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        渣油高壓進料泵PLAN54密封故障分析及創(chuàng)新應(yīng)用

        2019-09-05 12:04:26崔鐘續(xù)何可禹劉云秀應(yīng)汶靜
        石油化工設(shè)備技術(shù) 2019年5期
        關(guān)鍵詞:油站渣油單向閥

        崔鐘續(xù),何可禹,劉云秀,于 月,張 輝,應(yīng)汶靜

        (中化泉州石化有限公司,福建 泉州362100)

        某煉廠渣油加氫裝置加工量為330萬t/a,設(shè)計為兩系列單開單停,2臺泵分別對應(yīng)2個系列,另外1臺作為兩系列的備用泵。進料泵和密封都由福斯公司生產(chǎn)制造,型號為6×10.25 HDO-9stg,介質(zhì)為280 ℃高溫渣油,設(shè)計流量230.8 m3/h,出口壓力20.1 MPa,轉(zhuǎn)速4 960 r/min。PLAN54密封是國內(nèi)首次應(yīng)用在渣油加氫高壓進料泵上。

        1 密封泄漏經(jīng)過

        2014年6月24日,高壓進料泵A泵由于操作原因出口流量低低聯(lián)鎖停泵,渣油倒竄至密封油箱,重新啟動后發(fā)現(xiàn)非驅(qū)動端密封開始出現(xiàn)泄漏。由于3臺高壓進料泵共用1個密封油站,因此被污染的密封油進入到3臺泵的機械密封中,隨后3臺泵密封開始頻繁泄漏,導(dǎo)致機械密封的使用壽命嚴重不足,4個月內(nèi)共更換21套,常常是剛換好不久就開始泄漏,使得裝置時刻都處于停工邊緣,嚴重影響了正常生產(chǎn)。機械密封拆檢后發(fā)現(xiàn)密封面結(jié)焦嚴重,波紋管上也有結(jié)焦。渣油竄入密封油是造成這種情況的主要原因。

        2 原因分析

        在機械密封出現(xiàn)反復(fù)泄漏后,一方面現(xiàn)場更換密封,另一方面從現(xiàn)場故障情況、拆檢分析、密封設(shè)計、密封選型、密封系統(tǒng)等方面入手分析故障原因。

        動靜環(huán)拆檢情況見圖1。

        圖1 動靜環(huán)拆檢情況

        2.1 渣油反竄至密封油箱

        停泵時的數(shù)據(jù)顯示,泵入口流量低于設(shè)計值,說明當時泵處于憋壓狀態(tài),密封腔壓力升高。這是導(dǎo)致渣油竄入密封油箱的主要原因。渣油密度大,粘度大,易在密封面附著、結(jié)焦,導(dǎo)致密封面粗糙度被破壞,正常要求密封面粗糙度不超過0.9 μm,承載面變化從而影響到端面比壓,最終造成動靜環(huán)磨損,局部的高溫甚至導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生,不同粗糙度承載面積和端面比壓的關(guān)系見表1。

        2.2 密封設(shè)計及選型

        密封設(shè)計可以從密封布置方法、密封內(nèi)件材料選擇、密封沖洗液流量等方面入手。機械密封結(jié)構(gòu)見圖2。

        表1 粗糙度與承載面積及端面比壓關(guān)系

        單從結(jié)構(gòu)上來看,該密封采用面對面【1】式結(jié)構(gòu),固定波紋管,這種設(shè)計使用在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速位置,配合強制外沖洗的方案,理論上是可行的。

        密封內(nèi)件,主要是摩擦副匹配【2】的選擇,采用“硬對硬”、“軟對硬”方案,材質(zhì)為硬質(zhì)合金、碳化鎢、碳化硅(反應(yīng)碳化硅、無壓碳化硅、加碳碳化硅)、碳石墨(浸樹脂、浸金屬)等等。設(shè)計選型時需參考p、V值【3】(包括psV、pcV、pgV)。

        圖2 機械密封結(jié)構(gòu)

        機械密封腔中熱量【1】主要來自于以下幾方面:

        1) 密封面由于摩擦和流體剪切產(chǎn)生的熱量;

        2) 轉(zhuǎn)動密封部件引起的風阻(或紊流)產(chǎn)生的熱量;

        3) 通過密封室和軸產(chǎn)生的熱量;

        4) 介質(zhì)傳遞的熱量。

        密封沖洗液流量決定2對密封面之間溫度。該密封選用PLAN54, 泵內(nèi)介質(zhì)溫度280 ℃, 相當于內(nèi)側(cè)密封接觸高溫,這顯然是不合適的。國內(nèi)同位置泵密封基本都采用PLAN32作為前置沖洗, 可以有效降低密封腔溫度, 比如API推薦的1類、 2類密封腔溫升為2.8~5.6 ℃。PLAN32密封沖洗流量可以根據(jù)式(1)計算:

        (1)

        式中:Qing——注入流量,L/min;

        P——密封面上產(chǎn)生的熱量,kW;

        SQG——泵溫度下注入介質(zhì)的比重;

        dT——密封腔的溫升,℃;

        C——泵溫度下注入介質(zhì)的比熱,J/(kg·℃);

        Qheadsoak——密封腔其他熱量吸收,kW。

        精確的熱量吸收的計算比較復(fù)雜,應(yīng)用較多的是有限元計算法【4】,即采用ANSYS建立機械密封有限元模型,也可以通過式(2)進行估算。

        Qheadsoak(kW)=U×A×S×Dt【5】

        (2)

        式中:U——材料的性能系數(shù);

        A——熱傳遞面積,mm2;

        S——密封平衡直徑,mm;

        Dt——溫差(泵溫度-期望的密封腔溫度),℃。

        2.3 密封系統(tǒng)

        上面提到密封腔溫度及密封沖洗量的確定,而密封系統(tǒng)就是密封腔溫升的重要保障。PLAN54密封油流程如下:螺桿泵→水冷器→過濾器→控制閥組→手閥→單向閥→DE/NDE密封→孔板→單向閥→油箱。

        油站螺桿泵出口壓力1.0 MPa,在靠近密封的手閥和單向閥之間壓力表顯示0.9 MPa(同油站設(shè)定壓力)。為了能夠看到密封沖洗液在2對密封面之間的精確壓力,將第一個單向閥閥蓋拆除并增加壓力表。該壓力表顯示此處壓力僅為0.55 MPa,說明單個單向閥的壓降就達到了0.35 MPa,多級泵密封腔壓力按照泵入口壓力為0.55 MPa,密封腔和密封油兩側(cè)壓力相同,這在設(shè)計上是不允許的;并且當泵體處于憋壓狀態(tài)時,密封腔壓力也會升高,這也可以解釋為什么聯(lián)鎖停泵時渣油會反竄至密封油箱。

        關(guān)于密封油站溫度對密封的影響方面,經(jīng)現(xiàn)場測溫,密封油供油管路溫度65 ℃,而密封回油溫度達到110 ℃,密封面之間的溫度要遠高于此,所以降低密封油溫度勢在必行。

        3 改進措施

        3.1 增加PLAN32密封沖洗

        增加常三線柴油(初餾點260 ℃,終餾點390 ℃),作為外部介質(zhì)沖洗,此餾程下的柴油既可以降低泵的汽蝕,又可以避免柴油的過多浪費。單側(cè)沖洗量設(shè)計為8~12 L/min,節(jié)流襯套采用浸碳聚四氟乙烯,在原密封基礎(chǔ)上更換前端密封殼體,降低了改造成本。

        3.2 獨立PLAN54密封油站

        原設(shè)計PLAN54密封油站采用一拖三形式,雖節(jié)省初始投資,但增加了維護成本,6套密封中任意1套的失效都有可能導(dǎo)致渣油反竄至密封油箱,從而波及其他泵的正常運行。

        對于新增的PLAN54沖洗油站,在設(shè)計初期便與設(shè)計單位進行溝通,提出一些建議及顧慮,最終將新油站流程改進為:

        螺桿泵→過濾器→控制閥組→手閥→DE/NDE密封→過濾器→調(diào)壓閥→單向閥→水冷器→油箱。

        對比原油站流程有如下改進:

        1) 拆除密封前后單向閥的閥芯,降低密封油站中壓力損失;

        2) 控制閥組改為手動操作,避免密封面之間壓力波動;

        3) 增加后置過濾器,過濾密封沖洗后的雜質(zhì);

        4) 增加后置調(diào)壓閥,使壓力調(diào)節(jié)點能夠移到密封之后,這樣就能夠清楚地看到密封面之間的壓力,降低了渣油竄至密封油箱的可能;

        5) 選擇高效水冷器,降低了密封沖洗油溫度(由原來的65 ℃降至45 ℃);

        6) 增加密封沖洗流量(由原來的10.5 L/min提高至20 L/min)。

        3.3 改PLAN61為PLAN62

        密封拆檢后發(fā)現(xiàn)外側(cè)密封及波紋管有結(jié)焦現(xiàn)象,且密封大多數(shù)為外漏,也就是說外密封面損壞得更多,所以增加蒸汽吹掃,改善外密封環(huán)境。

        3.4 置換密封油及管線吹掃

        由于渣油反竄后大量置換密封油,庫房導(dǎo)熱油存儲量嚴重不足,臨時改用10號白油代替導(dǎo)熱油,由于其熱穩(wěn)定性不如導(dǎo)熱油,因此所有改造完成后,對密封油站進行油品置換。為保證密封沖洗油潔凈,在投用之前將所有管線用蒸汽吹掃干凈。

        3.5 操作方法改進

        加強班組開停機方案培訓(xùn),從準備暖泵開始,依次投用PLAN54-PLAN32-PLAN62各沖洗方案壓力的控制,暖泵速度的控制,最小流量線、平衡管是否暖通等應(yīng)注重細節(jié)。還應(yīng)注意停泵后密封沖洗停用順序,蒸汽吹掃泵體壓力等等。

        4 改進后成果

        經(jīng)過前后2次改造,不斷摸索經(jīng)驗,最終形成PLAN32+PLAN54+PLAN62創(chuàng)新型組合。從2016年9月B泵改造至2018年11月,密封運行正常,平均壽命由最初的幾天到現(xiàn)在的790 d,超出同行業(yè)平均壽命約430 d,這也證明此次改造是比較成功的。開工后密封壽命統(tǒng)計見圖3。

        5 與同行業(yè)對比

        目前國內(nèi)渣油加氫裝置同位置密封通常采用PLAN32+PLAN53B+PLAN62,也是比較成熟的技術(shù)。2種密封方案的優(yōu)缺點對比情況見表2。

        表2 密封方案優(yōu)缺點對比

        圖3 開工后密封壽命統(tǒng)計

        如果計算一筆經(jīng)濟賬,假設(shè)PLAN53B每年更換1次,PLAN54每2年更換1次,根據(jù)泵參數(shù)不同,參照國產(chǎn)密封排名靠前的某密封廠報價, 則PLAN54和PLAN53B的費用投入情況對比如圖4所示。

        圖4 密封投入費用對比

        由圖4可以看出:PLAN53B在前3年具有優(yōu)勢,但隨著使用時間的延長,PLAN54密封壽命長的優(yōu)點逐漸明顯,第4年之后,PLAN54在使用成本上要更勝一籌。以上數(shù)據(jù)只是參考目前行業(yè)平均水平,無法做到精確。不同泵的有不同的工況,不能一概而論。

        6 結(jié)語

        無論選擇哪種密封沖洗方案,使用中都會遇到一些問題,一定要堅定信心,抓住細節(jié),總會有解決辦法。目前國內(nèi)供貨的密封廠家,無論是外資還是國有,設(shè)計階段和現(xiàn)場實際情況都有脫節(jié),很多現(xiàn)場實際參數(shù)與設(shè)計參數(shù)不一樣,這也就是多數(shù)密封泄漏的原因所在。API 682—2014推出后,標準里面對于密封及其輔助系統(tǒng)的要求也越來越清晰,很多設(shè)計參數(shù)對比老版本都有了較大改變。

        隨著社會形態(tài)的發(fā)展,人們越來越注重安全生產(chǎn),觀念已經(jīng)從節(jié)約成本逐漸衍變?yōu)榇_保安全。PLAN54密封方案是國內(nèi)首次應(yīng)用在渣油加氫裝置高壓進料泵上, 處于應(yīng)用的初級階段, 在開工和運行過程中遇到了種種難題, 通過不懈的努力和不斷的摸索、 思考、 實踐, 最終形成了一套具有實際意義的密封改造方案, 達到了延長密封使用壽命的目的, 為裝置的長周期安全運行提供了保障, 也為同類裝置密封的設(shè)計選型提供了參考。

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