干氣密封在溶劑脫瀝青裝置溶劑泵中的應用

方 斌

(中國石化上海石油化工股份有限公司煉油部，上海200540)

中國石化上海石油化工股份有限公司(以下簡稱上海石化)溶劑脫瀝青裝置(以下簡稱溶脫裝置)以減壓渣油為原料,液態混合C4為溶劑,從減壓渣油中提取脫瀝青油,同時脫除瀝青質和膠質,然后通過超臨界溶劑回收和汽提回收工藝,將溶劑回收并循環使用。脫瀝青油可以作為催化裂化裝置與渣油加氫裝置的原料,瀝青質與催化油漿或減渣分別調和成燃料油或道路瀝青。溶劑脫瀝青裝置由抽提、溶劑回收、調合等幾部分組成。溶劑脫瀝青裝置內主要的泵都為離心泵，離心泵的完好是裝置運行安全平穩的基礎。離心泵最常用的軸端密封形式為機械密封。溶脫裝置籌建于1995年，在設計之初，溶劑泵及脫瀝青油溶劑循環泵等都為11+52方案，對于該類接觸式機械密封，在實際使用中，處在高壓、高溫工況，介質易汽化和揮發，機械密封的使用期很短，頻繁產生故障，對裝置的連續穩定運行造成了較大影響。

社會對企業的環保、安全要求越來越嚴格，石油化工裝置無泄漏要求提高，普通的接觸式機械密封已經不能滿足現場的實際需求，隨著密封技術的不斷革新，決定采用泵用干氣密封技術加以解決。

1 溶劑泵機械密封損壞原因分析

溶劑泵是溶脫裝置的主要設備，將系統內的原有C4溶劑、灌區發來的新鮮溶劑通過多級離心泵壓縮，介質壓力從0.45 MPa提高到6.0 MPa，為整個裝置壓力最高的設備，也是裝置低壓至高壓的轉換點。該泵為BB4雙支撐結構,兩側都有一套機械密封。溶劑泵原設計使用串聯式小彈簧機械密封(11+52系統)。

由于液化氣密度較低，在壓縮過程中出現發熱現象，尤其是夏天，室外溫度較高，溶劑內的介質氣相多，導致泵體的溫度過高，裝置多次出現原料泵抽空情況，泵抽空后震動急劇上升，出口壓力下跌，機械密封的第一道會在波動中瞬間打開，介質泄漏到第一道密封的端面及52方案的白油罐中，液化石油氣C3、C4體積膨脹，不斷揮發，最終導致11方案的沖洗液體不能有效地對斷面進行冷卻，加速了機械密封的損壞。

溶脫裝置的溶劑作為脫瀝青油的載體，不斷在系統中循環使用。使用一段時間后，不可避免地會出現液化石油氣中帶有膠質的情況，一部分膠質沉降在溶劑原料罐D-5105中；還有一部分隨介質被溶劑泵抽出，在系統中循環，這類黏度很大的重組分油，堆積在第一道機械密封表面，膠質對小彈簧的壓縮量產生了影響，同時端面上有少量的膠質，容易破壞摩擦副，沖洗效果變差，機械密封端面容易泄漏。

溶劑泵使用串聯式機械密封，在使用過程中，設備檢修頻率高，近幾年設備檢修、備件更換情況見表1。

表1 串聯式機械密封近幾年檢修情況

溶劑泵在更換機械密封時，需要將溶劑全部倒空，大量的液化石油氣進入火炬系統，按照1∶300的膨脹率，泵體倒空時間長，檢修施工時間慢，造成經濟損失的同時，增加了安全風險。

隨著石油、石化等工業向無污染、長周期、低能耗、高效益方向發展，要求離心泵的機械密封長壽命、密封介質的零泄漏、無污染，并且運行維護費用低。溶脫裝置由于其工藝的特殊性(具有易燃、易爆、污染嚴重等特點)，普通的接觸式機械密封難以達到上述要求，因此必須使用非接觸、無磨損、低能耗的新型泵用干氣密封才能滿足石油、石化等企業生產的需要。

2 泵用干氣密封的原理及特點

干氣密封屬于非接觸式密封，基本不受PV值的限制，PV值表示機械密封的工作能力，P為密封流體壓力(MPa)，V為密封端面的平均滑移速度(m/s)，PV值的單位為MPa·m/s。機械密封的PV值越高，表示機械密封的工作能力越強，要承載的負荷越高。干氣密封的出現，是密封技術的一次革命，使得密封不再受到密封潤滑油的限制，而且其所需的氣體控制系統比油膜密封的油系統要簡單得多。另外，干氣密封的出現也改變了傳統的密封觀念，將干氣密封技術和阻塞密封原理有機結合，“用氣封液或氣封氣”的新觀念替代傳統的“液封氣或液封液”觀念，可保證密封介質的零逸出。隨著技術的不斷變革，原來使用在高速設備上的干氣密封，逐步向低速發展，泵用干氣密封技術不斷成熟。

泵用干氣密封從外形結構上與機械密封相同，同樣由動環、靜環、彈簧、密封圈以及彈簧座等組成。但是與機械密封原理差別很大，動、靜環密封面經過研磨、拋光，并在其上面加工有流體動壓槽(圖1)。

圖1 干氣密封螺旋槽示意

動、靜環作相對旋轉運動時，密封氣體被吸入動壓槽內，由于密封堰的節流作用，進入密封面的氣體被壓縮，壓力升高。在該氣體膜壓作用下，密封面被推開，與氣體靜壓力、彈簧力形成的閉合力達到平衡(圖2)。此時，流動的氣體在兩個密封面間形成一層很薄的氣膜(通過大量的理論研究與實踐證明，此氣膜厚度一般在3 μm左右)，氣膜厚度十分穩定，并具有良好的氣膜剛度，保證密封運轉穩定可靠。

圖2 干氣密封螺旋槽受力分析

與原來串聯式機械密封相比，泵用干氣密封有以下主要優點。

(1)省去了密封油系統及用于驅動密封油系統運轉的附加功率負荷。由于干氣密封的兩密封端面被一薄層穩定的氣膜隔離，而且密封腔內為低黏度的氣體介質，因此干氣密封的端面摩擦功耗和動環組件的攪拌摩擦損失要比液體潤滑的密封裝置的摩擦功耗小很多，一般兩者消耗的功率之比為1∶(10～20)。

(2)大大減少了計劃外維修費用和停車次數。

(3)避免了工藝氣體被油污染的可能性。

(4)密封氣體泄漏量小。封液系統既復雜又昂貴，且故障率很高。泵送介質的外泄漏和封液冷卻密封都依賴完善的封液系統。干氣密封避免了這些復雜因素，它利用干燥潔凈的氮氣源作為密封氣，很容易實現泵送介質的零泄漏或零逸出，對泵送介質沒有污染，而且系統比較簡單，可靠性非常高。

(5)維護費用低，經濟實用性好。

(6)密封驅動功率消耗小。

(7)密封壽命長，運行可靠。對干氣密封，由于兩個相對旋轉的端面是非接觸的，在正常使用條件下，一般可連續運轉3年以上。

3 改造方案

上海石化溶脫裝置原設計規模為300 kt/a，2002年改擴建為500 kt/a。裝置核心設備溶劑泵P-5104泵的原密封為串聯式式機械密封，11+52結構，具體參數如下：介質為C3、C4溶液，壓力為5.5～6.0 MPa，溫度40 ℃，轉速2 950 r/min。該泵由于介質壓力高，沖洗介質易揮發，故障率很高，而且C4的外漏對環境和人員的危害很嚴重，容易引起爆炸等事故。改為串聯式泵用干氣密封后，原來沖洗方式不變，將PLAN52方案改為PLAN72+76，該結構為串聯式泵用干氣密封。

干氣密封與接觸式機械密封串聯布置，內側機械密封為主密封，外側干氣密封為備用密封，其結構如圖3所示。在機械密封與干氣密封間充入一定壓力的潔凈緩沖氣(一般為氮氣)，該壓力低于被密封的液體介質壓力。干氣密封非接觸運行，提高主密封的背壓，增大主密封面液相摩擦面積，減少因介質氣化形成的干摩擦面積，避免了烴類介質在端面間由于摩擦熱過早汽化，形成液、氣混相導致磨損加劇的問題，從而大大延長主密封的使用壽命，提高主密封的性能。當主密封失效時，干氣密封可以起到備用密封的作用，隔離介質與大氣，主密封泄漏的烴類介質隨密封氣氮氣排入火炬，從而保證工藝介質不向大氣泄漏。這種布置方式適用于輕烴、低溫類易揮發性介質，特別是在泵送介質壓力較高的場合。

圖3 改造后的干氣密封

3.1 結構設計

主密封機械密封結構參數見表2。

表2 主密封機械密封結構參數

根據公式K=(DO2-DB2)/(DO2-Di2)計算出載荷因子K為0.794。

外側干氣密封的設計參數見表3。

表3 外側干氣密封的設計參數

根據公式計算出載荷因子K為0.842。

外側干氣密封的工作參數見表4。

表4 外側干氣密封的工作參數

根據密封的結構參數，結合密封的工作參數，對干氣密封端面流體動壓槽進行優化。

3.2 P-5104泵用干氣密封流程

泵用干氣密封測控系統主要有兩個方面的作用：一是提供干燥、潔凈、穩定的氣源；二是對密封運行狀況進行監控，一旦氣源壓力出現異常或密封失效時進行報警。泵用干氣密封測控系統包括3個部分：過濾單元、壓力調節單元、密封泄漏量和供氣壓力監控單元。串聯式干氣密封的測控系統如圖4所示。

外部氮氣管網氮氣進入控制系統，經過濾器、減壓閥后，為干氣密封提供穩定、干燥、清潔的密封氣；當主密封泄漏過大或氮氣壓力過低時，單向閥起到防止工藝介質反串入氮氣管網的作用；進入密封腔的氮氣與主密封泄漏的微量工藝介質通過節流孔板排向火炬；當主密封機械密封泄漏過大時，由于限流孔板的作用，密封腔壓力上升，泄漏管線上的壓力表指示上升(或壓力開關發出報警信號)，表明密封失效。

圖4 P-5104泵干氣密封測控系統

4 使用效果

溶脫裝置溶劑泵P-5104機械密封改造成泵用干氣密封，于2015年5月投入生產使用，使用至2016年5月裝置停車大修，設備運行正常，排放處壓力未見上升，徹底解決了原來平均每月都要更換機械密封的問題。由于干氣密封的使用，裝置的檢維修費大幅降低。

(1)密封平均使用壽命及每年備件費用

機械密封使用期限為2個月(泵內部有腐蝕結焦現象，震動運行在D區)，干氣密封使用期限則為3年。機械密封備件費用為1.5萬元/套，干氣密封為2.12萬元/套。因此每年備件費用為：機械密封，1.5×6=9萬元；干氣密封：21 200/3=7 067元

(2)每年密封運行費用

干氣密封氮氣消耗：0.3×24×365×0.5=1 314元

(3)每年檢修費用

機械密封：10 000×6=60 000元

干氣密封：10 000×1/3=3 330元

(4)單臺泵每年費用合計

機械密封：90 000+60 000=150 000元

干氣密封：7 067+1 314+3 330=11 711元

綜上所述，泵用干氣密封經濟效益突出，單臺泵單側密封每年節約費用約13萬元，泵兩側密封更換每年節約費用26萬元，為工廠節約了大量備件費，同時基本無檢修費，并保證了設備的清潔完好，提高裝置的安全穩定運行水平。

5 結語

由于物料的特殊性，介質密度差異大，溶劑部分密度小，渣油部分密度大，兩股物料混合在一起，給溶脫裝置泵的運行帶來了很大的考驗，操作過程中稍微不注意，容易引起泵的震動增大，這就要求泵軸端的密封安全可靠。干氣密封技術在離心泵上的推廣應用，是機械密封技術的又一重大進步，通過P-5104泵上使用干氣密封，極大地延長了整機的維修周期和使用壽命，減小了維護工作量，降低了檢維修費用，減少了機械密封的消耗，保障并實現溶劑脫瀝青裝置的長周期、安全運行。

參考文獻

[1] 顧永泉.流體動密封(上冊)[M].北京：中國石化出版社，1990.

[2] 顧永泉.流體動密封(下冊)[M].北京：中國石化出版社，1990.

[3] 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)：21.

[4] 郝木明，胡丹梅，楊寶亮，泵用零逸出非接觸式機械密封[J].流體機械，2002，30(9)：13-17.