煉油企業(yè)液態(tài)烴泵機械密封的應(yīng)用及可靠性分析

李 明

(中國石化 洛陽分公司 , 河南 洛陽 471012)

機械密封是煉化企業(yè)轉(zhuǎn)動設(shè)備密封的重要部件,機械密封的可靠性,決定了機泵的安全、可靠和長周期運行。現(xiàn)階段煉化企業(yè)轉(zhuǎn)動設(shè)備已廣泛使用集裝式機械密封。通過統(tǒng)計某企業(yè)近3年機泵故障,機械密封的故障仍占54%左右。煉油裝置中液態(tài)烴不同于蠟油、柴油等油品,它具有易汽化、潤滑性能低、密度小等特點,這也給液態(tài)烴類機泵的密封平穩(wěn)運行帶來了困難。液態(tài)烴泵用機械密封往往壽命比一般機封短,易出現(xiàn)突發(fā)性泄漏。通過對企業(yè)使用的液態(tài)烴泵的密封應(yīng)用情況進行調(diào)研,并對影響其可靠性的因素進行分析,對企業(yè)泵用密封安全、可靠、耐久使用提出了具有一定的指導(dǎo)意義方案。

1 煉油裝置液態(tài)烴泵調(diào)研

液態(tài)烴是指組分為C3、C4且常溫下易汽化的液化石油氣類的介質(zhì)。對企業(yè)液態(tài)烴泵分布進行調(diào)研,列入該企業(yè)液態(tài)烴機泵分布在催化裝置、重整裝置、加裂裝置、氣分裝置、烷基化等共計98臺。液態(tài)烴泵機械密封的型式有:單端面彈簧式機械密封、串聯(lián)機械彈簧式雙端面密封、串聯(lián)干氣彈簧式雙端面密封、串聯(lián)機械波紋管式雙端面密封。供應(yīng)商集中在丹東克隆、中密控股、西安永華等幾家主力供應(yīng)商。

2 液態(tài)烴泵的故障統(tǒng)計分析

針對引起液態(tài)烴泵密封失效情況進行統(tǒng)計匯總,同時調(diào)研了其他幾家煉化企業(yè)液態(tài)烴泵數(shù)據(jù),匯總了4類主要故障形式。包含其他企業(yè)數(shù)據(jù),分布情況見表1。

表1 液態(tài)烴泵故障情況匯總

2.1 工藝條件變化和操作原因?qū)е碌拿芊馐?/h3>

2.1.1抽空引起的機械密封失效

泵抽空時可能會引起以下情況:機械密封的摩擦副因潤滑介質(zhì)缺失,造成端面磨損失效;同時因為端面干摩擦后溫度高造成硬質(zhì)合金(石墨)熱裂,輔助密封圈脹裂后密封失效;抽空會引起泵劇烈振動造成密封端面的開啟力大于閉合力,引起端面開啟泄漏失效。抽空原因引起失效破壞主要有:密封面表面出現(xiàn)環(huán)狀溝紋,嚴重的出現(xiàn)裂紋或斷裂。

2.1.2汽蝕引起的機械密封失效

泵發(fā)生汽蝕會伴隨著的液態(tài)烴汽化,汽蝕本身對機械密封的主要影響是強烈水力沖擊和振動。 其失效形式主要有:靜環(huán)防轉(zhuǎn)銷打彎或離位、動環(huán)移位,結(jié)果表現(xiàn)為端面間隙擴大,密封失效泄漏。

2.1.3密封端面上介質(zhì)汽化引起的密封失效

密封端面上液體汽化時,端面膜壓和開啟力會發(fā)生顯著的變化。進而導(dǎo)致導(dǎo)致膜壓系數(shù)發(fā)生較大變化,密封面閉合力改變造成密封開啟失效。其失效形式主要有:石墨環(huán)有均勻細小的環(huán)狀溝紋、靜環(huán)碳化鎢表面有局部的擦亮、或者靜環(huán)碳化鎢表面黏結(jié)小塊的石墨,將動環(huán)表面磨出深溝。

2.1.4機泵振動大對密封失效的影響

泵軸向振動對密封的危害最大,會造成液膜厚度發(fā)生變化,嚴重的會直接造成密封端面被推開引起密封失效;振動過程中因介質(zhì)的不連續(xù)性,機械雜質(zhì)也會進入密封端面而加劇端面磨損;同時振動會帶來機封本身配合間隙的擴大,造成機封本身發(fā)生泄漏。

2.2 密封件自身原因?qū)е碌臋C械密封失效

密封自身原因引起的密封失效主要有:①密封組件故障導(dǎo)致密封的使用壽命變短;②密封材料的選擇錯誤,造成短時間內(nèi)出現(xiàn)泄漏問題。

密封件中配件質(zhì)量、裝配原因也是引起密封失效的原因之一,如摩擦副材料質(zhì)量差、O形環(huán)失效、密封端面粗糙度沒達到要求、動靜環(huán)不同心、密封端面的平面度偏差大、動環(huán)不能自由浮動。

2.3 安裝導(dǎo)致的機械密封失效

機械密封的安裝質(zhì)量如密封軸套與泵軸的水平度、同心度超標,密封件軸向定位不準或超標都會引起密封在正常和穩(wěn)定運行過程中失效。

2.4 輔助系統(tǒng)造成的密封失效

①密封端面摩擦熱設(shè)計與沖洗系統(tǒng)的不匹配最容易造成密封失效。此現(xiàn)象會使介質(zhì)汽化形成氣阻,或密封端面摩擦熱的集聚。②注意配置干氣密封機泵轉(zhuǎn)速的限制。轉(zhuǎn)速≤1 000 r/min時,會使旋轉(zhuǎn)氣膜形成剛度不足,造成動靜環(huán)的干摩擦,干氣密封失效。

3 液態(tài)烴泵機械密封應(yīng)用中需注意的問題

3.1 液態(tài)烴密封系統(tǒng)的合理選擇

從液態(tài)烴泵密封的安裝要求、使用穩(wěn)定性以及使用壽命的角度來看,干氣密封具有一定的優(yōu)勢;從一次性投資、檢修費用的角度來看,干氣密封的成本較高;從使用過程的安全、環(huán)保角度上來看,選擇串聯(lián)機械密封和串聯(lián)干氣密封都是成熟的方案。

3.2 液態(tài)泵機械密封在設(shè)計選型中需注意的事項

①針對液態(tài)烴容易抽空的情況,主密封結(jié)構(gòu)設(shè)計時除需考慮更可靠防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)外,更需考慮采取防止靜環(huán)從靜環(huán)壓蓋脫離的防脫離結(jié)構(gòu)限位設(shè)計,如限位環(huán)(見圖1)。②針對液態(tài)烴實際工況,如果溫度高于60 ℃,易采用內(nèi)部循環(huán)和沖洗方案PLAN23的閉路循環(huán)系統(tǒng)。③對于串聯(lián)式密封應(yīng)設(shè)置節(jié)流套,可把內(nèi)側(cè)密封泄漏的介質(zhì)引到抑制密封腔的排放口排放,其節(jié)流套易設(shè)置為非打火材料,見圖2。④需重視對密封端面結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)的設(shè)計。設(shè)計中密封端面的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)需充分與業(yè)主方結(jié)合,如載荷系數(shù)、干氣密封密封腔壓力、干氣密封螺旋槽深度、機封PV值、密封腔壓力和溫度等均需與現(xiàn)場實際結(jié)合設(shè)計。

圖1 靜環(huán)限位環(huán)圖

圖2 抑制密封腔節(jié)流套

3.3 機械密封輔助系統(tǒng)的監(jiān)控與監(jiān)測

因液態(tài)烴本身獨有的介質(zhì)特性,易帶來機泵運行中更多的不確定因素,因此液態(tài)烴泵在使用和操作中,需要注意以下幾點:①穩(wěn)定液態(tài)烴工藝操作,尤其注意液態(tài)烴泵的抽空和汽蝕問題。②規(guī)范液態(tài)烴泵備用泵的管理,啟動前要進行沖液、排氣、暖泵,讓密封腔或沖洗系統(tǒng)充滿液體。③嚴格對機械密封輔助系統(tǒng)的檢查和維護,關(guān)注緩沖罐液位的變化,同時要及時切出封油罐中的水。④對于配置PLAN53/53A系統(tǒng)的機封,需及時補充封油,防止出現(xiàn)動靜環(huán)干摩擦。⑤采用干氣密封的機泵,其密封間氮氣壓力要高于介質(zhì)壓力0.2～0.3 MPa。

3.4 液態(tài)烴機械密封安裝中需注意的問題

機械密封的安裝對軸串量、密封本體端面平整度,壓蓋和密封箱止口間隙、密封壓蓋和泵體的止口間隙、軸套的徑向跳動等均有嚴格要求。①對于集裝式機械密封,要核查其安裝尺寸圖,確保與現(xiàn)場安裝尺寸一致。②檢查密封與泵之間的裝配尺寸是否滿足標準,要求密封端蓋與密封腔的內(nèi)徑或者外徑配合面要滿足軸度要求,總跳動量≤0.125 mm。 ③檢查泵的安裝尺寸在標準內(nèi)。根據(jù)API標準要求:軸竄動量在0.25 mm以內(nèi);軸擺動量≤0.06 mm;軸彎曲度≤0.05 mm;密封端蓋與接觸平面對中心線的不垂直度允許差0.03～0.05 mm。④對于有旋向要求的干氣密封的安裝,要確保干氣密封的要求方向與機泵轉(zhuǎn)向一直。

4 結(jié)論

①從液態(tài)烴泵機械密封應(yīng)用以及運行實踐來看,采用串聯(lián)機械雙端面密封和串聯(lián)干氣雙端面密封都是成熟可靠方案。但根據(jù)現(xiàn)場運行實際,優(yōu)選串聯(lián)干氣雙端面密封。②基于企業(yè)所處地區(qū)的安全、環(huán)保要求,液態(tài)烴泵的軸端密封不能選用單端面機械密封結(jié)構(gòu)。③需重視對一些不符合API610密封腔尺寸要求的老、舊泵機械密封的改造工作,改造時需充分結(jié)合機泵故障履歷,總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn),對機封進行設(shè)計優(yōu)化。 ④針對液態(tài)烴泵特別需注意泵運行抽空、介質(zhì)汽化、汽蝕以及密封設(shè)計等對密封失效的影響。⑤需綜合考慮密封方案的合理設(shè)計和選擇、密封系統(tǒng)的正確操作和維護、機泵和機械密封正確安裝以及密封的綜合管理等幾方面因素,才能建立一個可靠的密封運行環(huán)境。