胡偉杰

(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

某焦化裝置穩(wěn)定塔頂回流泵，在運(yùn)行過程中其干氣密封平均使用壽命約為6個(gè)月，嚴(yán)重影響了設(shè)備的長(zhǎng)周期運(yùn)行，經(jīng)過故障失效原因分析，將機(jī)封沖洗流道和密封端面結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改造，顯著提高了機(jī)封運(yùn)行穩(wěn)定性，機(jī)封使用壽命延長(zhǎng)至24個(gè)月以上。

1 塔頂回流泵基本運(yùn)行工況信息

介質(zhì)：液化氣(含H2S)

溫度：40～50 ℃

入口壓力：0.9～1.2 MPa

出口壓力：1.7 MPa

轉(zhuǎn)速：2950 rpm

機(jī)封型式：串聯(lián)式干氣密封

密封布置方案：11+72+76

緩沖流體：氮?dú)?.2 MPa

2 泵用串聯(lián)式干氣密封的特點(diǎn)

泵用串聯(lián)式干氣密封是將普通接觸式機(jī)械密封與干氣密封串聯(lián)在一起組合使用，機(jī)械密封為一級(jí)主密封，干氣密封為二級(jí)次密封。使用過程中要在機(jī)械密封與干氣密封之間通入密封氣(通常為氮?dú)?，這樣使機(jī)械密封后具有一定的背壓，這樣可以減少一級(jí)密封端面液膜介質(zhì)汽化的程度，極大地延長(zhǎng)了機(jī)械密封的使用壽命；當(dāng)一級(jí)機(jī)械密封發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏的工藝介質(zhì)會(huì)隨著充入的密封氣一起排入火炬，保證了工藝介質(zhì)不會(huì)向大氣泄漏；一級(jí)機(jī)械密封失效后，二級(jí)的干氣密封可以在短時(shí)間內(nèi)起到主密封作用，防止工藝介質(zhì)向大氣大量泄漏。這種串聯(lián)式的泵用干氣密封主要應(yīng)用在易揮發(fā)介質(zhì)、對(duì)密封氣壓力要求不高的場(chǎng)合[1]。

為保證串聯(lián)式干氣密封的可靠運(yùn)行，干氣密封均配備了相應(yīng)的控制系統(tǒng)，用來為干氣密封提供干燥、清潔的密封氣，同時(shí)還要對(duì)機(jī)械密封是否出現(xiàn)泄漏進(jìn)行監(jiān)控。干氣密封兩個(gè)密封端面間形成的氣膜厚度在2～3 μm左右，如果充入的密封氣中帶液或含有直徑大于3 μm的雜質(zhì)顆粒，就會(huì)破壞密封端面間氣膜的形成，進(jìn)而影響密封性能。因此必需要求密封氣滿足一定的清潔度，才能保證干氣密封的正常運(yùn)行[2]。對(duì)各級(jí)密封泄漏的監(jiān)測(cè)控制，在11+72+76方案中是通過對(duì)干氣密封泄漏排氣管線上的氣體壓力的監(jiān)視而實(shí)現(xiàn)對(duì)密封泄漏的監(jiān)控。當(dāng)干氣密封泄漏管線上的壓力高于一定值時(shí)，安裝在泄漏管線上壓力開關(guān)發(fā)出高報(bào)警信號(hào)，這說明主密封泄漏過大，可能出現(xiàn)問題；當(dāng)泄漏管線上的壓力低于一定值時(shí)，壓力開關(guān)發(fā)出低報(bào)警信號(hào)，說明密封氣進(jìn)氣壓力過低或二級(jí)干氣密封泄漏過大。但壓力表值突然的大幅波動(dòng)，也有可能是軸的振動(dòng)或工藝波動(dòng)引起，此時(shí)需要進(jìn)行排查[3]。

3 失效形式及原因分析

故障現(xiàn)象：機(jī)封運(yùn)行過程中，出現(xiàn)異常尖叫聲，拆檢發(fā)現(xiàn)一級(jí)密封磨損較大，機(jī)封壽命短，運(yùn)行6個(gè)月左右就出現(xiàn)泄漏。

原因分析：有尖叫聲說明存在干摩擦，而導(dǎo)致干摩擦的原因是密封端面的液膜或氣膜遭到破壞，難以形成連續(xù)、穩(wěn)定的流體膜。通過拆檢情況分析，從密封端面材質(zhì)自身特性和存在過熱兩個(gè)方面查找原因。

3.1 密封端面材質(zhì)選型問題

因液化氣類介質(zhì)自身沸點(diǎn)低，易氣化，而且密封腔內(nèi)壓力較高，密封端面摩擦也會(huì)產(chǎn)生大量熱量，使汽化更容易發(fā)生，造成氣液兩相同時(shí)存在。該密封屬于輕烴泵專用密封，干氣密封旋轉(zhuǎn)環(huán)和靜止環(huán)組對(duì)和機(jī)械密封摩擦副組對(duì)材質(zhì)均為碳石墨，干氣密封和機(jī)械密封的輔助密封圈均采用氟橡膠，這種摩擦副材料的選用, 是具有成熟的應(yīng)用性和可靠性；第一道機(jī)械密封的端面選用進(jìn)口優(yōu)質(zhì)石墨，耐磨損，能夠適應(yīng)氣液兩相的運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境，機(jī)封廠家有同工況穩(wěn)定運(yùn)行案例，因此排除密封圈和端面材質(zhì)選型問題[4]。

3.2 密封沖洗量不夠問題

現(xiàn)場(chǎng)如果PLAN11 沖洗量不夠，會(huì)導(dǎo)致密封腔的熱量無法被及時(shí)帶走，導(dǎo)致熱量積聚，密封面溫度升高，氣相變多，液相變少，磨損加劇，造成端面短期內(nèi)過度磨損。如果密封腔內(nèi)的介質(zhì)壓力接近介質(zhì)飽和蒸汽壓的，再加上端面摩擦發(fā)熱的影響，介質(zhì)在端面間更容易發(fā)生汽化，這種接近飽和蒸汽壓的運(yùn)行工況條件對(duì)機(jī)封的性能本身也是考驗(yàn)。機(jī)封運(yùn)行過程中出現(xiàn)的尖叫聲說明存在這種現(xiàn)象。

4 優(yōu)化改造方案

針對(duì)機(jī)封發(fā)熱和沖洗量不夠的問題，采取了以下優(yōu)化改造措施：

圖1 圖中圓圈內(nèi)加粗部分為優(yōu)化沖洗流道Fig.1 The bold part in the circle is the optimized flushing channel

(1)加大沖洗量。密封腔中的溫度過高會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)汽化，而汽化及高溫會(huì)引起機(jī)封密封元件變形，直致密封失效。設(shè)置冷卻沖洗的目的就是將密封運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的過多熱量帶走。密封腔中熱量將原PLAN11 支路上限流孔板的孔徑加大，使PLAN11對(duì)密封的沖洗量提高，加速介質(zhì)在泵腔內(nèi)循環(huán)散熱。

(2)優(yōu)化機(jī)封內(nèi)部的沖洗流道及冷卻方式。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

(3)優(yōu)化密封環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)，控制端面發(fā)熱量。密封腔中熱量的來源包括密封端面摩擦產(chǎn)生的熱量、介質(zhì)剪切產(chǎn)生的熱量；由旋轉(zhuǎn)的密封元件引起的紊流而產(chǎn)生的熱量、由泵經(jīng)密封腔和軸傳導(dǎo)的熱量。其中密封端面上產(chǎn)生的熱量：

Q=(Tr×n)/9550，Tr=pcAf(Dm/2000)

式中，n為轉(zhuǎn)速，r/min；Tr為密封端轉(zhuǎn)矩；pc為端面比壓，MPa；A為端面面積，mm2；f為端面摩擦系數(shù)；Dm為端面平均直徑，mm。

對(duì)于不銹鋼軸套和壓蓋的鋼結(jié)構(gòu)泵，一個(gè)保守的熱量吸收估算公式Qs(J/s)：

Qs=0.249S×ΔT

(1)

式中：S為有效的密封直徑，mm；ΔT為泵送溫度與密封腔溫度之差，℃。

機(jī)封廠家根據(jù)計(jì)算，優(yōu)化了機(jī)械密封的端面尺寸，保證在有沖洗作用下其端面發(fā)熱量不超過介質(zhì)對(duì)應(yīng)壓力下飽和蒸汽壓產(chǎn)生汽化的溫升，避免介質(zhì)汽化[5]。

圖2 端面溫度分布Fig.2 End temperature distribution

5 結(jié) 論

經(jīng)過優(yōu)化改造的機(jī)封，加大了PLAN11密封液沖洗量，有效控制了第一級(jí)機(jī)械密的密封端面發(fā)熱量，避免泵送介質(zhì)氣化，造成動(dòng)靜環(huán)密封面干摩擦，使密封運(yùn)行環(huán)境得到改善；同時(shí)通過對(duì)密封端面結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，控制端面發(fā)熱量，顯著提高了機(jī)封運(yùn)行穩(wěn)定性，機(jī)封使用壽命延長(zhǎng)至24個(gè)月以上。