MTO 裝置泵用密封沖洗方案的選用

陳慶同

（天津大沽化工股份有限公司，天津300455）

API682 標準 （離心泵和轉子泵用軸封系統）1994 年4 月出版第一版，由于此標準要求的制造使用成本高，多數用戶僅用于參照；隨著對安全環保的重視程度的提高，API682 標準第二版在2002 年頒布后，廣泛應用于石油、石化、化工行業的機械密封中；API682 標準第三版在2004 年頒布，并與ISO標準合并，得到了更大范圍的推廣，在2002 年頒布的第九版API610（石油、石化和天然氣工業用離心泵）中API682 標準被直接引用[1]；API682 標準第四版在2014 年5 月正式發布，此版API682 標準中融入了大量的實踐經驗。

1 API682 標準應用范圍與密封系統

1.1 應用范圍

API682 標準適用于石油、天然氣和化工行業中的離心泵和轉子泵的密封系統，主要應用于危險、易燃或者有毒介質的工況以及密封軸徑在20～110 mm的場合。其他泵和壓縮機、攪拌設備中的密封不屬于本標準的范圍，但也被其相應的標準所引用。為了滿足泵的連續運轉要求，該標準的密封系統要在滿足相應標準規范最大泄漏率要求的情況下，連續運轉至少3 年（25 000 h）。

1.2 密封系統

API682 標準將密封分成3 個系列、3 種型式和3 種布置方式。

（1）密封系列。API682 將密封分為系列1、系列2 和系列3 個系列的應用范圍等見表1。

表1 密封系列應用范圍對比表

（2）密封形式。API682 將密封分為A 型、B 型和C 型3 種形式，其區別見表2。

表2 密封形式對比表

其中A 型和B 型密封的使用溫度≤176 ℃，C型密封的使用溫度≤400 ℃。低溫工況常采用B 型密封。

（3）密封布置方式。API682 將密封分為布置方式1、布置方式2 和布置方式3，其區別見表3。

表3 密封布置方式對比表

布置方式2 首選的端面組合方式為 “面對背”組合方式，布置方式3 標準的端面組合方式為“面對背”，這使得密封腔內的雜質在離心力的作用下會向外甩，對主密封影響小，但是“背對背”和“面對面”端面組合方式更緊湊。

2 常用密封沖洗方案介紹

API682-2014 共介紹了32 種密封沖洗方案，以下介紹幾種常用的密封沖洗方案。

（1）PLAN11：密封沖洗液從泵高壓區引出，經限流孔板獲得沖洗流速后進入密封腔。本沖洗方案適用于泵送潔凈介質工況，以免堵塞限流孔板。

（2）PLAN13：密封腔的沖洗液經過限流孔板后，返回泵的入口。此方案適用于高揚程泵，可避免高揚程泵選用PLAN11 方案時，使的孔板直徑很小或者沖洗流速很大。

（3）PLAN14： 此 方 案 相 當 于 PLAN11 和PLAN13 的組合；此沖洗方案在對密封面進行冷卻的同時，連續的給密封腔排氣，示意圖見圖1。

（4）PLAN21：相當于在PLAN11 方案的孔板后增加了一個冷卻器。冷卻器可以降低進入密封腔的溫度， 從而提高密封腔的飽和蒸汽壓力裕量。PLAN21 沖洗方案可以采用空氣冷卻，在不能采用水冷的情況下是較好的選擇，而且由于PLAN21 沖洗液來自泵的出口，一般情況下PLAN21 會提供足夠的壓差來提供較好的沖洗流速。

圖1 沖洗方案14示意圖

（5）PLAN23：密封腔內的沖洗液，通過密封腔內的循環裝置進入密封腔外部冷卻器后，再進入密封腔。對于PLAN23 沖洗方案，冷卻液的循序僅在密封腔的內部，冷卻器僅用來冷卻循環的那部分沖洗流體， 而不是持續冷卻泵出口的沖洗流體， 所以與PLAN21 相比更不易堵塞，而且PLAN23 的冷卻器負荷要小于PLAN21 的冷卻器負荷，能效較高，示意圖見圖2。

圖2 沖洗方案23示意圖

（6）PLAN32：沖洗液是來自外部的潔凈沖洗介質。PLAN21 和PLAN23 沖洗方案可能會出現堵塞問題，如果能夠提供外部沖洗液，而且沖洗流體與泵送流體相容，用戶也可以考慮選用PLAN32 沖洗方案。但是PLAN32 會稀釋產品，同時操作費用高，能耗高，一般PLAN32 用于泵內介質含有固體顆粒等雜質的情況，不推薦僅僅由于冷卻的需求就采用PLAN32 沖洗方案。

（7）PLAN52：應用在布置方式2 無壓密封的場合，緩沖液壓力要比密封腔壓力低0.28 MPa。抑制密封腔內的緩沖液通過抑制密封腔內的循環裝置將緩沖液循環到外部儲罐，之后緩沖液再回到抑制密封腔。 通過主密封泄露的氣相隨緩沖液到儲罐后，從儲罐的頂端排放至氣體收集系統，因此緩沖液壓力接近大氣壓，同時由于主密封的泄露，泵送介質會污染緩沖液，需定期對緩沖液系統進行保養和維護。當主密封泄露后，泵送介質會泄漏到緩沖液罐，觸發緩沖液罐內的高液位報警，若泄露速度過快，也會觸發緩沖罐壓力報警。此方案要求泵送介質為潔凈、非聚合性質的流體。PLAN52 沖洗方案示意圖見圖3。

圖3 沖洗方案52示意圖

（8）PLAN53A/B/C：應用在布置方式3 加壓密封的場合。PLAN53A 為隔離液儲罐外部氣體加壓，PLAN53B 為囊式蓄能器加壓，PLAN53C 為活塞式蓄能器加壓， 以下主要介紹PLAN53A 沖洗方案。PLAN53A 沖洗方案是通過外部氣體給隔離液儲罐中的隔離液加壓，使隔離液壓力高于密封腔壓力，壓差至少為0.14 MPa。其隔離液的循環同PLAN52中緩沖液的循環。如果泵送介質較臟或者易結晶，該沖洗方案是較好的選擇，但是要保證隔離液與泵送介質有較好的相容性， 不會對泵送介質造成污染。當密封泄漏時，隔離液通過主密封漏向泵內或者通過二級密封漏向大氣側，這都會使儲液罐液位降低，觸發低液位報警。

（9）PLAN54：應用在布置方式3 加壓密封的場合，隔離液由外部隔離液系統提供，隔離液的壓力不能低于密封腔的壓力，否則如果主密封泄漏，泵送介質會污染整個外部隔離液系統。PLAN54 沖洗方案用于泵送介質溫度較高，或者含有固體顆粒的場合。

（10）PLAN62：急冷（吹掃）介質從外部引入到密封的大氣側，急冷（吹掃）介質可以是蒸汽、氮氣或者水，其作用是去除可能積聚在密封面周圍的有害物質。

（11）PLAN72：應用在布置方式2 無壓密封的場合。主密封為接觸式密封，抑制密封為非接觸式密封。抑制密封腔由外部氣源提供緩沖氣。

（12）PLAN76：應用在布置方式2 來排放泄漏到抑制密封腔的不凝氣， 并將泄漏氣排放到指定位置。該方案中配有壓力變送器，來監測泄漏氣壓力并實現報警功能。

實際上，在選擇密封沖洗方案時，可以根據實際情況進行幾種沖洗方案的組合來達到想要的密封效果。

3 MTO 裝置密封沖洗方案選擇實例

以下介紹MTO 裝置中幾種典型泵的密封沖洗方案的選型。

3.1 凝結水泵

（1）參數

介質：凝結水；密度877 kg/m3；流量90 m3/h；揚程95 m；泵送溫度147 ℃；入口壓力0.3 MPaG；泵型OH2。

（2）工藝作用

將蒸汽凝結水泵送至除氧器進行除氧或者泵送至MTO 裝置區外。

（3）沖洗方案

由于PLAN23 沖洗方案適用于所有的熱水工況，并且PLAN23 是80 ℃及以上的熱水及鍋爐給水工況的標準沖洗方案，相比PLAN21 更節能，所以蒸汽凝結水泵選擇PLAN23 沖洗方案。

3.2 堿液循環泵

（1）參數

介質：8%濃度NaOH；密度1 080 kg/m3；流量50 m3/h；揚程26 m；泵送溫度42.5 ℃；入口壓力1.0 MPaG；泵型OH2。

（2）工藝作用

為堿洗塔堿洗段的堿液循環提供動力，來洗滌反應氣中攜帶的H2S 和CO2，以滿足乙烯產品中的規格要求。

（3）沖洗方案

該泵泵送介質為非烴類介質，潔凈且泵送溫度不大于80 ℃，因此可選擇布置方式1 和PLAN11 沖洗方案；由于主密封組件周圍可能積聚苛性堿，因此選用PLAN62 沖洗方案作為輔助密封系統。綜上，該泵的沖洗方案選為PLAN11+62。

3.3 脫甲烷塔回流泵

（1）參數

介質：C1～C3烴；密度561 kg/m3；流量30 m3/h；揚程109 m；泵送溫度-37 ℃；入口壓力3.0 MPaG；泵型OH2。

（2）工藝作用

把經過脫甲烷塔塔頂冷凝下來的，以及經過脫甲烷塔排氣冷凝器冷凝下來的脫甲烷塔塔頂凝液打回流，泵送進脫甲烷塔塔頂，作為脫甲烷塔的洗液。

（3）沖洗方案

由于工藝要求，緩沖液/隔離液不能泄漏到泵中，并考慮到泵送介質甲烷不能泄露到大氣中，所以選用PLAN52 沖洗方案。 雖然PLAN62 在附錄G 中描述為： 主要用于單端面密封的輔助系統，其目的是去除氧化物，防止結焦，也用于沖走動密封組件周圍積聚的有害物質。 但在7.2.2.1 無壓雙封的NOTE1 中有描述為： 在低溫工況下，可使用急冷（吹掃）來防止結冰。 由于該泵泵送溫度為-37 ℃， 所以在密封沖洗方案中也選用了PLAN62 來防止結冰。 綜上，該泵的沖洗方案選為PLAN14+52+62。

3.4 C2 綠油分液罐底泵

（1）參數

介質：C2烴；密度444 kg/m3；流量4 m3/h；揚程266 m；泵送溫度-31.5 ℃；入口壓力2 MPaG；泵型OH6。

（2）工藝作用

將C2綠油分液罐底液泵送到乙烯精餾塔，在乙烯精餾塔塔底中回收洗液中的C2 組分。

（3）沖洗方案

雖然該泵為低溫泵，但由于高速泵布置空間的限制，不能選用PLAN62 沖洗方案。基于立式泵排氣的考慮，主密封沖洗方案選擇PLAN14。在附錄A 推薦的機械密封選擇程序的表7、8、9 中單獨提到是否為立式泵， 若為立式泵就選擇PLAN13 或PLAN14 沖洗方案，因為在表7、8、9 中針對是否為立式泵注解a 有描述：密封腔是否需要排氣為是否考慮采用PLAN13 的一項參考因素。注解b 中又有描述為：單獨采用PLAN13 時，若密封腔和泵入口間的壓差不能保證所要求的沖洗流量時， 應選擇PLAN14。在附錄G 中PLAN13 和PLAN14 也有相應的描述，這也是該泵選擇PLAN14 的原因。綜上，該泵的沖洗方案選為PLAN14+52。

3.5 混合C4 裝車泵

（1）參數

介質：混合C4；密度562 kg/m3；流量30 m3/h；揚程60 m；泵送溫度40 ℃；入口壓力0.36 MPaG；泵型VS6。

（2）工藝作用

將罐區混合C4儲罐中C4產品泵送到C4裝車鶴位。

（3）沖洗方案

由于VS6 為立式泵，主密封的沖洗方案按照上述討論選擇PLAN14 沖洗方案。該泵處于混合罐區，而本項目中混合罐區不能提供循環水進行密封的冷卻，所以該泵的抑制密封沖洗方案選擇干氣密封PLAN72+76 的型式， 主密封泄漏的氣相通過PLAN76 沖洗方案收集并排放到火炬，當主密封大量泄漏時，PLAN76 還有觸發報警的功能。綜上，該泵的沖洗方案選為PLAN14+72+76。

3.6 丙烯精餾塔回流泵

（1）參數

介質：丙烯；密度469 kg/m3；流量1 769 m3/h；揚程130 m；泵送溫度45.1 ℃；入口壓力2.42 MPaG；泵型BB2。

（2）工藝作用

將丙烯精餾塔塔頂經冷凝器冷凝下來的一部分液相，泵送回丙烯精餾塔塔頂，作為丙烯精餾塔的洗液。

（3）沖洗方案

由于BB2 泵型的泵密封腔壓力接近入口壓力，不適合選擇PLAN13 沖洗方案，綜合考慮泵送溫度和介質較為潔凈，主密封選擇PLAN11 沖洗方案。考慮到緩沖液不能進入泵內，影響丙烯的產品規格，所以選用無壓密封沖洗方案PLAN52。綜上，該泵的沖洗方案選為PLAN11+52。

4 結語

在安全和環保重視程度日益提高的當下，API682 標準在石油、化工等工業領域中泵用密封及其輔助系統的設計、制造和運行都有著至關重要的指導作用。只有掌握了密封形式、分類和沖洗方案及其配置，并結合泵送介質溫度、壓力和特性（易燃易爆、毒性），才能確定針對每個不同工況的密封形式和沖洗方案，保證設備安全長期運行，并符合環保零泄漏的要求，做到化工裝置設備本質上安全。