楊鼎麟

(中化泉州石化有限公司,福建 泉州 362103)

延遲焦化裝置貧吸收柴油泵密封失效分析與改造

楊鼎麟

(中化泉州石化有限公司,福建 泉州 362103)

通過分析延遲焦化裝置貧吸收柴油泵密封頻繁失效的原因,提出改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)及沖洗方案,提高了密封的安全性與穩(wěn)定性.自2012年2月投入運(yùn)行,其運(yùn)行壽命均超過兩年,滿足了生產(chǎn)的需要,取得了良好的密封效果和經(jīng)濟(jì)效益.

貧吸收柴油泵;沖洗方案改進(jìn);串聯(lián)集裝式機(jī)械密封;摩擦熱

延遲焦化裝置貧吸收柴油泵為懸臂式離心泵,型號(hào)為ZHY100-400,國內(nèi)廠家生產(chǎn).

泵介質(zhì)為柴油(含少量焦粉),泵入口壓力0.734MPa;出口壓力為2MPa,溫度180℃,密度0.745t/m3;泵轉(zhuǎn)速2980r/min.在機(jī)封的選擇上,考慮到貧吸收柴油高溫度以及易氣化的特性,原密封結(jié)構(gòu)采用端面波紋管結(jié)構(gòu);密封沖洗方案采用Plan21,用于對(duì)密封進(jìn)行冷卻沖洗,防止介質(zhì)汽化,降低輔助密封圈溫度,減少結(jié)焦或聚合,改善潤滑性能,其原密封結(jié)構(gòu)形式見圖1.

圖1 密封結(jié)構(gòu)形式圖

FI為Plan21沖洗介質(zhì)入口;Q,D孔分別為急冷出入口.

從2009年4月開始,該位號(hào)泵投產(chǎn)運(yùn)行.初期密封使用情況相對(duì)比較穩(wěn)定.2011年12月開始密封頻繁出現(xiàn)泄漏,嚴(yán)重地影響到焦化裝置的平穩(wěn)生產(chǎn)運(yùn)行.

通過泵的檢修情況,見表1.

表1

經(jīng)檢測(cè)泵的振動(dòng),軸向串量、軸承溫度等運(yùn)行參數(shù)均正常.

1 密封的失效原因分析

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)封拆檢,并結(jié)合機(jī)械密封現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行檢查記錄及機(jī)械密封的設(shè)計(jì)尺寸參數(shù),分析認(rèn)為導(dǎo)致機(jī)械密封失效的主要原因有以下幾點(diǎn):

(1)密封補(bǔ)償原件波紋管內(nèi)被焦粉以及結(jié)焦固體粉末填滿,波紋管彈性降低,補(bǔ)償環(huán)軸向追隨性差,密封端面泄漏介質(zhì).

(2)從機(jī)械密封端面泄漏出的微量介質(zhì),不斷地滲進(jìn)補(bǔ)償原件與軸之間的間隙,此處介質(zhì)不流動(dòng),泄漏介質(zhì)易氧化結(jié)焦和高溫碳化,加劇對(duì)補(bǔ)償原件波紋管的堵塞,波紋管失效,密封出現(xiàn)泄漏.

(3)密封補(bǔ)償環(huán)端面由于高溫出現(xiàn)不均勻變形及結(jié)焦物粘結(jié)在端面上,導(dǎo)致密封端面不平介質(zhì)從密封端面泄漏.

(4)由于現(xiàn)場(chǎng)沒有脫鹽水,給換熱器提供冷卻的循環(huán)水在換熱器盤管及其內(nèi)壁上高溫下結(jié)垢,換熱器換熱能力降低;Plan21沖洗循環(huán)介質(zhì)得不到充分冷卻,介質(zhì)在進(jìn)入密封密封腔受端面發(fā)熱及攪動(dòng)產(chǎn)生熱量的影響氣化,使密封補(bǔ)償原件處于壓力不穩(wěn)定區(qū)域,密封泄漏.

2 密封的改進(jìn)設(shè)計(jì)

為保證機(jī)械密封穩(wěn)定、長周期的運(yùn)行,除了在選擇機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料上面符合使用要求外,對(duì)泵輸送介溫度高、易氣化、易結(jié)焦的流體,機(jī)械密封沖洗油系統(tǒng)的引入更是機(jī)械密封長周期運(yùn)行的必須條件.這時(shí)不能用自身流體介質(zhì)作為直接沖洗;需要對(duì)介質(zhì)進(jìn)行充分冷卻后作為沖洗流體;同時(shí)須控制沖洗流體的流量與溫度.

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件,由于柴油不冷凝,少量的焦粉不會(huì)對(duì)密封使用壽命產(chǎn)生大的影響,按照API682標(biāo)準(zhǔn)對(duì)密封及其沖洗系統(tǒng)進(jìn)行改造;系統(tǒng)采用Plan23+52的沖洗方案.

2.1 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于介質(zhì)為焦化貧吸收柴油,且泵的運(yùn)行溫度高達(dá)180℃,考慮到機(jī)械密封的運(yùn)行條件及環(huán)保要求,并按照API682標(biāo)準(zhǔn)選用C型密封,即內(nèi)裝、平衡、串聯(lián)集裝式金屬波紋管機(jī)械密封.

方案PLAN23通過對(duì)輸送介質(zhì)循環(huán)冷卻,降低流體飽和蒸汽壓,確保介質(zhì)不發(fā)生汽化,對(duì)密封端面進(jìn)行沖洗.

PLAN52不加壓雙密封系統(tǒng),為第二級(jí)密封提供緩沖液,阻止介質(zhì)向大氣泄漏,防止泄漏介質(zhì)結(jié)焦.緩沖流體裝在密封儲(chǔ)罐內(nèi),密封儲(chǔ)罐與排氣火炬系統(tǒng)相連,緩沖流體壓力接近于大氣壓.方案PLAN52用于清潔的非聚合介質(zhì),介質(zhì)的飽合蒸汽壓高于緩沖流體壓力.系統(tǒng)儲(chǔ)罐上安裝有液位開關(guān)及壓力開關(guān),對(duì)密封泄漏情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控.

原泵結(jié)構(gòu)配用集裝式單端面機(jī)械密封,現(xiàn)對(duì)密封按照API682標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改造設(shè)計(jì),密封結(jié)構(gòu)圖如圖2.

圖2 改進(jìn)后機(jī)械密封結(jié)構(gòu)圖

2.2 結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)

由于改用PLAN23沖洗方案后,密封腔介質(zhì)側(cè)密封沖洗介質(zhì)循環(huán)由重新設(shè)計(jì)的螺旋套提供泵效力(件15);靠近泵入口處在泵效環(huán)上設(shè)計(jì)節(jié)流裝置,節(jié)流小間隙控制沖洗液流量,減少泵送介質(zhì)與沖洗介質(zhì)的相對(duì)流動(dòng),降低介質(zhì)自身熱交換率,使PLAN23沖洗介質(zhì)穩(wěn)定循環(huán)沖洗密封端面.

PLAN52沖洗液依靠件6上設(shè)計(jì)的螺旋套在高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件新形成的泵效力循環(huán);螺旋套外徑與壓蓋之間的間隙不宜過大或過小,間隙過大泵送效果差,密封液循環(huán)少;間隙過小會(huì)在泵振動(dòng)超標(biāo)時(shí)螺旋套與壓蓋接觸,容易產(chǎn)生事故.

根據(jù)機(jī)械密封的設(shè)計(jì)安全和可靠原則,要求密封在極端工況條件下短時(shí)間運(yùn)行時(shí),波紋管密封不能出現(xiàn)破裂類的損壞,滿足設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)緊急檢修的可操作性.結(jié)合確定的密封結(jié)構(gòu)方案示意圖,該密封最薄弱的點(diǎn)在機(jī)械密封端面、波紋管和軸套輔助密封圈上;在一級(jí)密封失效后,二級(jí)機(jī)械密封必須滿足能夠在承受高溫及介質(zhì)壓力情況下正常8小時(shí)以上.

選材方面,機(jī)械密封前后兩級(jí)密封端面材料均選用自潤滑性能好、摩擦系數(shù)低的高強(qiáng)度石墨與硬質(zhì)合金組對(duì),可以在油類介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)長周期運(yùn)行;另外,由于泵送介質(zhì)的溫度達(dá)180℃左右,且經(jīng)過軸導(dǎo)熱到軸套密封圈處的溫度接近泵送介質(zhì)溫度,既要求選用的橡膠圈能承受170℃的溫度,同時(shí),該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)配置了兩道軸套密封圈,提高該密封點(diǎn)的可靠性.

2.3 機(jī)械密封沖洗量循環(huán)量的計(jì)算

由于接觸式機(jī)械密封摩擦副之間在相對(duì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的端面熱,密封端面在受熱不均勻的情況下會(huì)產(chǎn)生非對(duì)稱變形;摩擦副及輔助密封元件在設(shè)計(jì)條件下不能超過其耐熱極限.為了保證機(jī)械密封的正常運(yùn)行,僅靠選用耐高溫、導(dǎo)熱性能好的摩擦副材料和合理的結(jié)構(gòu)也不一定能達(dá)到預(yù)期的效果;同時(shí),輕質(zhì)烴類介質(zhì)具有自潤滑性差、易揮發(fā)的特性,還會(huì)引發(fā)液膜汽化等引起干摩擦過熱問題,因此采取對(duì)介質(zhì)先降溫再?zèng)_洗的措施.

由于密封腔中熱量的來源有多種,包括密封端面摩擦和介質(zhì)剪切產(chǎn)生的熱量;旋轉(zhuǎn)的密封元件引起的紊流產(chǎn)生的熱量;泵經(jīng)密封腔和軸傳遞的熱量.同時(shí)密封腔熱量也有一部分散失,如大氣側(cè)密封的沖洗液帶走的熱量,通過傳導(dǎo)和輻射進(jìn)入大氣中的熱量.而主密封端面產(chǎn)生的熱量是依靠PLAN23沖洗循環(huán)冷卻來保證端面溫度處于相對(duì)穩(wěn)定的允許工作溫度范圍內(nèi).但是在實(shí)際運(yùn)用中,由于攪拌熱不易確定,通常按端面摩擦熱考慮合適的摩擦系數(shù)來確定.

即摩擦熱為:

式中,Pc為端面比壓,MPa;Tr為密封端面轉(zhuǎn)矩,A為端面面積,mm;f為端面摩擦系數(shù),05～0.10,考慮安全因素,一般取較大數(shù)值;f=0.2～0.3;Dm為端面平均直徑,mm;n為泵轉(zhuǎn)速,r/min.

則介質(zhì)側(cè)密封循環(huán)沖洗量為:

式中,ρ為泵溫度下沖洗液的相對(duì)密度,kg/l;△T為密封沖洗液的溫升,K;CP為泵溫度下沖洗液的比熱容,J/(kg.K).

介質(zhì)密度ρ=0.745kg/l;比熱容cp=2100J/(kg.K);沖洗液溫升△T根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)對(duì)23沖洗溫升限制在16℃以下,現(xiàn)取中間值△T=8℃.

即要使機(jī)械密封在該條件下長周期運(yùn)行,泵送環(huán)的泵效能力需要達(dá)到最小沖洗循環(huán)量為7.38l/min.經(jīng)對(duì)泵送環(huán)的設(shè)計(jì)計(jì)算,最后確定設(shè)計(jì)泵送能力為10l/min,以滿足工藝運(yùn)行需要.

3 結(jié)語

從2012年更換新的密封以來,密封平均使用壽命均在兩年以上;通過對(duì)焦化貧吸收柴油泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化,結(jié)合API682的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求,對(duì)密封沖洗方案的改進(jìn)及對(duì)密封結(jié)構(gòu)的重新調(diào)整,密封方案的選擇與設(shè)計(jì)更合理、環(huán)保,提高了機(jī)械密封的使用性能.降低了設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用,保證了裝置連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn).

[1]顧永泉.機(jī)械密封實(shí)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

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

[3]郝木明.機(jī)械密封技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:中國石化出版社,2014.

TE96

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1671-0711(2017)11(下)-0048-03