靜國榮

(中國石化上海石油化工股份有限公司芳烴部，上海 200540)

0 引 言

加氫裂化裝置是石油化工行業(yè)的重要加工生產(chǎn)裝置，其應(yīng)用是在一定的穩(wěn)定度和氫壓下，通過催化劑的催化作用，使原料油與氫氣進行反映進而提高油品質(zhì)量、得到目標(biāo)產(chǎn)品。加氫裂化進料泵作為其核心重要設(shè)備是保證裝置長期安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。加氫進料泵的特點是：流量大，要求操作平穩(wěn)；出口壓力高、揚程大，通常為多級離心泵；對泵及輔助系統(tǒng)的可靠性要求高。

加氫裂化進料泵GA101于1984年10月投入上海石化公司使用。原設(shè)計采用的單端面彈簧密封，介質(zhì)中含有H2S、溫度近120 ℃，轉(zhuǎn)速近6 000 r/min，在運行中密封易泄漏，使用壽命短。因介質(zhì)中硫化氫含量較高，在泵運行中，密封的泄漏會造成環(huán)境污染以及對操作人員造成健康損害。

針對上述加氫裂化進料泵密封易泄漏，使用壽命短的問題，筆者提出了密封設(shè)計改造方案，采用雙端面機械密設(shè)計，分析了方案實施的要點，為相關(guān)改造設(shè)計提供參考。

1 改造方案分析

1.1 運行狀況及存在問題

上海石化芳烴部2#芳烴加氫裂化裝置GA-101是加氫新鮮進料泵，該泵BYRONJACKSON公司設(shè)計制造，型號為3×101/4HDO，結(jié)構(gòu)形式為BB5,10級離心泵。介質(zhì)為減壓柴油，軸功率1 175 kW，額定流量145 m3/h，吸入壓力2.1Bar，排出壓力183.7Bar。原設(shè)計采用的單端面彈簧密封，介質(zhì)中含有H2S、溫度近120 ℃，轉(zhuǎn)速6 000 r/min，在高速運轉(zhuǎn)過程中容易造成泄漏，使用壽命短，并且硫化氫含量較高，在泵運行中，密封的泄漏會造成環(huán)境污染以及對操作人員造成健康損害。因此，采用機械密封方式是決定進料泵能夠可靠、穩(wěn)定、安全運行的關(guān)鍵。

原單端面彈簧密封在使用一段時間后發(fā)生泄漏，問題主要表現(xiàn)在動環(huán)端面以及內(nèi)側(cè)結(jié)焦非常嚴(yán)重，如圖1、2所示。由于單端面機械密封的安全系數(shù)低，當(dāng)密封失效時，高溫柴油會立即泄漏到環(huán)境當(dāng)中從而對環(huán)境造成影響，嚴(yán)重的甚至?xí)鸹馂?zāi)、爆炸、人員傷亡等重大安全事故[1]?；谠媳眠\行的安全及穩(wěn)定性考慮，對泵的單端面的機械密封進行改造，采用雙端面機械密封是主要的改進方式。

圖1 動環(huán)端面結(jié)焦圖 圖2 動環(huán)內(nèi)側(cè)結(jié)焦圖

根據(jù)配置輔助系統(tǒng)的不同，雙端面密封又可以劃分為有壓雙封和無壓雙封，因而參考加氫進料泵工況來選定密封的輔助系統(tǒng)。

1.2 輔助系統(tǒng)介紹和沖洗方案選定

機械密封的輔助系統(tǒng)是密封極其重要的組成部分，為密封的運行創(chuàng)造更有利的環(huán)境具有良好的潤滑性、散熱性、調(diào)節(jié)密封腔壓力等優(yōu)點，是決定進料泵能夠可靠、穩(wěn)定、安全運行的關(guān)鍵。若輔助系統(tǒng)選擇合理，則密封結(jié)構(gòu)的選擇就相對簡單且多樣化。

為防止高溫柴油介質(zhì)泄漏到大氣中，需要用相對安全穩(wěn)定的隔離液作為密封的潤滑液，即采用有壓雙端面密封，兩對端面之間的壓力大于密封腔的壓力。當(dāng)介質(zhì)側(cè)密封泄漏時，隔離液泄漏到密封腔內(nèi)；當(dāng)大氣側(cè)密封泄漏時，隔離液往大氣側(cè)泄漏。無論哪一側(cè)的密封泄漏，泄漏的總是隔離液，從而保證透平介質(zhì)的“零泄漏”[2]，兼顧安全與環(huán)保。經(jīng)過綜合分析此進料泵的沖洗方案如圖3所示。

圖3 沖洗方案1.隔離液加注口 2.囊式蓄能器 3.囊式蓄能器充氣口 4.沖洗口(F) 5.隔離液出口(LBO) 6.隔離液入口(LBI) 7.密封腔8.排氣口 9.隔離液排液口 10.閥門(用于檢測蓄能器)

在沖洗方案中，由囊式蓄能器加壓的隔離液系統(tǒng)為抑制液密封腔提供清潔的隔離液。隔離液的設(shè)置壓力必須高于密封腔的工作壓力。隔離液采用螺旋套循環(huán)裝置進行循環(huán)。沖洗時，隔離液的壓力是通過囊式蓄能器來維持的。囊式蓄能器的存在避免了用于加壓的氣體與隔離液直接接觸，從而避免了加壓氣體被隔離液吸收，使密封可以用于高壓操作工況。蓄能器應(yīng)先充入加壓氣體，然后再充入隔離液，通過隔離液壓縮氣囊使蓄能器達到操作壓力。內(nèi)、外側(cè)密封的泄漏會導(dǎo)致隔離系統(tǒng)壓力降低，因而蓄能器的初始充入壓力應(yīng)該稍高于所需要的壓力，并且當(dāng)密封泄漏時使蓄能器的壓力降到系統(tǒng)的最小許用壓力時，應(yīng)對系統(tǒng)重新加注隔離液，使隔離液工作體積達到最大。只有排出管路和密封冷卻器中的氣體和氣泡，沖洗方案才能實現(xiàn)有效的流動。因此啟動時，排除系統(tǒng)中的氣體對系統(tǒng)的正常操作至關(guān)重要。

2 密封結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計

2.1 進料泵雙端面密封結(jié)構(gòu)分析

加氫進料泵的密封方式主要取決于溫度和轉(zhuǎn)速。加氫進料泵工作時密封腔壓力不高，但溫度達到110～120 ℃，它的運行轉(zhuǎn)速則高達5 918 r/min。在此壓力和溫度下，彈簧式密封和波紋管密封之間選擇優(yōu)先考慮彈簧式密封結(jié)構(gòu)。又因為轉(zhuǎn)速高的原因(密封端面的線速度超過23 m/s) ，軸速度很高時，需要很大的閉合力才能保持密封端面的閉合，否則密封可能出現(xiàn)泄漏超標(biāo)的問題，而很大的閉合力又可能影響密封使用壽命。則當(dāng)此情況宜選擇靜止式補償組件結(jié)構(gòu)密封，如圖4所示。

圖4 進料泵雙端面密封結(jié)構(gòu)

正常工作情況下介質(zhì)側(cè)密封只需要承受較小的外壓工作壓力。但是，在靜壓情況下密封可能需要承受較大壓差；同時，當(dāng)密封腔壓力波動、外側(cè)密封失效或系統(tǒng)出現(xiàn)故障情況下，密封需要承受反壓。因此，要求介質(zhì)側(cè)密封既能承受較高正壓，還需要具備承受反壓的能力，如圖5所示。

圖5 雙向平衡型內(nèi)封結(jié)構(gòu)圖

2.2 密封材料的選擇

密封由若干零件組成，組成密封的零件所用的材料大致分為四類，即摩擦副組對的材料、輔助密封圈的材料、彈性元件的材料及其他結(jié)構(gòu)件的材料。為確保密封的摩擦副具有較長的使用壽命[3]、良好的密封性能以及高的可靠性，摩擦副組對的材料需具有耐磨性、耐腐蝕性、良好的耐熱性和自潤滑性[4]等特點。同時考慮介質(zhì)的特性、溫度等因數(shù)，摩擦副材料選擇進口的浸金屬石墨與碳化硅的組對。其機械性能參數(shù)見表1所列，碳化硅是一種具有優(yōu)異耐磨性的材料，其中含有的游離硅可減少端面的摩擦及磨損，其機械性能參數(shù)見表2所示。

表1 石墨機械性能參數(shù)

表2 碳化硅機械性能參數(shù)

(1) 輔助密封圈。根據(jù)輔助密封圈的作用，要求其具有良好的彈性、較低的摩擦系數(shù)、能耐介質(zhì)的腐蝕溶脹、耐老化[5]。在壓縮之后及長期工作中具有較小的永久變形量，在高溫下使用不黏著，低溫下不硬脆失彈，在高壓時需要有抗爆性。根據(jù)這些特征及介質(zhì)工況，考慮到介質(zhì)的溫度、腐蝕性等，選擇全氟醚橡膠，即FFKM。目前最常用的全氟醚橡膠材料為杜邦公司的Kalrez，其在石油化工領(lǐng)域有著極其多的成功應(yīng)用案例，使用效果穩(wěn)定。其常用牌號的數(shù)據(jù)表見表3。綜合考慮表3中Kalrez橡膠各牌號的耐熱標(biāo)準(zhǔn)、永久變形量、拉伸強度等各種性能參數(shù)，本進料泵介質(zhì)側(cè)選用的是Kalrez6375的全氟醚橡膠作為密封的輔助密封圈。

表3 FFKM(Kalrez) 橡膠的性能參數(shù)

(2) 彈簧。彈簧的材料要求強度高、耐疲勞、耐腐蝕及長期工作不降低或失去彈性，Hast.C是一種鎳鉻鉬合金，具有良好的耐腐蝕性與熱穩(wěn)定性，為API682標(biāo)準(zhǔn)推薦的用于小彈簧密封的彈簧材料。經(jīng)過測試，按照表4所列參數(shù)設(shè)計出的彈簧的彈力誤差范圍在8%以內(nèi)，在正常工作中不存在屈服變形的情況，因此選擇Hast.C作為彈簧材料。

表4 Hast.C的性能參數(shù)

2.3 設(shè)計計算及校核(大氣側(cè)密封)

(1) 密封端面寬度

(1)

式中:d2：密封端面外徑，mm；d1：密封端面內(nèi)徑，mm。

(2) 平衡系數(shù)B

(2)

式中:de為密封平衡直徑，mm。結(jié)合介質(zhì)側(cè)密封工作參數(shù)，取b=3 mm。結(jié)合介質(zhì)側(cè)密封工作參數(shù)，取B=0.6～0.8。進料泵密封處平衡直徑de=105 mm。

根據(jù)以上參數(shù)，聯(lián)解式(1)、(2)并圓整后得：

d1=103 mm，d2=109 mm

驗算:將d1、d2的值帶入式(2)可得：

B=0.67

(3) 彈簧比壓Ps

(3)

式中:Fs為單個彈簧處于工作高度時的彈力；Ns為彈簧個數(shù)，12個；A為密封端面面積,mm2；結(jié)合介質(zhì)側(cè)密封工作參數(shù)，Ps的取值范圍為0.1～0.2 MPa,取Ps≈0.16 MPa。

3 改造應(yīng)用效果

上海石化芳烴部加氫裂化進料泵密封改造實際運行情況證明了雙端面機封使加氫裂化進料泵在高溫、高速、高腐蝕介質(zhì)下能保持可靠、安全、穩(wěn)定的運行，極大的提高了加氫進料泵的使用壽命。原來單端面機封的使用壽命為5000 h，而雙端面機封的使用壽命延長到20000小時。雙端面機封的使用降低了介質(zhì)泄漏量，減少了介質(zhì)對空氣的污染，降低了發(fā)生爆炸的可能性。一套雙端面機封在此套裝置中的使用壽命是原來的4倍，而兩者價格相差不到2倍，大大的節(jié)約了使用成本。降低機封的更換頻率，解決了機

封更換使整個裝置停產(chǎn)帶來的人力、時間等成本問題，提高了裝置的產(chǎn)能，為保質(zhì)保量、促進綠色安全生產(chǎn)提供了技術(shù)保障。

4 結(jié) 語

當(dāng)前石化行業(yè)面臨越來越大的環(huán)保及安全壓力，進料泵密封一旦失效，導(dǎo)致高溫、易燃介質(zhì)外泄，不僅會威脅到現(xiàn)場人員的健康、安全，甚至?xí)?dǎo)致嚴(yán)重的安全事故、環(huán)境污染，因此加氫進料泵機械密封的輔助系統(tǒng)選擇及密封的可靠性、安全性顯得尤為重要。雙端面機械密封使加氫裂化進料泵在高溫、高速、高腐蝕介質(zhì)下為可靠、安全、穩(wěn)定運行，極大的提高了加氫裂化進料泵的使用壽命，并為我們更多類似工況密封選型提供了寶貴的經(jīng)驗。