陳 勇

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司化工部,上海200540)

環(huán)氧乙烷產(chǎn)品泵的干氣密封改造

陳 勇

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司化工部,上海200540)

2G-411A/B泵的介質(zhì)為環(huán)氧乙烷溶液，具有易燃和易爆的特性，泵原設(shè)計(jì)采用PLAN 53方案的雙端面機(jī)械密封，存在一定的隱患。通過(guò)技術(shù)改造，選用PLAN11+72+76的串聯(lián)式干氣密封，不僅消除了隱患，更滿足了設(shè)備安全和長(zhǎng)周期運(yùn)行的要求。

雙端面密封 干氣密封 密封槽

中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司化工部某裝置環(huán)氧乙烷(EO)精制塔回流泵2G-411A/B泵已投用十余年，原有的機(jī)械密封系統(tǒng)存在一定的缺陷，給裝置的安全、穩(wěn)定運(yùn)行造成一定影響。經(jīng)技術(shù)比選后采用PLAN11+72+76的泵用干氣密封方案,項(xiàng)目實(shí)施后已連續(xù)運(yùn)行3年，其間未出現(xiàn)機(jī)械密封失效現(xiàn)象。

1 2G-411A/B泵概況

1.1設(shè)備參數(shù)

2G-411A/B泵由大連深藍(lán)泵業(yè)有限公司制造，2007年安裝并投用，設(shè)備型號(hào)為EAP100K2-250。該泵由OH3結(jié)構(gòu)單級(jí)離心泵、三相異步電動(dòng)機(jī)(380 V,55 kW)及附屬密封系統(tǒng)組成，該泵的部分參數(shù)見表1。

表1 2G-411A/B的部分參數(shù)

1.2工藝流程

富含甲醛的塔頂氣經(jīng)EO精制塔冷凝器E-411冷凝后收集在EO精制塔回流罐D(zhuǎn)-410中，部分凝液作為回流通過(guò)EO精制塔回流泵2G-411A/B返回至精制塔，剩余部分送至乙二醇進(jìn)料汽提塔，EO蒸氣被送至汽提塔T-310以汽提EO精制塔塔頂夾帶的甲醛，以防止甲醛雜質(zhì)在系統(tǒng)中的累積。

2 原密封系統(tǒng)的工作原理及缺點(diǎn)

2.1原密封系統(tǒng)的工作原理

該泵原設(shè)計(jì)為雙端面、平衡型機(jī)械密封，采用PLAN 53沖洗方案，密封液是乙二醇水溶液，密封沖洗方案如圖1所示。

1-外部壓力源；2-緩沖液罐；3-補(bǔ)充密封液進(jìn)口；4-密封液出口；5-密封液進(jìn)口；PI-壓力指示；PSL-壓力低報(bào)警；LSH-液位高報(bào)警；LSL-液位低報(bào)警

該密封沖洗方案是一種循環(huán)外沖洗方案，主要用于防止液態(tài)EO泄漏至大氣中，雙端面機(jī)械密封間的密封液由封閉的緩沖液罐提供。密封液依靠密封腔內(nèi)的泵送環(huán)作用產(chǎn)生循環(huán)，密封系統(tǒng)管路上安裝了低液位報(bào)警器、高壓力報(bào)警，以監(jiān)控密封液。

2.2存在的缺點(diǎn)

由于原密封采用雙端面的機(jī)械密封并配有單路密封液的運(yùn)行方式，在正常工作時(shí)，機(jī)械密封的喉部與后端密封之間存在較大的壓差，在密封液的壓力調(diào)節(jié)上存在一定的問(wèn)題：

(1)密封液壓力調(diào)節(jié)偏高可在雙端面密封的喉部形成高壓，有效阻止液態(tài)EO進(jìn)入密封腔，但是這樣的壓差會(huì)加劇后部靜環(huán)的磨損，造成介質(zhì)向大氣的泄漏；

(2)密封液壓力調(diào)節(jié)偏低會(huì)導(dǎo)致過(guò)量的液態(tài)EO通過(guò)密封的喉部進(jìn)入密封腔內(nèi)，造成密封液內(nèi)EO的質(zhì)量濃度上升，當(dāng)EO積累到一定的質(zhì)量濃度時(shí)，在動(dòng)、靜環(huán)的摩擦處可能會(huì)引起起火的后果。

由此可以看出原機(jī)械密封的設(shè)計(jì)存在著一定的風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境污染的可能性，因此，機(jī)械密封的改造將針對(duì)以上這些缺點(diǎn)，并結(jié)合美國(guó)石油協(xié)會(huì)(API)682規(guī)范進(jìn)行優(yōu)化。

3 干氣密封的工作原理及特點(diǎn)[1]

第一個(gè)干氣密封的專利于1968年在英國(guó)出現(xiàn)，1975年首次工業(yè)應(yīng)用，1983年開始推廣應(yīng)用。干氣密封最初應(yīng)用在透平壓縮機(jī)、膨脹機(jī)等高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械上，到目前為止，已在化工、煉油、化肥、乙烯、化纖、天然氣輸送等行業(yè)獲得廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)90年代國(guó)外開始在低速旋轉(zhuǎn)機(jī)械如離心泵、攪拌釜中采用干氣密封，國(guó)內(nèi)到最近幾年才開始使用。

干氣密封在結(jié)構(gòu)上與普通機(jī)械密封基本相同，其重要區(qū)別在于干氣密封中的一個(gè)密封環(huán)上有均勻分布的淺槽。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)入淺槽中的氣體受到壓縮，在密封環(huán)之間形成局部的高壓區(qū)，使密封面開啟，從而能在非接觸狀態(tài)下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)密封作用。下面以典型的螺旋槽干氣密封為例作簡(jiǎn)單說(shuō)明。

圖2是密封端面的示意圖，密封面上有一定數(shù)量的螺旋槽，其深度為8～15μm。密封工作的主要原理是靜壓力和流體動(dòng)力的平衡。作用在密封上的流體靜態(tài)力由介質(zhì)壓力和彈簧力產(chǎn)生，在旋轉(zhuǎn)和靜止時(shí)都存在。流體動(dòng)態(tài)力只在密封旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生。密封旋轉(zhuǎn)時(shí)，由動(dòng)環(huán)產(chǎn)生的黏性剪切力帶動(dòng)被密封氣體沿切線方向進(jìn)入螺旋槽內(nèi)，從外徑朝密封環(huán)的中心流動(dòng)，螺旋槽逐漸收斂的槽型使氣體得到壓縮，并在槽的根部受到密封壩的節(jié)流影響，氣體在槽根部形成局部的高壓區(qū)，使密封面分開，形成一定厚度的氣膜。由氣膜作用力形成的開啟力與由彈簧力和介質(zhì)作用力形成的閉合力達(dá)到平衡，于是密封實(shí)現(xiàn)非接觸運(yùn)轉(zhuǎn)。干氣密封的密封面間形成的氣膜具有一定的剛度，保證了密封運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，還可對(duì)摩擦副起潤(rùn)滑作用。

圖2 干氣密封的典型槽型示意

4 改造后的密封系統(tǒng)

4.1串聯(lián)式干氣密封系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本次機(jī)械密封改造成介質(zhì)側(cè)機(jī)械密封和大氣側(cè)干氣密封前后串聯(lián)布置的結(jié)構(gòu)，具體見圖3。

1-機(jī)械密封；2-干氣密封

第一級(jí)的機(jī)械密封為主密封，采用PLAN 11方案；第二級(jí)干氣密封是作為安全密封來(lái)使用的，采用PLAN 72+76，見圖4。第一級(jí)機(jī)械密封承受全部的壓差，該密封工作在泵輸送的工藝介質(zhì)中。第二級(jí)干氣密封由于其摩擦副始終保持在非接觸狀態(tài)下運(yùn)行，沒(méi)有任何磨損，在一級(jí)機(jī)械密封損壞前能夠一直處于理想的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，故干氣密封是安全密封最適合的型式。在第一級(jí)機(jī)械密封與第二級(jí)干氣密封之間加梳齒密封，一方面，梳齒密封減少了緩沖氣的消耗量；另一方面，一級(jí)密封泄漏出的有害介質(zhì)氣化后將被緩沖氣完全帶入一個(gè)封閉、安全的火炬系統(tǒng)。當(dāng)主密封失效時(shí)，第二級(jí)干氣密封仍可作為機(jī)械密封短時(shí)運(yùn)行，直至停車檢修，真正保證了環(huán)境的安全可靠。

V1～V6-1～6號(hào)閥門；FL1-過(guò)濾器；OR1-限流孔板；CSV-截止閥；GBI-干氣密封；PS-壓力開關(guān)；PG-壓力表；PSA-壓力開關(guān)報(bào)警

4.2優(yōu)化前后的密封系統(tǒng)的比較

改造后的干氣密封系統(tǒng)在安全性等方面較原機(jī)械密封系統(tǒng)有了進(jìn)步。改造前采用的PLAN 53機(jī)械密封系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：雙端面密封的后部密封失效時(shí)會(huì)造成密封液泄漏至現(xiàn)場(chǎng)；會(huì)有微量介質(zhì)經(jīng)封液泄漏到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，給環(huán)境帶來(lái)一定污染；由于密封液會(huì)逐漸消耗，需定期為儲(chǔ)罐補(bǔ)液。而改造后采用的PLAN 11+72+76干氣密封系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：一級(jí)機(jī)械密封泄漏出的介質(zhì)通過(guò)密封氣排至火炬，二級(jí)干氣密封泄漏到大氣的為氮?dú)?，不?huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)造成威脅；若主密封失效，則次級(jí)密封起到備用密封的作用；介質(zhì)全部送至火炬燃燒，不會(huì)泄漏到環(huán)境中，次級(jí)密封泄漏到現(xiàn)場(chǎng)的為N2，不會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)造成任何污染；采用N2為密封氣，幾乎不需要進(jìn)行維護(hù)。

5 干氣密封的槽型設(shè)計(jì)[2]

干氣密封的密封端面的動(dòng)壓槽可加工成各種槽型，常見的有螺旋槽、圓弧槽、T型槽和直線性槽等。為了能更好地平衡密封流體動(dòng)壓效應(yīng)的產(chǎn)生并使制造成本降低，對(duì)干氣密封的槽型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖5給出了典型的螺旋槽干氣密封的二維數(shù)學(xué)模型。密封面槽型為螺旋型，滿足對(duì)數(shù)螺旋線方程，在極坐標(biāo)系統(tǒng)(r,θ)下方程表示為：

r=rgeθgtanα

式中，r為半徑，mm；rg為密封槽內(nèi)徑，mm；e為氣模剛度，%；θ為角度，rad。

由于密封端面上螺旋槽呈對(duì)稱性和周期性分布，故只選擇其中一個(gè)槽臺(tái)區(qū)和與之相連的壩區(qū)作為計(jì)算區(qū)域(ABCDEF)，如圖5所示。

圖5 干氣密封的密封槽

控制方程為：

式中，θ為角度，rad；ω為角速度，rad/s;P為壓力，Pa。

對(duì)控制方程作離散，首先將方程無(wú)量綱化，使用伽遼金法，將離散后的各單元所有方程進(jìn)行總體合成，就得到計(jì)算區(qū)域內(nèi)的總體有限元方程組：

對(duì)以上方程組進(jìn)行了求解，可獲得密封端面間的壓力分布。在求得壓力分布后就可以進(jìn)行其他相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，從而得到開啟力、泄漏量、氣膜剛度等重要參數(shù)，即：黏度，0.17 Pa·s，工作壓力，0.05 MPa；密封面外徑，72 mm；彈簧比壓，0.024 MPa；轉(zhuǎn)速，2 950 r/min；氣膜厚度，3 μm；密封面內(nèi)徑，51 mm。

根據(jù)以上模型對(duì)此次改造密封螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化：優(yōu)化時(shí)，以干氣密封具有最佳的氣膜剛度為優(yōu)化目標(biāo)，同時(shí)將干氣密封的最大剛漏比作為優(yōu)化的參考目標(biāo)。干氣密封最大剛漏比的物理意義是在密封具有較大氣膜剛度的情況下氣體泄漏量較小。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，2G-411A/B選用的CM1B-06D型干氣密封的螺旋槽為12個(gè)、螺旋槽深9 μm、槽壩比1.33、螺旋角16°、預(yù)期泄漏量30 L/h。

6 結(jié)語(yǔ)

使用新型的泵用干氣密封及配套的密封控制系統(tǒng)，將大大提高石油化工行業(yè)內(nèi)高危泵的運(yùn)行安全系數(shù)，極大地降低了污染程度。由于干氣密封的動(dòng)、靜環(huán)在運(yùn)行中非接觸、無(wú)磨損運(yùn)行，會(huì)大大延長(zhǎng)密封的使用壽命，降低維修成本，為煉油和化工裝置實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。

目前2G-411A/B已連續(xù)運(yùn)行3年，期間未更換密封組件，為裝置的安全、穩(wěn)定運(yùn)行做出了不小的貢獻(xiàn)。本次改造的成功案例，對(duì)日后其他EO泵的選型和技改有較大的參考價(jià)值。

[1] 孫玉霞，李雙喜，李繼和.機(jī)械密封技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2014.

[2] 林培峰，張秋翔，蔡紀(jì)寧，等.螺旋槽干氣密封的有限元分析[J].北京化工大學(xué)學(xué)報(bào),2002,29(3):57-60.

ReconstructionofDryGasSealofEthyleneOxideProductPump

Chen Yong

(ChemicalDivision,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.,Shanghai200540)

The medium of 2G-411A/B pump is ethylene oxide solution,which is flammable and explosive.The original design of the pump adopts the double-end mechanical seal of PLAN 53,which has some hidden dangers.Through technological transformation,the series dry gas seal of PLAN11 +72 +66 was adopted,which not only eliminated the hidden dangers,but also meet the safe and long-term operation requirements of equipment.

double end seal,dry gas seal,seal groove

2017-06-06。

陳勇，男，1965年出生，1981年畢業(yè)于上?；？茖W(xué)?；C(jī)械專業(yè)，2004年畢業(yè)于華東理工大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，長(zhǎng)期從事乙二醇設(shè)備管理工作。

1674-1099 (2017)04-0043-04

：TB42

： A