方 斌

(中國石化上海石油化工股份有限公司煉油部，上海200540)

中國石化上海石油化工股份有限公司(以下簡稱上海石化)溶劑脫瀝青裝置(以下簡稱溶脫裝置)以減壓渣油為原料,液態(tài)混合C4為溶劑,從減壓渣油中提取脫瀝青油,同時脫除瀝青質(zhì)和膠質(zhì),然后通過超臨界溶劑回收和汽提回收工藝,將溶劑回收并循環(huán)使用。脫瀝青油可以作為催化裂化裝置與渣油加氫裝置的原料,瀝青質(zhì)與催化油漿或減渣分別調(diào)和成燃料油或道路瀝青。溶劑脫瀝青裝置由抽提、溶劑回收、調(diào)合等幾部分組成。溶劑脫瀝青裝置內(nèi)主要的泵都為離心泵，離心泵的完好是裝置運行安全平穩(wěn)的基礎(chǔ)。離心泵最常用的軸端密封形式為機械密封。溶脫裝置籌建于1995年，在設(shè)計之初，溶劑泵及脫瀝青油溶劑循環(huán)泵等都為11+52方案，對于該類接觸式機械密封，在實際使用中，處在高壓、高溫工況，介質(zhì)易汽化和揮發(fā)，機械密封的使用期很短，頻繁產(chǎn)生故障，對裝置的連續(xù)穩(wěn)定運行造成了較大影響。

社會對企業(yè)的環(huán)保、安全要求越來越嚴格，石油化工裝置無泄漏要求提高，普通的接觸式機械密封已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場的實際需求，隨著密封技術(shù)的不斷革新，決定采用泵用干氣密封技術(shù)加以解決。

1 溶劑泵機械密封損壞原因分析

溶劑泵是溶脫裝置的主要設(shè)備，將系統(tǒng)內(nèi)的原有C4溶劑、灌區(qū)發(fā)來的新鮮溶劑通過多級離心泵壓縮，介質(zhì)壓力從0.45 MPa提高到6.0 MPa，為整個裝置壓力最高的設(shè)備，也是裝置低壓至高壓的轉(zhuǎn)換點。該泵為BB4雙支撐結(jié)構(gòu),兩側(cè)都有一套機械密封。溶劑泵原設(shè)計使用串聯(lián)式小彈簧機械密封(11+52系統(tǒng))。

由于液化氣密度較低，在壓縮過程中出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，尤其是夏天，室外溫度較高，溶劑內(nèi)的介質(zhì)氣相多，導(dǎo)致泵體的溫度過高，裝置多次出現(xiàn)原料泵抽空情況，泵抽空后震動急劇上升，出口壓力下跌，機械密封的第一道會在波動中瞬間打開，介質(zhì)泄漏到第一道密封的端面及52方案的白油罐中，液化石油氣C3、C4體積膨脹，不斷揮發(fā)，最終導(dǎo)致11方案的沖洗液體不能有效地對斷面進行冷卻，加速了機械密封的損壞。

溶脫裝置的溶劑作為脫瀝青油的載體，不斷在系統(tǒng)中循環(huán)使用。使用一段時間后，不可避免地會出現(xiàn)液化石油氣中帶有膠質(zhì)的情況，一部分膠質(zhì)沉降在溶劑原料罐D(zhuǎn)-5105中；還有一部分隨介質(zhì)被溶劑泵抽出，在系統(tǒng)中循環(huán)，這類黏度很大的重組分油，堆積在第一道機械密封表面，膠質(zhì)對小彈簧的壓縮量產(chǎn)生了影響，同時端面上有少量的膠質(zhì)，容易破壞摩擦副，沖洗效果變差，機械密封端面容易泄漏。

溶劑泵使用串聯(lián)式機械密封，在使用過程中，設(shè)備檢修頻率高，近幾年設(shè)備檢修、備件更換情況見表1。

表1 串聯(lián)式機械密封近幾年檢修情況

溶劑泵在更換機械密封時，需要將溶劑全部倒空，大量的液化石油氣進入火炬系統(tǒng)，按照1∶300的膨脹率，泵體倒空時間長，檢修施工時間慢，造成經(jīng)濟損失的同時，增加了安全風(fēng)險。

隨著石油、石化等工業(yè)向無污染、長周期、低能耗、高效益方向發(fā)展，要求離心泵的機械密封長壽命、密封介質(zhì)的零泄漏、無污染，并且運行維護費用低。溶脫裝置由于其工藝的特殊性(具有易燃、易爆、污染嚴重等特點)，普通的接觸式機械密封難以達到上述要求，因此必須使用非接觸、無磨損、低能耗的新型泵用干氣密封才能滿足石油、石化等企業(yè)生產(chǎn)的需要。

2 泵用干氣密封的原理及特點

干氣密封屬于非接觸式密封，基本不受PV值的限制，PV值表示機械密封的工作能力，P為密封流體壓力(MPa)，V為密封端面的平均滑移速度(m/s)，PV值的單位為MPa·m/s。機械密封的PV值越高，表示機械密封的工作能力越強，要承載的負荷越高。干氣密封的出現(xiàn)，是密封技術(shù)的一次革命，使得密封不再受到密封潤滑油的限制，而且其所需的氣體控制系統(tǒng)比油膜密封的油系統(tǒng)要簡單得多。另外，干氣密封的出現(xiàn)也改變了傳統(tǒng)的密封觀念，將干氣密封技術(shù)和阻塞密封原理有機結(jié)合，“用氣封液或氣封氣”的新觀念替代傳統(tǒng)的“液封氣或液封液”觀念，可保證密封介質(zhì)的零逸出。隨著技術(shù)的不斷變革，原來使用在高速設(shè)備上的干氣密封，逐步向低速發(fā)展，泵用干氣密封技術(shù)不斷成熟。

泵用干氣密封從外形結(jié)構(gòu)上與機械密封相同，同樣由動環(huán)、靜環(huán)、彈簧、密封圈以及彈簧座等組成。但是與機械密封原理差別很大，動、靜環(huán)密封面經(jīng)過研磨、拋光，并在其上面加工有流體動壓槽(圖1)。

圖1 干氣密封螺旋槽示意

動、靜環(huán)作相對旋轉(zhuǎn)運動時，密封氣體被吸入動壓槽內(nèi)，由于密封堰的節(jié)流作用，進入密封面的氣體被壓縮，壓力升高。在該氣體膜壓作用下，密封面被推開，與氣體靜壓力、彈簧力形成的閉合力達到平衡(圖2)。此時，流動的氣體在兩個密封面間形成一層很薄的氣膜(通過大量的理論研究與實踐證明，此氣膜厚度一般在3 μm左右)，氣膜厚度十分穩(wěn)定，并具有良好的氣膜剛度，保證密封運轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠。

圖2 干氣密封螺旋槽受力分析

與原來串聯(lián)式機械密封相比，泵用干氣密封有以下主要優(yōu)點。

(1)省去了密封油系統(tǒng)及用于驅(qū)動密封油系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的附加功率負荷。由于干氣密封的兩密封端面被一薄層穩(wěn)定的氣膜隔離，而且密封腔內(nèi)為低黏度的氣體介質(zhì)，因此干氣密封的端面摩擦功耗和動環(huán)組件的攪拌摩擦損失要比液體潤滑的密封裝置的摩擦功耗小很多，一般兩者消耗的功率之比為1∶(10～20)。

(2)大大減少了計劃外維修費用和停車次數(shù)。

(3)避免了工藝氣體被油污染的可能性。

(4)密封氣體泄漏量小。封液系統(tǒng)既復(fù)雜又昂貴，且故障率很高。泵送介質(zhì)的外泄漏和封液冷卻密封都依賴完善的封液系統(tǒng)。干氣密封避免了這些復(fù)雜因素，它利用干燥潔凈的氮氣源作為密封氣，很容易實現(xiàn)泵送介質(zhì)的零泄漏或零逸出，對泵送介質(zhì)沒有污染，而且系統(tǒng)比較簡單，可靠性非常高。

(5)維護費用低，經(jīng)濟實用性好。

(6)密封驅(qū)動功率消耗小。

(7)密封壽命長，運行可靠。對干氣密封，由于兩個相對旋轉(zhuǎn)的端面是非接觸的，在正常使用條件下，一般可連續(xù)運轉(zhuǎn)3年以上。

3 改造方案

上海石化溶脫裝置原設(shè)計規(guī)模為300 kt/a，2002年改擴建為500 kt/a。裝置核心設(shè)備溶劑泵P-5104泵的原密封為串聯(lián)式式機械密封，11+52結(jié)構(gòu)，具體參數(shù)如下：介質(zhì)為C3、C4溶液，壓力為5.5～6.0 MPa，溫度40 ℃，轉(zhuǎn)速2 950 r/min。該泵由于介質(zhì)壓力高，沖洗介質(zhì)易揮發(fā)，故障率很高，而且C4的外漏對環(huán)境和人員的危害很嚴重，容易引起爆炸等事故。改為串聯(lián)式泵用干氣密封后，原來沖洗方式不變，將PLAN52方案改為PLAN72+76，該結(jié)構(gòu)為串聯(lián)式泵用干氣密封。

干氣密封與接觸式機械密封串聯(lián)布置，內(nèi)側(cè)機械密封為主密封，外側(cè)干氣密封為備用密封，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。在機械密封與干氣密封間充入一定壓力的潔凈緩沖氣(一般為氮氣)，該壓力低于被密封的液體介質(zhì)壓力。干氣密封非接觸運行，提高主密封的背壓，增大主密封面液相摩擦面積，減少因介質(zhì)氣化形成的干摩擦面積，避免了烴類介質(zhì)在端面間由于摩擦熱過早汽化，形成液、氣混相導(dǎo)致磨損加劇的問題，從而大大延長主密封的使用壽命，提高主密封的性能。當主密封失效時，干氣密封可以起到備用密封的作用，隔離介質(zhì)與大氣，主密封泄漏的烴類介質(zhì)隨密封氣氮氣排入火炬，從而保證工藝介質(zhì)不向大氣泄漏。這種布置方式適用于輕烴、低溫類易揮發(fā)性介質(zhì)，特別是在泵送介質(zhì)壓力較高的場合。

圖3 改造后的干氣密封

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

主密封機械密封結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表2 主密封機械密封結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)公式K=(DO2-DB2)/(DO2-Di2)計算出載荷因子K為0.794。

外側(cè)干氣密封的設(shè)計參數(shù)見表3。

表3 外側(cè)干氣密封的設(shè)計參數(shù)

根據(jù)公式計算出載荷因子K為0.842。

外側(cè)干氣密封的工作參數(shù)見表4。

表4 外側(cè)干氣密封的工作參數(shù)

根據(jù)密封的結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合密封的工作參數(shù)，對干氣密封端面流體動壓槽進行優(yōu)化。

3.2 P-5104泵用干氣密封流程

泵用干氣密封測控系統(tǒng)主要有兩個方面的作用：一是提供干燥、潔凈、穩(wěn)定的氣源；二是對密封運行狀況進行監(jiān)控，一旦氣源壓力出現(xiàn)異?；蛎芊馐r進行報警。泵用干氣密封測控系統(tǒng)包括3個部分：過濾單元、壓力調(diào)節(jié)單元、密封泄漏量和供氣壓力監(jiān)控單元。串聯(lián)式干氣密封的測控系統(tǒng)如圖4所示。

外部氮氣管網(wǎng)氮氣進入控制系統(tǒng)，經(jīng)過濾器、減壓閥后，為干氣密封提供穩(wěn)定、干燥、清潔的密封氣；當主密封泄漏過大或氮氣壓力過低時，單向閥起到防止工藝介質(zhì)反串入氮氣管網(wǎng)的作用；進入密封腔的氮氣與主密封泄漏的微量工藝介質(zhì)通過節(jié)流孔板排向火炬；當主密封機械密封泄漏過大時，由于限流孔板的作用，密封腔壓力上升，泄漏管線上的壓力表指示上升(或壓力開關(guān)發(fā)出報警信號)，表明密封失效。

圖4 P-5104泵干氣密封測控系統(tǒng)

4 使用效果

溶脫裝置溶劑泵P-5104機械密封改造成泵用干氣密封，于2015年5月投入生產(chǎn)使用，使用至2016年5月裝置停車大修，設(shè)備運行正常，排放處壓力未見上升，徹底解決了原來平均每月都要更換機械密封的問題。由于干氣密封的使用，裝置的檢維修費大幅降低。

(1)密封平均使用壽命及每年備件費用

機械密封使用期限為2個月(泵內(nèi)部有腐蝕結(jié)焦現(xiàn)象，震動運行在D區(qū))，干氣密封使用期限則為3年。機械密封備件費用為1.5萬元/套，干氣密封為2.12萬元/套。因此每年備件費用為：機械密封，1.5×6=9萬元；干氣密封：21 200/3=7 067元

(2)每年密封運行費用

干氣密封氮氣消耗：0.3×24×365×0.5=1 314元

(3)每年檢修費用

機械密封：10 000×6=60 000元

干氣密封：10 000×1/3=3 330元

(4)單臺泵每年費用合計

機械密封：90 000+60 000=150 000元

干氣密封：7 067+1 314+3 330=11 711元

綜上所述，泵用干氣密封經(jīng)濟效益突出，單臺泵單側(cè)密封每年節(jié)約費用約13萬元，泵兩側(cè)密封更換每年節(jié)約費用26萬元，為工廠節(jié)約了大量備件費，同時基本無檢修費，并保證了設(shè)備的清潔完好，提高裝置的安全穩(wěn)定運行水平。

5 結(jié)語

由于物料的特殊性，介質(zhì)密度差異大，溶劑部分密度小，渣油部分密度大，兩股物料混合在一起，給溶脫裝置泵的運行帶來了很大的考驗，操作過程中稍微不注意，容易引起泵的震動增大，這就要求泵軸端的密封安全可靠。干氣密封技術(shù)在離心泵上的推廣應(yīng)用，是機械密封技術(shù)的又一重大進步，通過P-5104泵上使用干氣密封，極大地延長了整機的維修周期和使用壽命，減小了維護工作量，降低了檢維修費用，減少了機械密封的消耗，保障并實現(xiàn)溶劑脫瀝青裝置的長周期、安全運行。

參考文獻

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