任寶杰，王彬，王民中，郝木明

（1.東營海森密封技術有限責任公司，山東東營 257000；2.中石油華東設計院有限公司，山東青島 266071；3.中海油石化工程有限公司，山東青島 266101；4.中國石油大學（華東）密封技術研究所，山東青島 266580）

API 682標準自1994年由美國石油協(xié)會（API）推出以來，在全球石油化工行業(yè)以離心泵為主的旋轉泵類用機械密封及其系統(tǒng)設計、制造、驗收等方面逐漸被廣泛應用，尤其是第四版，針對泵用密封提供的各種沖洗系統(tǒng)基本實現(xiàn)了石油化工各類泵使用工況的全覆蓋，幾乎臻于完善，目前已成為國內(nèi)石油化工行業(yè)的“金標準”，國內(nèi)大部分標準、書籍等均對其直接引用、推廣普及[1-4]。

但在國內(nèi)各類石油化工裝置泵群密封實際應用過程中，由于裝置建造時間早晚、資金投入多少、用戶使用偏好、泵及密封廠家水平高低等原因，導致諸多參照API 682標準選用的泵用密封沖洗系統(tǒng)不能有效解決現(xiàn)場問題[5-7]。本文針對石化裝置常見的泵用濕封沖洗系統(tǒng)選用及優(yōu)化進行探討，總結出基于API 682標準沖洗方案的具體應用要點。

1 沖洗系統(tǒng)方案具體應用要點

沖洗系統(tǒng)方案是指對密封進行直接冷卻、沖洗的方式，沖洗流體直接與介質(zhì)相連通。在石化裝置中常用的典型方案有Plan 11、Plan 21、Plan 23、Plan 31和Plan 32。

1.1 Plan 11 正向旁通自沖洗

Plan 11方案沖洗液進入密封腔靠近機械密封端面處沖洗端面，然后穿過密封腔回流到泵腔體內(nèi)，是默認的單封或雙封內(nèi)側密封沖洗方案。選取時需注意：對于高揚程泵需要根據(jù)沖洗量和汽化裕量，計算確定合適的孔板個數(shù)、直徑以及喉口襯套間隙，不能簡單地選取孔徑3 mm的單孔板；對于較低揚程泵，需要詳細核算流程阻力，避免出現(xiàn)沖洗量不足的情況，如有必要，可在密封旋轉件上增加軸向泵送裝置以提高沖洗量；在易汽化介質(zhì)或摩擦熱較多的高PV值場合應該采用多孔沖洗。

1.2 Plan 21 帶換熱器正向自沖洗

Plan 21方案從泵出口引入沖洗液，經(jīng)換熱器進入密封腔靠近機械密封端面處沖洗端面，然后穿過密封腔回流到泵腔體內(nèi)。選取時需注意：換熱器管程為工藝介質(zhì)，殼程為冷卻水；換熱器常用水冷盤管換熱器，國內(nèi)產(chǎn)品多為立式安裝，國外進口產(chǎn)品多為臥式安裝，一般來講區(qū)別不大，但是如果臥式安裝采用蛇形盤管方式可以實現(xiàn)管程的高點排空、低點排凝；冷卻器可采用風冷型式，有條件時增加強制風冷裝置；需保證冷卻后液體溫度，太高不利于冷卻，太低可能會導致晶體析出或黏度變大，尤其是高揚程泵，可在管路上增加API 682標準中未提及的閥門和壓力表，在設備運轉期間通過操作閥門觀測壓力表讀數(shù)，確定出較為準確的沖洗量并調(diào)節(jié)；使用時需要先通冷卻水，避免熱介質(zhì)進入換熱器產(chǎn)生熱應力；對于高溫泵停車期間可能存在熱虹吸產(chǎn)生的沖洗流動，此現(xiàn)象為正常現(xiàn)象，可不予處理。

圖1 改進后的Plan 21 流程圖Fig.1 Flow chart of improved Plan 21

1.3 Plan 23 介質(zhì)循環(huán)沖洗

Plan 23方案是從密封腔內(nèi)的泵送環(huán)通過冷卻器回到密封腔的循環(huán)。選取時需注意：該方案更適用于較低黏度介質(zhì)，高溫原油、油漿、渣油、蠟油等工況慎用；設計時建議參考泵裝置特性圖H-Q及h-Q曲線，制定Plan 23系統(tǒng)專用H/h-Q曲線并按照其進行泵送環(huán)和管路設計，保證使用時能夠到達所需沖洗流量；H-Q和h-Q曲線可采用試驗測試擬合得出；啟動前必須頂端排氣，若介質(zhì)屬于易汽化介質(zhì)，應增大冷卻水量并保證比較小的喉口襯套間隙；冷卻水要求采用軟化水，流速控制在1.5～2.5 m/s之間，最高進口溫度不超過32℃，最高出口溫度不超過49℃，以免結垢。

圖2 用于Plan 23方案的H/h-Q曲線示例Fig.2 Example graph of H/h-Q for Plan 23

1.4 Plan 31 帶旋液分離器正向自沖洗

Plan 31方案是從泵的出口通過旋液分離器把潔凈的液體輸送到密封腔的循環(huán)過程，固體顆粒被送到泵的入口管線。該方案并不能有效地防止固體顆粒對密封的影響，更多時候是工程公司在新項目設計時為開車運行期間所做的臨時措施而被采用。

1.5 Plan 32 注入式?jīng)_洗

Plan 32方案是將沖洗液從外部引入，沖洗密封端面后，進入泵腔體。選取時需注意：沖洗流量除滿足冷卻需求以外，還應根據(jù)喉口襯套間隙計算間隙中流速，流速一般不低于1 m/s，避免泵內(nèi)介質(zhì)竄入密封腔；API 682中將壓力表作為必選項，流量計作為可選項，在實際使用過程中流量計的作用更大于壓力表，建議在方案選取時將流量計作為必選，以便直觀監(jiān)測流量大小，避免過大造成浪費，過小無法滿足正常需求；目前大部分石化企業(yè)多采用散件供貨，建議設計時可將Plan 32 集裝式供貨，現(xiàn)場安裝、操作更為簡便、整潔。

圖3 現(xiàn)場集裝式供貨的Plan 32系統(tǒng)圖Fig.3 System diagram Plan 32 for integrated supply

1.6 密封腔壓力估算

沖洗系統(tǒng)因與密封腔之間相連，故密封腔壓力與系統(tǒng)參數(shù)設計息息相關，本文提供了一種較符合現(xiàn)場實際工況的密封腔壓力估算方法，可供設計時參考，具體計算方法見表1。

表1 密封腔壓力估算表Tab.1 Estimation table of seal chamber pressure

2 循環(huán)沖洗系統(tǒng)方案具體應用要點

循環(huán)沖洗系統(tǒng)方案是指配套于雙端面密封之間的沖洗方式，沖洗流體與介質(zhì)由內(nèi)側密封隔開。在石化裝置中常用的典型方案有Plan 52、Plan 53A、Plan 53B、Plan 54。

2.1 Plan 52儲罐緩沖液循環(huán)沖洗

Plan 52方案中外部儲液罐為布置方式2 密封提供緩沖液。選取時需注意：API 682中要求系統(tǒng)頂部閥常開，管線排空或者接入火炬管網(wǎng)，但在實際使用過程中部分客戶將頂部閥門關死，內(nèi)側密封一旦存在泄漏，罐內(nèi)壓力將持續(xù)上漲，雖不推薦如此使用，但多數(shù)情況下壓力達到某一數(shù)值后能夠保持穩(wěn)定，需要注意的是雖然工程上常將Plan 52 稱之為無壓罐，但實際上仍應按照帶壓容器和管道進行設計制造；壓力變送器和液位變送器也可用壓力開關和液位開關代替，壓力一般可取0.1 MPa 高報，液位一般只設置低報，根據(jù)客戶要求可設置高報。

2.2 Plan 53A儲罐阻塞液循環(huán)沖洗

Plan 53A方案外設加壓隔離液儲罐為布置方式3 密封提供潔凈的液體。選取時需注意：一般氮氣壓力不超過1 MPa，避免氮氣在油的溶解度過大；API 682中頂部僅設置一個通斷閥門，而實際應用中客戶所提供的氮氣壓力與所需壓力常不匹配，因此頂部管線上設置氣體減壓閥應作為一個必選項；在部分低轉速、小軸徑泵配套Plan 52系統(tǒng)上未接冷卻水，僅靠管線和罐體散熱，實際應用中也能滿足正常需求，因此在不具備冷卻水現(xiàn)場，可仔細核算密封發(fā)熱量，并考慮在管線增加翅片等方式滿足使用需求；壓力變送器和液位變送器也可用壓力開關和液位開關代替，壓力一般可取密封腔壓力+0.14 MPa 低報，液位一般只設置低報。

圖4 建議的Plan 53A 流程圖Fig.4 Flow chart of improved Plan 53A

2.3 Plan 53B儲罐阻塞液循環(huán)沖洗

Plan 53B方案預先加壓的氣囊儲壓器提供壓力給循環(huán)系統(tǒng)，用于布置方式3的密封。選取時需注意：API 682 附錄F 提供了充氣壓力和隔離液充注壓力的計算方法，如果完全按照該推薦方法進行計算，密封腔壓力較高時會存在外側密封承壓較高的問題，圖5給出了密封腔壓力為2 MPa的算例，隔離液壓力達到了3.6 MPa，因此給外側密封增加了很大負擔，結合多年工程經(jīng)驗，建議密封腔壓力高于0.5 MPa時不推薦采用標準中的算法進行計算；當密封腔壓力較高時，本文提供一種簡便的計算方法：0℃時預充氣壓力為0.8倍密封腔壓力，25℃時預充氣壓力為0.87倍密封腔壓力，其余溫度下預充氣壓力可利用插值法計算得到，固定報警壓力取密封腔壓力+0.14 MPa，隔離液壓力取1.2倍固定報警壓力+0.05 MPa，該方案在壓力較低時使用，會存在囊式蓄能器有效容積浪費的問題；尤其是在新項目開車前補液時，若用手動補液泵補液，效率非常低，而且可能會消耗其使用壽命，因此補液泵管線上建議增加補液車接口；雖然存在囊式蓄能器內(nèi)幾乎無液，突然內(nèi)側密封失效，介質(zhì)竄入囊式蓄能器內(nèi)損傷橡膠的可能，但這種事件概率極低，在正常設計過程中可不予考慮，因此對于冷卻器的安裝位置并無特殊要求。

表2 按照附錄F 計算的Plan 53B系統(tǒng)相關壓力Tab.2 Pressure of Plan 53B according to appendix F

2.4 Plan 54外加系統(tǒng)阻塞液循環(huán)沖洗

Plan 54方案是由外部加壓和循環(huán)系統(tǒng)提供潔凈液體給布置方式3的密封，其與Plan 55類似，僅是加壓壓力比密封腔壓力高或低的區(qū)別。選取時需注意：Plan 54方案有著比Plan 53系列更好的沖洗冷卻性能，因此在僅考慮密封效果而言，優(yōu)先推薦Plan 54方案，通常為一帶多，但該方案存在不同泵所需沖洗量不一致，一臺泵內(nèi)側密封泄漏后不易判斷等問題，本文建議采用如圖5所示流程，流量計準確顯示每臺密封的沖洗量，如果發(fā)現(xiàn)油站液位不正常下降，可通過關閉每臺密封進出口閥門觀察壓力表示數(shù)值變化來進行判斷。

圖5 建議的Plan 54 流程Fig.5 Flow chart of improved Plan 54

2.5 換熱器面積的確定

在Plan 53B、Plan 23、Plan 21方案中一般均配有水冷換熱器，API 682中給出了一些計算條件。本文根據(jù)多年工程經(jīng)驗，給出了根據(jù)介質(zhì)溫度和軸徑選用換熱器面積的圖表，如圖6和圖7所示，可供工程設計參考。

圖6 適用于Plan 21的換熱器面積選擇圖Fig.6 Heat exchanger selection chart of Plan 21

圖7 適用于Plan 23和Plan 53B的換熱器面積選擇圖Fig.7 Heat exchanger selection chart of Plan 23 and Plan 53B

3 冷卻沖洗系統(tǒng)方案具體應用要點

冷卻沖洗系統(tǒng)方案是指用于機械密封與大氣之間的沖洗方式，會有少量沖洗流體排入大氣環(huán)境。在石化裝置中典型方案是Plan 62，該方案在高溫泵密封上最為常見，能夠有效延長整個密封的使用壽命。由于外側僅靠碳環(huán)等節(jié)流密封進行封堵，存在少量冷卻水排到現(xiàn)場的情況，目前有被各個石化企業(yè)逐漸放棄的趨勢。但從保證密封效果而言，建議保留Plan 62系統(tǒng)，若軸向空間足夠，可將碳環(huán)節(jié)流密封替換為短型機械密封組件。

4 結束語

機械密封沖洗方案的合理選擇與正確調(diào)整對泵用密封長周期穩(wěn)定運行至關重要，但各石化裝置公用條件、泵工況等復雜多變，各廠家設計、制造、維護水平不同，想要對每一臺密封選配最優(yōu)的沖洗方案不能僅依靠滿足API標準規(guī)定，應具備相當豐富的工程經(jīng)驗和扎實的理論基礎，并做到因時制宜、因地制宜。本文對常用的沖洗方案給出了一些關鍵的常用的經(jīng)驗，并給出了一些依據(jù)API 682標準做出的優(yōu)化調(diào)整方案，希望能給工程設計人員提供一些有益參考。