王越(中國(guó)石油化工股份有限公司茂名分公司，廣東 茂名 525000)

1 概述

茂名石化乙二醇裝置采用荷蘭Shell公司專利技術(shù)，以乙烯和氧氣為原料，生產(chǎn)高純度環(huán)氧乙烷、纖維級(jí)乙二醇及二乙二醇和三乙二醇產(chǎn)品。裝置始建于1993年，1996年9月投產(chǎn)。原設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力10萬(wàn)噸當(dāng)量乙二醇，環(huán)氧乙烷生產(chǎn)能力為1.6萬(wàn)噸/年。2005年10月擴(kuò)能改造后，年生產(chǎn)能力13萬(wàn)噸當(dāng)量乙二醇，環(huán)氧乙烷生產(chǎn)能力為4.0萬(wàn)噸/年。2008年12月再次擴(kuò)能改造后，年生產(chǎn)能力15萬(wàn)噸當(dāng)量乙二醇，環(huán)氧乙烷生產(chǎn)能力為8.0萬(wàn)噸/年。

碳酸鹽泵P-202(BB2型)為英格索蘭生產(chǎn)，于1996年投用，是茂名石化乙二醇裝置的一臺(tái)非常重要的機(jī)泵，是CO2吸收系統(tǒng)的貧碳酸鹽吸收液循環(huán)泵，其運(yùn)行穩(wěn)定性直接影響循環(huán)氣系統(tǒng)的CO2吸收效果及裝置的平穩(wěn)生產(chǎn)。碳酸鹽泵P-202工藝流程圖如圖1所示。

圖1 碳酸鹽泵P2O2工藝流程圖

該泵原采用API PLAN 21的密封沖洗形式，密封形式為單端密封，后因泄漏頻繁，每年平均6次，每次維修成本約8 000元。在2014年將單端密封改造為雙端密封，沖洗形式為API PLAN 21+52，但密封使用壽命仍無(wú)法保證，平均每年維修4次，每次維修成本約13 000元，無(wú)法達(dá)到10個(gè)月檢修一次的密封使用壽命標(biāo)準(zhǔn)。我們通過(guò)對(duì)密封失效原因及工藝介質(zhì)特性進(jìn)行了綜合分析，并于2017年11月對(duì)密封沖洗形式和O圈材質(zhì)進(jìn)行了改造(改為API PLAN 11+32+53B)和更換(由原來(lái)的氟橡膠更換為全氟醚橡膠6375)[1]，改造后機(jī)械密封使用效果良好，未發(fā)生泄漏，取得了滿意成果。碳酸鹽泵性能參數(shù)如表1所示。

表1 碳酸鹽泵性能參數(shù)

2 問題及原因分析

2.1 問題

碳酸鹽泵P-202在運(yùn)行過(guò)程中較為平穩(wěn)，其輸送介質(zhì)為碳酸鹽溶液(溶液組成如表2所示)。由于介質(zhì)具有污染性、有毒性，所以在機(jī)械密封的選用上由原來(lái)的單端密封更改為兩套解析密封串聯(lián)使用的雙端密封。密封沖洗形式也由原來(lái)的API PLAN 21變更為API PLAN 21+52。但變更后密封使用壽命仍無(wú)法達(dá)到有效延長(zhǎng)，通過(guò)檢修發(fā)現(xiàn)機(jī)械密封發(fā)生泄漏的部位主要為動(dòng)靜環(huán)端面和O圈處，損壞情況如圖2所示。

表2 脫碳溶液組成

圖2 動(dòng)靜環(huán)端面和O圈處損壞情況

2.2 原因分析

2.2.1 工藝介質(zhì)特性

為脫除環(huán)氧乙烷生產(chǎn)裝置副反應(yīng)生成的二氧化碳，裝置采用碳酸鉀和偏硼酸鉀為主要成分的脫碳溶液。其主要脫碳反應(yīng)為：

從工藝介質(zhì)特性分析，碳酸鹽溶液的pH值為1～12，具有強(qiáng)堿性，且介質(zhì)溫度為100 ℃，而原密封O圈所材質(zhì)為氟橡膠，此種材質(zhì)具有耐熱性、抗氧化性、耐油性和耐大氣老化性[2]，但對(duì)于這種高溫強(qiáng)堿性溶液，氟橡膠不具備在高溫狀態(tài)下耐強(qiáng)堿的功能作用，密封O圈受介質(zhì)腐蝕，導(dǎo)致?lián)p壞失效，這是機(jī)械密封經(jīng)常發(fā)生泄漏的重要原因之一。

從溶液中主要成分碳酸鉀的特性進(jìn)行分析，在100℃時(shí)碳酸鉀的溶解度為156.0 g/100 mL，在常溫下溶解度為110～114 g/100 mL，兩種不同溫度，溶解度差值十分明顯。從生產(chǎn)實(shí)際工況來(lái)分析，碳酸鹽泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)泵體溫度為95～100 ℃，而備用泵體溫度為30～40 ℃，由此可判斷在備用泵狀態(tài)下，沉積在密封腔內(nèi)的碳酸鹽溶液由于溫度降低且沒有沖洗，碳酸鉀晶體會(huì)析出沉積在密封腔內(nèi)，這些晶體會(huì)在機(jī)泵運(yùn)轉(zhuǎn)后對(duì)密封件造成磨損，進(jìn)而導(dǎo)致密封失效，這是機(jī)械密封經(jīng)常發(fā)生泄漏的重要原因之一。碳酸鉀在水中的溶解度如表3所示。

表3 碳酸鉀在水中的溶解度

2.2.2 機(jī)械密封本體

原機(jī)械密封采用單端密封形式，不適用于碳酸鹽溶液這種高溫強(qiáng)堿性介質(zhì)，密封性能較差，最初設(shè)計(jì)和選型上存在問題。

2014年對(duì)密封本體進(jìn)行了改造，采用雙端面機(jī)械密封背靠背串聯(lián)安裝，更適用于易燃，易爆氣體、易結(jié)晶液體，安全性要求較高的場(chǎng)合。符合現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

2017年仍沿用了雙端面機(jī)械密封背靠背串聯(lián)安裝的形式。密封O圈材質(zhì)由原來(lái)的氟橡膠更換為全氟醚橡膠(6375)，提高O圈的耐高溫、強(qiáng)堿腐蝕性。

2.2.3 密封沖洗形式

機(jī)械密封端面沖洗的作用有二：一是帶走密封腔中機(jī)械密封的摩擦熱、攪拌熱等，以降低密封端面溫度，保證密封端面上流體膜的穩(wěn)定；二是阻止固體雜質(zhì)和油焦淤積于密封腔中，使密封能在良好、穩(wěn)定的工作環(huán)境中工作，并減少磨損和密封零件失效的可能。實(shí)踐證明，合適的端面沖洗是提高離心泵機(jī)械密封耐久性的重要輔助措施之一。

密封沖洗1：碳酸鹽泵P-202最初采用API PLAN 21 的沖洗形式，該沖洗方案具有提供冷卻沖洗，也具有足夠的壓差以保證良好的沖洗流量的特點(diǎn)。但作為單端面密封，不適用于這種高溫強(qiáng)堿性介質(zhì)，密封性能較差，且此種密封沖洗形式不能夠防止碳酸鹽晶體對(duì)密封的摩擦。API682 標(biāo)準(zhǔn) API PLAN 21沖洗方案示意圖如圖3所示。

圖3 API682 標(biāo)準(zhǔn) API PLAN 21 沖洗方案示意圖

密封沖洗2：經(jīng)過(guò)2014年密封改造，我們?cè)趯⒃械膯味嗣婷芊飧臑殡p端面密封的同時(shí)對(duì)密封沖洗進(jìn)行了改造，選用API PLAN 21+52 的密封沖洗形式。密封沖洗方案示意圖如圖4所示。

圖4 密封沖洗方案示意圖

此種密封沖洗形式在保留了API PLAN 21 優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也增加了API PLAN 52 沖洗形式，使用脫鹽水通過(guò)密封中的泵效環(huán)驅(qū)動(dòng)循環(huán)進(jìn)入機(jī)械密封沖洗后，回到?jīng)_洗液冷卻罐，經(jīng)盤管冷卻完成循環(huán)。外側(cè)密封作為主密封的安全后備，具有較好的密封效果。但仍無(wú)法解決碳酸鹽晶體對(duì)密封件摩擦而導(dǎo)致密封失效的根本問題。

密封沖洗3：2017年我們采用了API PLAN 11+32+53B 的密封沖洗形式，此種密封沖洗形式直接利用泵出口自沖洗回流對(duì)密封腔內(nèi)進(jìn)行沖洗和散熱，API PLAN 53B使用加壓的脫鹽水(附帶氣囊式蓄能器)作為隔離液通過(guò)雙端密封中的泵效環(huán)驅(qū)動(dòng)循環(huán)進(jìn)入機(jī)械密封沖洗后，進(jìn)入換熱器進(jìn)行換熱。相比原來(lái)API PLAN 52 沖洗方案更具有良好的密封效果，能夠更加有效的防止碳酸鹽溶液泄漏。

為良好的主密封的安全后備。根據(jù)工藝介質(zhì)容易結(jié)晶的特性，我們?cè)贏PI PLAN 11自沖洗的外端增加API PLAN 32 脫鹽水外沖洗，當(dāng)泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)后/備用泵啟動(dòng)前，關(guān)閉API PLAN 11自沖洗投用API PLAN 32 脫鹽水外沖洗，利用脫鹽水對(duì)密封腔內(nèi)進(jìn)行沖洗，將沉積在密封腔內(nèi)的碳酸鹽溶液/晶體沖洗干凈。當(dāng)泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)之后，關(guān)閉脫鹽水手閥，停用API PLAN 32脫鹽水外沖洗，打開API PLAN 11自沖洗。這樣既解決了碳酸鹽結(jié)晶對(duì)密封的損壞，又節(jié)省了脫鹽水的使用量。密封沖洗方案示意圖如圖5所示。

圖5 密封沖洗方案示意圖

3 處理過(guò)程及措施

(1) 由單端面密封改為雙端面機(jī)械密封背靠背串聯(lián)安裝，提高密封可靠性。

(2)密封O圈材質(zhì)由原來(lái)的氟橡膠更換為全氟醚橡膠(6375)，提高O圈的耐高溫、強(qiáng)堿腐蝕性。

(3)密封沖洗形式由API PLAN 21 變更為 API PLAN 21+52，最終改進(jìn)為API PLAN 11+32+53B的沖洗形式，解決碳酸鹽晶體對(duì)密封件磨損問題，進(jìn)一步提升密封可靠性。

(4)操作方面，采用API PLAN 11+32+53B密封沖洗形式后，規(guī)范職工操作。在密封沖洗系統(tǒng)投用正常的前提下，當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)后/備用泵啟動(dòng)前，關(guān)閉API PLAN 11自沖洗投用API PLAN 32 脫鹽水外沖洗，利用脫鹽水對(duì)密封腔內(nèi)進(jìn)行沖洗，將沉積在密封腔內(nèi)的碳酸鹽溶液/晶體沖洗干凈。當(dāng)泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)之后，關(guān)閉脫鹽水手閥，停用API PLAN 32 脫鹽水外沖洗，打開API PLAN 11自沖洗。

4 效果對(duì)比

原采用API PLAN 21的密封沖洗形式，密封形式為單端密封，每年平均6次。

在2014年將密封改造為雙端密封，沖洗形式為API PLAN 21+52，平均每年維修4次。2017年11月對(duì)密封沖洗形式和O圈材質(zhì)進(jìn)行了改造(改為API PLAN 11+32+53B)和更換(由原來(lái)的氟橡膠更換為全氟醚橡膠6375)，機(jī)械密封使用效果良好，未發(fā)生泄漏，取得了滿意成果。改造前后對(duì)比圖如圖6所示。

圖6 改造前后對(duì)比圖

5 結(jié)語(yǔ)

碳酸鹽泵P-202從2017年11月改造至今，密封系統(tǒng)壓力、溫度穩(wěn)定，未發(fā)生泄漏，對(duì)該泵的震動(dòng)、溫度、泄漏檢測(cè)也非常正常、穩(wěn)定，達(dá)到10個(gè)月檢修周期的目標(biāo)。實(shí)踐證明，對(duì)該泵的密封改進(jìn)獲得成功。該泵的改造成功讓我們對(duì)工藝介質(zhì)特性對(duì)密封性能的影響有了更為清楚的認(rèn)識(shí)，對(duì)離心泵機(jī)械密封選型、維護(hù)、管理方面積累了經(jīng)驗(yàn)。