環氧乙烷產品泵的干氣密封改造

陳 勇

(中國石化上海石油化工股份有限公司化工部,上海200540)

環氧乙烷產品泵的干氣密封改造

陳 勇

(中國石化上海石油化工股份有限公司化工部,上海200540)

2G-411A/B泵的介質為環氧乙烷溶液，具有易燃和易爆的特性，泵原設計采用PLAN 53方案的雙端面機械密封，存在一定的隱患。通過技術改造，選用PLAN11+72+76的串聯式干氣密封，不僅消除了隱患，更滿足了設備安全和長周期運行的要求。

雙端面密封 干氣密封 密封槽

中國石化上海石油化工股份有限公司化工部某裝置環氧乙烷(EO)精制塔回流泵2G-411A/B泵已投用十余年，原有的機械密封系統存在一定的缺陷，給裝置的安全、穩定運行造成一定影響。經技術比選后采用PLAN11+72+76的泵用干氣密封方案,項目實施后已連續運行3年，其間未出現機械密封失效現象。

1 2G-411A/B泵概況

1.1設備參數

2G-411A/B泵由大連深藍泵業有限公司制造，2007年安裝并投用，設備型號為EAP100K2-250。該泵由OH3結構單級離心泵、三相異步電動機(380 V,55 kW)及附屬密封系統組成，該泵的部分參數見表1。

表1 2G-411A/B的部分參數

1.2工藝流程

富含甲醛的塔頂氣經EO精制塔冷凝器E-411冷凝后收集在EO精制塔回流罐D-410中，部分凝液作為回流通過EO精制塔回流泵2G-411A/B返回至精制塔，剩余部分送至乙二醇進料汽提塔，EO蒸氣被送至汽提塔T-310以汽提EO精制塔塔頂夾帶的甲醛，以防止甲醛雜質在系統中的累積。

2 原密封系統的工作原理及缺點

2.1原密封系統的工作原理

該泵原設計為雙端面、平衡型機械密封，采用PLAN 53沖洗方案，密封液是乙二醇水溶液，密封沖洗方案如圖1所示。

1-外部壓力源；2-緩沖液罐；3-補充密封液進口；4-密封液出口；5-密封液進口；PI-壓力指示；PSL-壓力低報警；LSH-液位高報警；LSL-液位低報警

該密封沖洗方案是一種循環外沖洗方案，主要用于防止液態EO泄漏至大氣中，雙端面機械密封間的密封液由封閉的緩沖液罐提供。密封液依靠密封腔內的泵送環作用產生循環，密封系統管路上安裝了低液位報警器、高壓力報警，以監控密封液。

2.2存在的缺點

由于原密封采用雙端面的機械密封并配有單路密封液的運行方式，在正常工作時，機械密封的喉部與后端密封之間存在較大的壓差，在密封液的壓力調節上存在一定的問題：

(1)密封液壓力調節偏高可在雙端面密封的喉部形成高壓，有效阻止液態EO進入密封腔，但是這樣的壓差會加劇后部靜環的磨損，造成介質向大氣的泄漏；

(2)密封液壓力調節偏低會導致過量的液態EO通過密封的喉部進入密封腔內，造成密封液內EO的質量濃度上升，當EO積累到一定的質量濃度時，在動、靜環的摩擦處可能會引起起火的后果。

由此可以看出原機械密封的設計存在著一定的風險和環境污染的可能性，因此，機械密封的改造將針對以上這些缺點，并結合美國石油協會(API)682規范進行優化。

3 干氣密封的工作原理及特點[1]

第一個干氣密封的專利于1968年在英國出現，1975年首次工業應用，1983年開始推廣應用。干氣密封最初應用在透平壓縮機、膨脹機等高速旋轉機械上，到目前為止，已在化工、煉油、化肥、乙烯、化纖、天然氣輸送等行業獲得廣泛的應用。20世紀90年代國外開始在低速旋轉機械如離心泵、攪拌釜中采用干氣密封，國內到最近幾年才開始使用。

干氣密封在結構上與普通機械密封基本相同，其重要區別在于干氣密封中的一個密封環上有均勻分布的淺槽。運轉時進入淺槽中的氣體受到壓縮，在密封環之間形成局部的高壓區，使密封面開啟，從而能在非接觸狀態下運行，實現密封作用。下面以典型的螺旋槽干氣密封為例作簡單說明。

圖2是密封端面的示意圖，密封面上有一定數量的螺旋槽，其深度為8～15μm。密封工作的主要原理是靜壓力和流體動力的平衡。作用在密封上的流體靜態力由介質壓力和彈簧力產生，在旋轉和靜止時都存在。流體動態力只在密封旋轉時發生。密封旋轉時，由動環產生的黏性剪切力帶動被密封氣體沿切線方向進入螺旋槽內，從外徑朝密封環的中心流動，螺旋槽逐漸收斂的槽型使氣體得到壓縮，并在槽的根部受到密封壩的節流影響，氣體在槽根部形成局部的高壓區，使密封面分開，形成一定厚度的氣膜。由氣膜作用力形成的開啟力與由彈簧力和介質作用力形成的閉合力達到平衡，于是密封實現非接觸運轉。干氣密封的密封面間形成的氣膜具有一定的剛度，保證了密封運轉的穩定性，還可對摩擦副起潤滑作用。

圖2 干氣密封的典型槽型示意

4 改造后的密封系統

4.1串聯式干氣密封系統簡介

本次機械密封改造成介質側機械密封和大氣側干氣密封前后串聯布置的結構，具體見圖3。

1-機械密封；2-干氣密封

第一級的機械密封為主密封，采用PLAN 11方案；第二級干氣密封是作為安全密封來使用的，采用PLAN 72+76，見圖4。第一級機械密封承受全部的壓差，該密封工作在泵輸送的工藝介質中。第二級干氣密封由于其摩擦副始終保持在非接觸狀態下運行，沒有任何磨損，在一級機械密封損壞前能夠一直處于理想的運轉狀態，故干氣密封是安全密封最適合的型式。在第一級機械密封與第二級干氣密封之間加梳齒密封，一方面，梳齒密封減少了緩沖氣的消耗量；另一方面，一級密封泄漏出的有害介質氣化后將被緩沖氣完全帶入一個封閉、安全的火炬系統。當主密封失效時，第二級干氣密封仍可作為機械密封短時運行，直至停車檢修，真正保證了環境的安全可靠。

V1～V6-1～6號閥門；FL1-過濾器；OR1-限流孔板；CSV-截止閥；GBI-干氣密封；PS-壓力開關；PG-壓力表；PSA-壓力開關報警

4.2優化前后的密封系統的比較

改造后的干氣密封系統在安全性等方面較原機械密封系統有了進步。改造前采用的PLAN 53機械密封系統具有以下特點：雙端面密封的后部密封失效時會造成密封液泄漏至現場；會有微量介質經封液泄漏到現場環境中，給環境帶來一定污染；由于密封液會逐漸消耗，需定期為儲罐補液。而改造后采用的PLAN 11+72+76干氣密封系統的特點如下：一級機械密封泄漏出的介質通過密封氣排至火炬，二級干氣密封泄漏到大氣的為氮氣，不會對現場造成威脅；若主密封失效，則次級密封起到備用密封的作用；介質全部送至火炬燃燒，不會泄漏到環境中，次級密封泄漏到現場的為N2，不會對現場造成任何污染；采用N2為密封氣，幾乎不需要進行維護。

5 干氣密封的槽型設計[2]

干氣密封的密封端面的動壓槽可加工成各種槽型，常見的有螺旋槽、圓弧槽、T型槽和直線性槽等。為了能更好地平衡密封流體動壓效應的產生并使制造成本降低，對干氣密封的槽型進行了優化設計。

圖5給出了典型的螺旋槽干氣密封的二維數學模型。密封面槽型為螺旋型，滿足對數螺旋線方程，在極坐標系統(r,θ)下方程表示為：

r=rgeθgtanα

式中，r為半徑，mm；rg為密封槽內徑，mm；e為氣模剛度，%；θ為角度，rad。

由于密封端面上螺旋槽呈對稱性和周期性分布，故只選擇其中一個槽臺區和與之相連的壩區作為計算區域(ABCDEF)，如圖5所示。

圖5 干氣密封的密封槽

控制方程為：

式中，θ為角度，rad；ω為角速度，rad/s;P為壓力，Pa。

對控制方程作離散，首先將方程無量綱化，使用伽遼金法，將離散后的各單元所有方程進行總體合成，就得到計算區域內的總體有限元方程組：

對以上方程組進行了求解，可獲得密封端面間的壓力分布。在求得壓力分布后就可以進行其他相關參數的計算，從而得到開啟力、泄漏量、氣膜剛度等重要參數，即：黏度，0.17 Pa·s，工作壓力，0.05 MPa；密封面外徑，72 mm；彈簧比壓，0.024 MPa；轉速，2 950 r/min；氣膜厚度，3 μm；密封面內徑，51 mm。

根據以上模型對此次改造密封螺旋槽結構參數進行優化：優化時，以干氣密封具有最佳的氣膜剛度為優化目標，同時將干氣密封的最大剛漏比作為優化的參考目標。干氣密封最大剛漏比的物理意義是在密封具有較大氣膜剛度的情況下氣體泄漏量較小。

經過計算，2G-411A/B選用的CM1B-06D型干氣密封的螺旋槽為12個、螺旋槽深9 μm、槽壩比1.33、螺旋角16°、預期泄漏量30 L/h。

6 結語

使用新型的泵用干氣密封及配套的密封控制系統，將大大提高石油化工行業內高危泵的運行安全系數，極大地降低了污染程度。由于干氣密封的動、靜環在運行中非接觸、無磨損運行，會大大延長密封的使用壽命，降低維修成本，為煉油和化工裝置實現長周期、穩定運行提供了有力保障。

目前2G-411A/B已連續運行3年，期間未更換密封組件，為裝置的安全、穩定運行做出了不小的貢獻。本次改造的成功案例，對日后其他EO泵的選型和技改有較大的參考價值。

[1] 孫玉霞，李雙喜，李繼和.機械密封技術[M].北京：化學工業出版社,2014.

[2] 林培峰，張秋翔，蔡紀寧，等.螺旋槽干氣密封的有限元分析[J].北京化工大學學報,2002,29(3):57-60.

ReconstructionofDryGasSealofEthyleneOxideProductPump

Chen Yong

(ChemicalDivision,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.,Shanghai200540)

The medium of 2G-411A/B pump is ethylene oxide solution,which is flammable and explosive.The original design of the pump adopts the double-end mechanical seal of PLAN 53,which has some hidden dangers.Through technological transformation,the series dry gas seal of PLAN11 +72 +66 was adopted,which not only eliminated the hidden dangers,but also meet the safe and long-term operation requirements of equipment.

double end seal,dry gas seal,seal groove

2017-06-06。

陳勇，男，1965年出生，1981年畢業于上海化工專科學校化工機械專業，2004年畢業于華東理工大學化學工程與工藝專業，長期從事乙二醇設備管理工作。

1674-1099 (2017)04-0043-04

：TB42

： A