不能滿足現(xiàn)代煉化裝置設備長周期運行的要求；其次，原機械密封O 形密封圈為國產(chǎn)氟橡膠，易老化，低溫性能差；最后，由于該類液態(tài)烴泵使用年限已超20 a，工藝介質(zhì)的腐蝕性導致泵蓋密封腔內(nèi)出現(xiàn)腐蝕坑等缺陷，密封腔表面粗糙度達不到要求。后經(jīng)多次檢修打磨拋光，密封腔內(nèi)徑變大，導致一級密封壓蓋徑向密封O 形圈彈性壓縮量減小及密封不可靠。

2.2 除鹽水消耗大

原機械密封二級密封采用工業(yè)除鹽水沖洗和冷卻，沖洗冷卻后的除鹽水直排地溝，造成巨大浪費。經(jīng)統(tǒng)計裝置液態(tài)烴泵機封用除鹽水月平均消耗量近1 000 t，給裝置能耗環(huán)保帶來很大壓力，也不符合煉化裝置節(jié)能環(huán)保生產(chǎn)要求。2015—2018年裝置液態(tài)烴泵機封用除鹽水消耗分布見表1。

表1 2015—2018年液態(tài)烴泵機封用除鹽水消耗分布表單位：噸

2.3 隱患風險高

①原機械密封一級密封一旦出現(xiàn)泄漏，易燃易爆的液態(tài)烴介質(zhì)直接隨著除鹽水排入污水溝，存在環(huán)境污染和爆炸事故的隱患；②如果機械密封泄漏過大，高壓液態(tài)烴會通過二級密封腔除鹽水管線倒竄至裝置機械密封用除鹽水管網(wǎng)，導致裝置所有機械密封冷卻除鹽水中斷，威脅其他設備的安穩(wěn)運行，給裝置安全生產(chǎn)帶來很大影響。

3 機械密封技術改造

3.1 機械密封改型升級

串聯(lián)式機械密封工作時，在介質(zhì)壓力和彈性元件的彈力共同作用下，在機械密封動靜環(huán)的端面上產(chǎn)生一個適當?shù)谋葔海箖蓚€動靜環(huán)接觸端面相互緊密貼合，動靜環(huán)高速旋轉(zhuǎn)時在兩端面間極小的間隙中維持一層極薄的液膜，從而達到密封的目的。串聯(lián)式機械密封都需要外供循環(huán)液系統(tǒng)，向密封腔內(nèi)引入循環(huán)密封液進行潤滑和冷卻。循環(huán)密封液不僅可以沖洗摩擦副改善機械密封工作環(huán)境，還可以作為一級密封是否失效的重要檢測手段。

原機械密封為DTM 系列多彈簧串聯(lián)機械密封，現(xiàn)改為通過流體動壓設計的C8B-**/C8U-**串聯(lián)式機械密封，動靜環(huán)材質(zhì)仍然分別采用碳化硅和浸樹脂石墨。介質(zhì)側(cè)機封選用C8B 型，稱為一級密封，密封面結(jié)構(gòu)為B 型，即平衡型、內(nèi)裝式，配合大截面密封端面，克服了介質(zhì)壓力波動導致密封端面比壓的波動，有利于密封端面動壓流體膜的穩(wěn)定。大氣側(cè)機封選用C8U 型，稱為二級密封，密封面結(jié)構(gòu)為非平衡型。機封多彈簧結(jié)構(gòu)保證機封端面擁有更為均勻的受力載荷，直線補償性好，端面擁有更好的動態(tài)性能和更高的密封性能。運行期間，一二級密封同時工作，一旦一級密封失效，液態(tài)烴介質(zhì)外漏至二級密封的封油罐內(nèi)，隨后進入放空低瓦管線回收，確保介質(zhì)不會泄漏至大氣中。

原機械密封的二級密封循環(huán)液經(jīng)泵蓋緩沖液入口引入機封，然后從機械密封壓蓋側(cè)面緩沖液出口排出（圖1）。新型機械密封采用了最新設計[2]，將機械密封的二級密封循環(huán)液進出口位置整合到機械密封壓蓋上，進出孔設在機封壓蓋上側(cè)呈45°角排列（圖2），原機械密封的二級密封循環(huán)液泵蓋緩沖液入口用絲堵封堵。

圖1 DTM系列機械密封基本結(jié)構(gòu)

圖2 C8B系列機械密封基本結(jié)構(gòu)

3.2 機械密封壓蓋密封結(jié)構(gòu)和材料改進

由于液態(tài)烴介質(zhì)是一種低溫液化氣體，具有低沸點、低黏度、高蒸汽壓等特性。在這種工況下的機械密封材料會出現(xiàn)冷脆性，大氣中的水汽會在密封裝置中的大氣側(cè)凍結(jié)，密封端面液膜容易汽化。尤其是當介質(zhì)稍有泄漏，漏出的液態(tài)烴介質(zhì)在大氣側(cè)立即汽化，帶走大量的熱量，導致機械密封環(huán)境溫度急劇下降，使用一般的密封材料如橡膠、聚四氟乙烯和氟橡膠普遍變脆，導致密封失效。原機械密封壓蓋密封結(jié)構(gòu)如圖1。一二級壓蓋端面密封均為氟橡膠O 形圈，一級密封腔和二級密封腔之間主要靠徑向密封O 形圈（圖1-⑤）與泵蓋密封腔內(nèi)表面配合實現(xiàn)密封。其有兩方面不足：①氟橡膠O 形圈一旦老化或冷脆，彈性壓縮量變小，極易出現(xiàn)泄漏；②泵端密封腔長期受腐蝕影響，表面出現(xiàn)腐蝕坑，一級密封壓蓋徑向密封O形密封圈密封極易失效。

由于柔性石墨具有優(yōu)異的耐寒性、耐熱性、耐化學腐蝕性等性能，新型機械密封一二級壓蓋密封采用柔性石墨墊，利用壓蓋與泵蓋預緊力實現(xiàn)柔性石墨墊的密封，如此不再受限于O 形密封圈彈性壓縮量的改變和泵端密封腔銹蝕影響。此外，由于外國進口的氟橡膠O 形密封圈，價格高，采購周期長，不利于維護。因此，將新型機封密封圈改為柔性石墨墊，克服了氟橡膠O 形密封圈冷脆失彈的問題，而且采購和維護更加快捷方便。

3.3 新增機械密封輔助系統(tǒng)

根據(jù)API682 標準，泵用機械密封輔助系統(tǒng)PLAN11+52帶無壓封液罐的串聯(lián)式密封沖洗系統(tǒng)適用于易燃易爆有毒、易汽化等液態(tài)烴介質(zhì)的雙端面機械密封。新增機械密封輔助系統(tǒng)采用PLAN11+52方案[3]，將二級密封的除鹽水沖洗、冷卻改為循環(huán)油冷卻，利用二級密封的泵送環(huán)輸送和潤滑油的對流共同實現(xiàn)循環(huán)。新型機械密封一級密封仍然采用高壓側(cè)介質(zhì)，從泵出口管上接沖洗管，直接冷卻沖洗一級密封。

采用有效容積為20 L 的封液罐。根據(jù)安裝要求[4]，封液罐盡可能與泵端機械密封臨近安裝，且循環(huán)進出管線從機械密封壓蓋引出后至高點排氣口需向上傾斜，盡可能減少90°彎頭，以便減少循環(huán)液阻力。封液罐內(nèi)部加裝30層圓形盤管，有效增加了潤滑油的換熱面積，盤管進出口從罐底部引出，分別與循環(huán)冷卻水進回水管線相連。封液罐頂引出管線，接單向閥和截止閥，最終與低瓦管線相連，側(cè)面引出壓力開關，以便于遠程監(jiān)控封液罐壓力。正常情況下，該壓力顯示為零，一旦該壓力有顯示，表示機封很可能出現(xiàn)泄漏，這樣能夠及時發(fā)現(xiàn)并處理。封液罐側(cè)面裝有30 cm 長視鏡，并設有高低液位限位標識，正常運行過程中，需保證封液罐潤滑油液位在視鏡低位之上。

4 改造后運行效果

液態(tài)烴泵機械密封改造前后效果對比見表2。從表2中可以看出：①新型機械密封運行過程中，動靜環(huán)密封面能形成穩(wěn)定的油膜，有效地延長了機械密封使用壽命。同時，新型機械密封補償機構(gòu)和軸套等原件材質(zhì)由304不銹鋼升級為316不銹鋼，彈性元件經(jīng)流體動力設計，其抵抗流體激振和抗銹蝕性均增強。②機械密封壓蓋密封點改進后，密封性能大大增強，實現(xiàn)介質(zhì)零泄漏。③新型機封輔助系統(tǒng)采用API682標準的PLAN11+52 方案，實現(xiàn)封液的沖洗、循環(huán)、熱對流，建立了較理想的機械密封工作環(huán)境，提高了機械密封的可靠性，延長了機械密封的使用壽命。另外，機械密封封油冷卻系統(tǒng)代替除鹽水冷卻系統(tǒng)，實現(xiàn)了機封用除鹽水的零消耗。經(jīng)統(tǒng)計每年可節(jié)約1.1萬t 除鹽水，節(jié)省費用達10萬元，促進了裝置的節(jié)能降耗和清潔生產(chǎn)。更重要的是機械密封一旦出現(xiàn)泄漏，液態(tài)烴介質(zhì)會通過封液罐頂?shù)屯呦到y(tǒng)回收，從而保證了泄漏介質(zhì)不外排，消除了現(xiàn)場重大隱患。

表2 技術改造前后效果對比

5 結(jié)論

通過對氣分裝置液態(tài)烴泵機械密封技術改造，有效地解決了原機械密封設計缺陷，消除了設備安全隱患，降低了裝置能耗，節(jié)約了生產(chǎn)成本，提高了機泵運行的穩(wěn)定性，確保裝置安長穩(wěn)運行。