国内渣油加氢装置日益增多，高压进料泵逐渐向着高温、高压、大流量趋势发展，对机械密封的要求越来越严格。对国内渣油加氢装置高压进料泵密封调研的结果显示，其平均使用寿命不足1年，甚至有部分装置密封寿命不足2个月。高温渣油外漏是极其危险的。

 

近年来，部分新建渣油加氢装置高压进料泵密封设计为PLAN54，但在前期的应用过程中也发现很多问题。在没有可供经验借鉴的情况下，通过不断的摸索改进，创新应用了密封组合方案，使改进后的机械密封寿命由最初的几天延长到现在的790d。文章对国内某套渣油加氢装置应用的PLAN54密封进行了故障分析，并提出了有效的改进方法。

 

某炼厂渣油加氢装置加工量为330万t/a，设计为两系列单开单停，2台泵分别对应2个系列，另外1台作为两系列的备用泵。进料泵和密封都由福斯公司生产制造，型号为6×10.25HDO-9stg，介质为280°C高温渣油，设计流量230.8m3/h，出口压力20.1MPa，转速4960r/min。PLAN54密封是国内首次应用在渣油加氢高压进料泵上。

 

1 密封泄漏经过

 

2014年6月24日，高压进料泵A泵由于操作原因出口流量低低联锁停泵，渣油倒窜至密封油箱，重新启动后发现非驱动端密封开始出现泄漏。由于3台高压进料泵共用1个密封油站，因此被污染的密封油进入到3台泵的机械密封中，随后3台泵密封开始频繁泄漏，导致机械密封的使用寿命严重不足，4个月内共更换21套，常常是刚换好不久就开始泄漏，使得装置时刻都处于停工边缘，严重影响了正常生产。机械密封拆检后发现密封面结焦严重，波纹管上也有结焦。渣油窜入密封油是造成这种情况的主要原因。

 

2 原因分析

 

在机械密封出现反复泄漏后，一方面现场更换密封，另一方面从现场故障情况、拆检分析、密封设计、密封选型、密封系统等方面入手分析故障原因。

动静环拆检情况见图1。

 

 

2.1 渣油反窜至密封油箱

 

停泵时的数据显示，泵入口流量低于设计值，说明当时泵处于憋压状态，密封腔压力升高。这是导致渣油窜入密封油箱的主要原因。渣油密度大，粘度大，易在密封面附着、结焦，导致密封面粗糙度被破坏，正常要求密封面粗糙度不超过0.9μm，承载面变化从而影响到端面比压，最终造成动静环磨损，局部的高温甚至导致裂纹产生，不同粗糙度承载面积和端面比压的关系见表1。

 

 

2.2 密封设计及选型

 

密封设计可以从密封布置方法、密封内件材料选择、密封冲洗液流量等方面入手。机械密封结构见图2。

 

 

单从结构上来看，该密封采用面对面^【1】式结构，固定波纹管，这种设计使用在高温、高压、高转速位置，配合强制外冲洗的方案，理论上是可行的。

 

密封内件，主要是摩擦副匹配^【2】的选择，采用“硬对硬”、“软对硬”方案，材质为硬质合金、碳化钨、碳化硅(反应碳化硅、无压碳化硅、加碳碳化硅)、碳石墨(浸树脂、浸金属)等等。设计选型时需参考p、V值^【3】(包括p_sV、p_cV、p_gV)。

 

机械密封腔中热量^【1】主要来自于以下几方面：

 

1)密封面由于摩擦和流体剪切产生的热量；

 

2)转动密封部件引起的风阻(或紊流)产生的热量；

 

3)通过密封室和轴产生的热量；

 

4)介质传递的热量。

 

密封冲洗液流量决定2对密封面之间温度。该密封选用PLAN54，泵内介质温度280°C，相当于内侧密封接触高温，这显然是不合适的。国内同位置泵密封基本都采用PLAN32作为前置冲洗，可以有效降低密封腔温度，比如API推荐的1类、2类密封腔温升为2.8~5.6°C。PLAN32密封冲洗流量可以根据式(1)计算：

式中：Q_ing——注入流量，L/min；

P——密封面上产生的热量，kW；

SQG——泵温度下注入介质的比重；

dT——密封腔的温升，°C；

C——泵温度下注入介质的比热，J/(kg·°C)；

Q_headsoak——密封腔其他热量吸收，kW。

 

精确的热量吸收的计算比较复杂，应用较多的是有限元计算法^【4】，即采用ANSYS建立机械密封有限元模型，也可以通过式(2)进行估算。

 

 

式中：U——材料的性能系数；

A——热传递面积，mm²；

S——密封平衡直径，mm；

D_t——温差(泵温度-期望的密封腔温度)，°C。

 

2.3 密封系统

 

上面提到密封腔温度及密封冲洗量的确定，而密封系统就是密封腔温升的重要保障。PLAN54密封油流程如下：螺杆泵→水冷器→过滤器→控制阀组→手阀→单向阀→DE/NDE密封→孔板→单向阀→油箱。

 

油站螺杆泵出口压力1.0MPa，在靠近密封的手阀和单向阀之间压力表显示0.9MPa(同油站设定压力)。为了能够看到密封冲洗液在2对密封面之间的精确压力，将第一个单向阀阀盖拆除并增加压力表。

 

该压力表显示此处压力仅为0.55MPa，说明单个单向阀的压降就达到了0.35MPa，多级泵密封腔压力按照泵入口压力为0.55MPa，密封腔和密封油两侧压力相同，这在设计上是不允许的;并且当泵体处于憋压状态时，密封腔压力也会升高，这也可以解释为什么联锁停泵时渣油会反窜至密封油箱。

 

关于密封油站温度对密封的影响方面，经现场测温，密封油供油管路温度65°C，而密封回油温度达到110°C，密封面之间的温度要远高于此，所以降低密封油温度势在必行。

 

3 改进措施

 

3.1 增加PLAN32密封冲洗

 

增加常三线柴油(初馏点260°C，终馏点390°C)，作为外部介质冲洗，此馏程下的柴油既可以降低泵的汽蚀，又可以避免柴油的过多浪费。单侧冲洗量设计为8~12L/min，节流衬套采用浸碳聚四氟乙烯，在原密封基础上更换前端密封壳体，降低了改造成本。

 

3.2 独立PLAN54密封油站

 

原设计PLAN54密封油站采用一拖三形式，虽节省初始投资，但增加了维护成本，6套密封中任意1套的失效都有可能导致渣油反窜至密封油箱，从而波及其他泵的正常运行。

 

对于新增的PLAN54冲洗油站，在设计初期便与设计单位进行沟通，提出一些建议及顾虑，最终将新油站流程改进为:螺杆泵→过滤器→控制阀组→手阀→DE/NDE密封→过滤器→调压阀→单向阀→水冷器→油箱。

 

对比原油站流程有如下改进:

 

1)拆除密封前后单向阀的阀芯，降低密封油站中压力损失；

 

2)控制阀组改为手动操作，避免密封面之间压力波动；

 

3)增加后置过滤器，过滤密封冲洗后的杂质；

 

4)增加后置调压阀，使压力调节点能够移到密封之后，这样就能够清楚地看到密封面之间的压力，降低了渣油窜至密封油箱的可能；

 

5)选择高效水冷器，降低了密封冲洗油温度(由原来的65°C降至45°C)；

 

6)增加密封冲洗流量(由原来的10.5L/min提高至20L/min)。

 

3.3 改PLAN61为PLAN62

 

密封拆检后发现外侧密封及波纹管有结焦现象，且密封大多数为外漏，也就是说外密封面损坏得更多，所以增加蒸汽吹扫，改善外密封环境。

 

3.4 置换密封油及管线吹扫

 

由于渣油反窜后大量置换密封油，库房导热油存储量严重不足，临时改用10号白油代替导热油，由于其热稳定性不如导热油，因此所有改造完成后，对密封油站进行油品置换。为保证密封冲洗油洁净，在投用之前将所有管线用蒸汽吹扫干净。

 

3.5 操作方法改进

 

加强班组开停机方案培训，从准备暖泵开始，依次投用PLAN54-PLAN32-PLAN62各冲洗方案压力的控制，暖泵速度的控制，最小流量线、平衡管是否暖通等应注重细节。还应注意停泵后密封冲洗停用顺序，蒸汽吹扫泵体压力等等。

 

4 改进后成果

 

经过前后2次改造，不断摸索经验，最终形成PLAN32+PLAN54+PLAN62创新型组合。从2016年9月B泵改造至2018年11月，密封运行正常，平均寿命由最初的几天到现在的790d，超出同行业平均寿命约430d，这也证明此次改造是比较成功的。开工后密封寿命统计见图3。

 

 

5 与同行业对比

 

目前国内渣油加氢装置同位置密封通常采用PLAN32+PLAN53B+PLAN62，也是比较成熟的技术。2种密封方案的优缺点对比情况见表2。

 

 

如果计算一笔经济账，假设PLAN53B每年更换1次，PLAN54每2年更换1次，根据泵参数不同，参照国产密封排名靠前的某密封厂报价，则PLAN54和PLAN53B的费用投入情况对比如图4所示。

 

 

由图4可以看出:PLAN53B在前3年具有优势，但随着使用时间的延长，PLAN54密封寿命长的优点逐渐明显，第4年之后，PLAN54在使用成本上要更胜一筹。以上数据只是参考目前行业平均水平，无法做到精确。不同泵的有不同的工况，不能一概而论。

 

6 结语

 

无论选择哪种密封冲洗方案，使用中都会遇到一些问题，一定要坚定信心，抓住细节，总会有解决办法。目前国内供货的密封厂家，无论是外资还是国有，设计阶段和现场实际情况都有脱节，很多现场实际参数与设计参数不一样，这也就是多数密封泄漏的原因所在。API682—2014推出后，标准里面对于密封及其辅助系统的要求也越来越清晰，很多设计参数对比老版本都有了较大改变。

 

随着社会形态的发展，人们越来越注重安全生产，观念已经从节约成本逐渐衍变为确保安全。PLAN54密封方案是国内首次应用在渣油加氢装置高压进料泵上，处于应用的初级阶段，在开工和运行过程中遇到了种种难题，通过不懈的努力和不断的摸索、思考、实践，最终形成了一套具有实际意义的密封改造方案，达到了延长密封使用寿命的目的，为装置的长周期安全运行提供了保障，也为同类装置密封的设计选型提供了参考。

 

参考文献:

[1]美国石油协会.离心泵和转子泵用轴封系统[S]:API682—2002[S].中国兵器工业管理协会，译.北京:北京北方资讯服务中心，2002:10-89

[2]实用机械密封技术问答[M].王汝美.北京:中国石化出版社.1996.13.

[3]机械密封实用技术[M].顾永泉.北京:机械工业出版社.2001.86-88.

[4]机械密封温度场的有限元计算法[J].陈文毅，李学虎，管洪.北京:流体工程.1991，19(10).25-30.

[5]美国石油协会.离心泵和转子泵用轴封系统[S]:API682—2014[S].石油工业标准化研究所，译.北京:石油工业标准化研究所，2014:114.