潘亮亮

(中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江寧波 315207)

常減壓裝置高溫油泵機封改造及應用

潘亮亮

(中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江寧波315207)

介紹了將常減壓裝置高溫油泵機械密封由單端面機封改造為串聯(lián)式機封系統(tǒng)的情況，分析了串聯(lián)機封系統(tǒng)優(yōu)勢及存在的問題，提出了使用注意事項及改造設想。

常減壓裝置 高溫油泵 串聯(lián)機封 故障改進

據(jù)2011年統(tǒng)計資料，中國石化集團煉油板塊共有高溫油泵1 966臺，2009年、2010年共發(fā)生故障近2 000臺次，造成裝置停車9次。故障原因分析發(fā)現(xiàn)，機封及其輔助系統(tǒng)故障占故障總數(shù)的23%，居各類故障原因首位，僅2010年就因密封故障造成著火事故5起。提高機封系統(tǒng)可靠性和安全性，對于降低高溫油泵事故頻次意義重大。中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司煉油四部常減壓區(qū)域2套常減壓蒸餾裝置，共有高溫油泵26臺，與泵配套的原裝機封均為C型單端面波紋管機械密封，近年來也曾發(fā)生因機封失效導致的介質(zhì)泄漏著火事故。根據(jù)中國石化總部高溫油泵機封系統(tǒng)選型指導意見，綜合考慮經(jīng)濟性及可行性，將舊泵單端面機封改造升級為串聯(lián)式機封是一條合理有效的途徑。

1 串聯(lián)機封簡介及原改造情況

鎮(zhèn)海煉化煉油四部常減壓裝置高溫油泵原裝機封均為C型單端面波紋管機械密封，沖洗形式為外引封油沖洗，輔助軟化水靜環(huán)背冷。2012年10月份，裝置選取11臺高溫油泵，將機封由單端面機封改造為串聯(lián)機封，沖洗方案均采用為API682 plan32+53A。改造后部分泵僅作為備用泵，僅有4個工位的泵長期運行，部分參數(shù)如表1。

串聯(lián)機封的基本原理是在單端面機封外側(cè)再布置一套備用機封，并加上必要的輔助系統(tǒng)。一旦介質(zhì)側(cè)主密封失效，外側(cè)備用密封及輔助系統(tǒng)可短時間內(nèi)防止介質(zhì)直接外泄，同時監(jiān)控報警系統(tǒng)自動發(fā)出報警，為后續(xù)故障處理贏取時間。其串聯(lián)機封結(jié)構(gòu)如圖1示。

2 串聯(lián)機封存在問題及分析

2.1 串聯(lián)機封存在問題

經(jīng)過近2年時間的運行考察，改造泵未發(fā)生因機封失效導致的高溫介質(zhì)直接外泄，運行安全性明顯提高，改造基本達到了預期目的。但是，使用中同時發(fā)現(xiàn)，部分改造泵串聯(lián)機封存在使用壽命過短的問題。改造前正常情況下機封使用壽命均在2年以上，部分泵甚至能達到3～4年，而改造后機封平均使用壽命顯著降低。新安裝機封在運行較短的時間內(nèi)，即開始出現(xiàn)端面泄漏量超標，隨后漏量迅速增大直至機封報廢。自2012年11月至2014年11月，4臺主運行泵累計因泄漏檢修機封16次，更換機封18套，機封平均壽命不足一年。僅減底泵非聯(lián)軸端共計更換機封8次，機封平均使用壽命僅3個月。

表1 部分改造泵參數(shù)

注：洗滌油泵為懸臂泵；減底泵聯(lián)軸端與非聯(lián)軸端密封腔壓力不同，前表示聯(lián)軸端，后表示非聯(lián)軸端；其余為雙吸泵，聯(lián)軸端與非聯(lián)軸密封腔壓力相同。

圖1 串聯(lián)機封結(jié)構(gòu)示意

1，4，6，9，11-墊片；2-主密封動換組件；3-主密封靜環(huán)組件；5-泵效環(huán)；7-外密封動環(huán)組件；8-外密封靜環(huán)組件；10，12-傳動銷釘；13-六角螺栓；14-密封外壓蓋；15-密封內(nèi)壓蓋；16-外密封波紋管組件；17-主密封波紋管組件；18-傳動銷；19-泵殼；20-軸套；21-密封腔；A-沖洗油入口；B-隔離液入口；C-隔離液出口

通過對故障機封解體檢查，發(fā)現(xiàn)問題如下：①密封副表面損傷，其中表現(xiàn)最為普遍的是石墨環(huán)摩擦面出現(xiàn)皰疤和邊緣缺口，部分密封副端面變形；②密封端面等部件附近黏附焦粉和雜質(zhì)；③密封副端面磨損，出現(xiàn)溝槽。其中以石墨環(huán)皰疤最為多見，特別是減底泵和常底泵，幾乎每套故障機封上均有發(fā)現(xiàn)，而且同時發(fā)生在主密封和外側(cè)密封；端面摩擦副邊緣缺口多發(fā)生在外側(cè)機封。

2.2 故障原因分析

2.2.1機封工作溫度

皰疤的出現(xiàn)是密封工作溫度過高所帶來的典型問題。根據(jù)文獻，皰疤機理最早由E.W.Strugala根據(jù)實驗結(jié)果而提出，認為該現(xiàn)象在密封端面溫度急劇升高、循環(huán)變動及超高時發(fā)生，非均質(zhì)材料因本身各組分熔點和膨脹系數(shù)不同，在溫度劇升和變動時，密封環(huán)表層下非均質(zhì)材料微觀組分結(jié)合面出現(xiàn)裂紋并隆起，浸漬劑被擠出，從而形成皰疤。尤其在端面潤滑介質(zhì)黏度較大時，密封副間的剪切應力較大，更容易使隆起部位產(chǎn)生剝落，造成皰疤現(xiàn)象。

簡化的機械密封熱量平衡方程如下：

QF+QA+Qmi=Q1+Qmo

式中：QF——密封副動、靜環(huán)摩擦熱,J；

QA——機封旋轉(zhuǎn)元件攪拌熱,J；

Qmi——外圍傳入熱量,J；

Q1——沖洗、冷卻液帶走熱量,J；

Qmo——機封系統(tǒng)向外界散失熱量,J。

上式中，左側(cè)為輸入熱量，右側(cè)為輸出熱量。以減底泵為例，對其機封熱量平衡情況略加分析：外圍傳入熱量Qmi，正比于密封尺寸、泵送介質(zhì)溫度與密封腔溫度差值等因素。減底渣油介質(zhì)溫度高達365 ℃，外圍傳入熱量明顯；而系統(tǒng)向外界散失熱量Qmo，主要靠機封格蘭向大氣散熱，散熱效果較差；從沖洗、冷卻介質(zhì)帶走熱量Q1來看，本次改造機封，并未設計取熱效果良好的密封副靜環(huán)背冷或夾套冷卻，Q1有2個來源，其一是plan32系統(tǒng)注入內(nèi)密封腔的柴油帶走熱量，其二是外密封腔中循環(huán)冷卻的隔離液帶走熱量。對于本次改造的高溫泵，plan32系統(tǒng)所注入柴油，因注入量過大時會造成泵抽空，使泵無法正常運行，所以注入量均較低，一般僅能達到8 L/min左右，部分泵甚至只能達到3 L/min，與標準推薦值相差較多，取熱無法滿足要求。系統(tǒng)循環(huán)冷卻的隔離液，因循環(huán)推動力較低(泵送環(huán)揚程外加隔離液罐內(nèi)熱虹吸作用)，隔離液循環(huán)流量有限，也起不到很好的冷卻效果，其結(jié)果導致密封腔溫度偏高。以該泵為例，溫度較低的格蘭部位，實測溫度即有150 ℃，循環(huán)隔離液出機封溫度高達90 ℃。

機封內(nèi)部因高溫出現(xiàn)局部結(jié)焦，附著在端面周圍；而外側(cè)機封密封副直接暴露在大氣環(huán)境，空氣中的固體雜質(zhì)顆粒在黏度較大的隔離液作用下黏附在端面附近，使機封工作環(huán)境更加惡化。

綜合上述分析，改造機封所出現(xiàn)問題的主要原因是取熱量不足造成密封腔溫度偏高，在高溫環(huán)境運行，促使端面摩擦副局部出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，造成泡疤、結(jié)焦和端面變形等問題；而摩擦副端面周圍固體雜質(zhì)顆粒的附著堆積，也加速了端面的損壞。

2.2.2機封工作時的重要參數(shù)PcV值分析

PcV是密封面接觸比壓Pc與端面平均周速V的乘積，其值反映密封副微凸體承受載荷的大小，機封端面發(fā)熱量和磨損率均與之成正比。PcV計算公式為：

PcV=[Pt+(K-λ)ΔP]·V

式中：V——端面平均周速，cm/s；

Pt——彈簧比壓，N/cm2；

K——平衡系數(shù)；

λ——膜壓系數(shù)。

考察改造選用機封PcV情況，彈簧比壓Pt取值在0.15～0.2 MPa之間；端面平均周速V正比于密封副摩擦端面直徑和轉(zhuǎn)速；ΔP為端面內(nèi)外側(cè)介質(zhì)壓差，對內(nèi)側(cè)主密封，ΔP值為隔離液與內(nèi)密封腔壓力差，而對于外側(cè)機封，ΔP為隔離液與大氣壓差值，從表2數(shù)據(jù)可以看出，外側(cè)機封ΔP值均明顯大于內(nèi)側(cè)主密封。而主密封與外側(cè)密封除ΔP外其余參數(shù)基本相同。因此，外側(cè)密封PcV值均高于內(nèi)側(cè)主密封，部分泵甚至高出數(shù)倍。仍然以故障最為頻繁的減底泵非聯(lián)軸端機封為例，估算其外側(cè)密封PcV值超過12 MPa·m/s，雖未超過機封配對材料許用值17.515 MPa·m/s，但較大PcV值仍將產(chǎn)生較大的端面摩擦熱和磨損率。

綜合以上分析，機封壽命偏短的原因主要是密封腔冷卻不足，機封工作溫度過高，特別是在PcV值較大的情況下，產(chǎn)生的大量熱量無法及時導出，使機封元件超溫工作，縮短其使用壽命。

3 使用注意事項及改進設想

3.1 調(diào)節(jié)并保持機封系統(tǒng)各參數(shù)在合理范圍

Plan32系統(tǒng)沖洗液注入壓力必須高于密封腔壓力至少0.1～0.2 MPa，以保證其正常注入內(nèi)密封腔并帶走熱量；隔離液罐頂部壓力必須至少高于沖洗液壓力0.14 MPa以上，保證隔離液流向正確。

3.2 選用合適的隔離液和沖洗液

首先隔離液應具有良好的化學穩(wěn)定性，不易分解變質(zhì)；其次隔離液黏度不宜太高，否則不僅其循環(huán)流動受影響，而且密封端面運動時因剪切力較大易產(chǎn)生皰疤；另外，隔離液還應具有良好的導熱性，以及時帶走機封產(chǎn)生的熱量。本批次改造泵隔離液從油品供給方便考慮而采用L-TSA46透平油，其黏度偏高，導熱性也不理想，機封皰疤等故障頻發(fā)可能也與此有關。通過對比發(fā)現(xiàn)，選用黏度較低的白油(例如15號或22號工業(yè)白油)作為隔離液使用效果較好。對于沖洗液，采用柴油使用效果較好，進入機封前溫度一般控制在50 ℃左右。為避免沖洗液污染輸送介質(zhì)，減底泵有時使用渣油作為沖洗液，但因渣油黏度高，流動性差，需要采用蒸汽伴熱后(溫度超過120℃)才能注入，造成整個機封溫度過高，這是減底泵機封壽命短的主要原因。

3.3 保證沖洗液注入量

在不影響泵操作的前提下，沖洗液注入量越大越利于機封工作。根據(jù)設計，沖洗液注入量應不低于8 L/min，且隨著軸頸的增大而提高。

3.4 隔離液管線配管要求

隔離液罐應盡量靠近機封，以縮短連接管線長度；管線轉(zhuǎn)向應采用平滑大半徑弧線過渡，不能采用90°小半徑彎頭；從機封到隔離液罐管道至少應有10 mm/240 mm上斜坡度，以避免形成氣阻并利于排除氣體；隔離液循環(huán)管線直徑不能過小，否則會產(chǎn)生較大阻力不利于循環(huán)流動。

3.5 檢修后及運行注意事項

泵檢修后，啟運前必須排出機封內(nèi)留存氣體，否則密封內(nèi)的少量殘留氣體，將造成端面局部干摩擦，使機封早期失效。排氣方式是將機封隔離液出口螺紋接頭脫開，向隔離液罐加注隔離液同時盤車，直至機封隔離液出口有隔離液大量溢出。另外，每次泵檢修時需同時對隔離液罐內(nèi)部進行蒸汽吹掃和清洗。

3.6 串聯(lián)機封改進建議

a)適當降低密封腔壓力。降低內(nèi)密封腔壓力，密封端面PcV值隨之降低，這對于延長機封使用壽命有重要意義。通過在內(nèi)密封軸套端部設置螺旋輪，通過螺旋輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的泵吸效應，可降低內(nèi)密封腔壓力，從而降低整個機封系統(tǒng)的壓力。

b)增設機封背冷或冷卻水夾套。對外側(cè)機封靜環(huán)設置背冷，不僅能夠帶走機封運行產(chǎn)生的熱量，而且能夠隔斷外側(cè)機封與大氣環(huán)境直接接觸，保持外側(cè)機封工作在潔凈的環(huán)境，有利于延長機封使用壽命。

4 結(jié)語

串聯(lián)機封作為正在普及使用的新型機封，在安全性方面具有單端面機封無法比擬的優(yōu)勢。常減壓區(qū)域高溫油泵通過機封改造，基本解決了以往單端面機封失效后易造成高溫介質(zhì)外泄引發(fā)事故的問題，對于提高設備運行安全性具有重要意義。但限于舊泵改造條件限制，加之對串聯(lián)機封認識有限及使用經(jīng)驗不足，新機封尚存在故障率高和壽命低的問題。相信通過使用經(jīng)驗的積累和機封系統(tǒng)不斷的改造完善，串聯(lián)機封所存在的問題都能夠被解決，屆時高溫油泵運行安全性和可靠性將提升到一個新高度。

[1] 顧永泉. 機械密封實用技術[M]. 北京：機械工業(yè)出版社, 2001：84-88，99-120.

[2] 美國石油學會標準.離心泵及回轉(zhuǎn)泵軸封系統(tǒng)[S].

[3] 薛敦松 編著.石油化工設備檢修手冊——泵[M]. 第二版.北京：中國石化出版社，2007：208-211.

ApplicationofMechanicalSealStructureImprovementinHighTemperatureOilPumpsonCrude-oilDistillationUnit

Pan Liangliang

(SINOPEC Zhenhai Refining & Chemical Co. Ltd., Zhejiang, Ningbo,315207)

This paper introduced the crude oil distillation unit by a single high-temperature oil pump mechanical seal to transform tandem mechanical seal system, analyzed a series of mechanical seal system benefits and problems, and proposed to use precautions and reconstructive conception.

crude-oil distillation unit; high temperature oil pump；tandem seal; failure improvement

2016-01-11

潘亮亮，工程師，2003年畢業(yè)于四川大學過程裝備與控制工程系，現(xiàn)為中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司煉油四部常減壓裝置設備技術員。