乙烯裂解裝置脫丁烷塔回流/產(chǎn)品泵機械密封改造

陳正強(中海殼牌石油化工有限公司，廣東 惠州 516086)

0 引言

某廠120萬噸/年乙烯裂解裝置采用前脫丙烷前加氫工藝流程，其分離單元熱區(qū)脫丁烷塔回流/產(chǎn)品泵為國內(nèi)生產(chǎn)的單級懸臂臥式離心泵，其主要作用是將脫丁烷塔頂回流罐的混合碳四進行回流，保證塔操作壓力，將多余的混合碳四采出外送至下游裝置作為原料。該泵從2018.7.16到2019.8.19期間，機械密封累計失效次數(shù)多達11次，運行周期較短，經(jīng)常發(fā)生密封內(nèi)漏使密封罐液位超高報警及密封油外漏大氣現(xiàn)象，需頻繁維修機械密封，這對裝置的可靠性，安全性以及經(jīng)濟性都有很大影響，因此根據(jù)該密封進行了根本性的改造。

1 設(shè)備信息

脫丁烷塔回流/產(chǎn)品泵為單級懸臂離心泵，型號EAP 100K3-315-P，設(shè)計額定吸入壓力0.417MPa，排出壓力1.007MPa，揚程108m，正常流量174.5m3/h，溫度43℃，功率7.5kW，介質(zhì)為混合C4烴，具體工藝介質(zhì)組成如表1所示。

表1工藝介質(zhì)組成表

脫丁烷塔回流/產(chǎn)品泵機械密封為國內(nèi)生產(chǎn)的串聯(lián)式雙端面機械密封如圖1所示，該密封是靠兩對垂直于軸作相對滑動的端面在流體壓力和補償機構(gòu)的彈力作用下保持貼合并配以輔助密封而達到阻漏的軸封裝置。主要結(jié)構(gòu)由靜環(huán)、動環(huán)、彈性元件、彈簧座、緊定螺釘、旋轉(zhuǎn)環(huán)輔助密封圈和靜止環(huán)輔助密封圈等元件組成，防轉(zhuǎn)銷固定在壓蓋上以防止靜止環(huán)轉(zhuǎn)動。該密封兩級密封動環(huán)材質(zhì)設(shè)計為石墨，靜環(huán)兩級設(shè)計材質(zhì)為燒結(jié)碳化硅，各靜密封點O 型圈材質(zhì)都為氟橡膠。

該密封API 沖洗方案為Plan11+52，一級密封為主密封，在設(shè)備運行過程中，一級密封起主要密封作用，通過自身介質(zhì)沖洗循環(huán)帶走動靜環(huán)端面上的熱量。二級密封為保護密封，采用15#白油進行循環(huán)沖洗，在主密封發(fā)生內(nèi)漏時，介質(zhì)會漏至密封罐進而汽化進入火炬系統(tǒng)，避免介質(zhì)直接漏至大氣中造成工藝泄漏事件。

圖1 機封剖面圖

2 失效原因分析

脫丁烷塔回流/產(chǎn)品泵自2018年7月份以來，平均更換新密封后運轉(zhuǎn)5到15天左右，一級密封向密封罐漏介質(zhì)，二級輔助密封開始外漏白油，且泄漏量日益增大，最長運行三個月，最短10天左右，密封就會失效，密封泄漏量從之前的1滴/分鐘增大到1滴/秒，甚至發(fā)生連續(xù)流動現(xiàn)象，運行后期需要頻繁加注白油保證密封循環(huán)，這對裝置可靠性有很大威脅，也極大的增加了操作人員和維修人員的工作量。

根據(jù)該機械密封多次現(xiàn)場失效現(xiàn)象及解體情況的做了根本原因分析如圖2所示。

圖2 根本原因分析

對比多次失效結(jié)果和拆解報告發(fā)現(xiàn)動環(huán)密封端面附著了部分微小膠狀黃色固體物質(zhì)，通過化驗分析發(fā)現(xiàn)該黃色物質(zhì)為雙烯烴的聚合物，同時根據(jù)密封運行與失效時間來看，都是運轉(zhuǎn)5天到15天左右機封發(fā)生內(nèi)漏或者外漏現(xiàn)象，且密封泄漏情況逐日嚴重。另外工藝為保證產(chǎn)品質(zhì)量，脫丁烷塔操作壓力長期維持在0.34MPa，偏離密封設(shè)計泵入口壓力0.417MPa，可能導(dǎo)致一級密封沖洗液氣化，且多次解體發(fā)現(xiàn)密封表面都有熱裂現(xiàn)象，靜環(huán)座O 型圈碳化，表明一級密封沖洗量明顯不足，不能帶走密封端面熱量。

根據(jù)以上分析最終得出二級密封頻繁失效的原因是由于工藝介質(zhì)從一級泄漏進入二級密封產(chǎn)生的烯烴聚合物粘著在密封的動靜環(huán)端面上，使動靜環(huán)密封面端面不平整，導(dǎo)致二級密封失效，而一級密封泄漏原因是由于一級密封汽化且一級密封沖洗量不足，導(dǎo)致密封端面熱量不能有效帶走使動靜環(huán)過度磨損磨損進而發(fā)生泄漏現(xiàn)象。

3 改造方案

根據(jù)多次密封失效后，根據(jù)失效分析對該密封進行了第一次改造，具體改造方案如下：(1)一級密封增加布液環(huán)，使一級密封沖洗液均勻沖洗密封端面，減少一級密封沖洗液汽化磨損密封。(2)二級密封的動環(huán)材料由石墨改成碳化硅，使密封動密封點由設(shè)計的接觸性軟對硬(石墨對碳化硅)改為硬對硬接觸(碳化硅對碳化硅)，這種改造可以使自聚產(chǎn)生的聚合物不會附著在密封端面上，從而保證密封端面不會因為聚合物而造成密封端面不平的現(xiàn)象產(chǎn)生。(3)改造二級密封泵效環(huán)及流道，增強封密液循環(huán)能力。2019年1月28日和 29日分別給脫丁烷塔回流/產(chǎn)品泵更換了改造后的密封，改造后的密封運行效果顯著，更換后的5個月內(nèi)，該泵密封再未發(fā)生密封泄漏現(xiàn)象。從7月份開始發(fā)現(xiàn)該泵密封開始發(fā)生內(nèi)漏，密封罐液位上漲較快，需要工藝頻繁排放，降低密封罐液位，但本次二級密封正常，無外漏現(xiàn)象。對失效密封解體發(fā)現(xiàn)一級密封動環(huán)端面有受熱泡疤現(xiàn)象，二級密封面一切正常。

從密封拆解結(jié)果可知該密封本次泄漏還是由于一級密封汽化導(dǎo)致密封沖洗沖洗不足，因此對該密封進行了第二次改造，本次改造主要針對一級密封沖洗進行優(yōu)化，具體改造方案如下：(1)將一級密封Plan11方案沖洗孔增大到原沖洗孔的2倍，使密封沖洗量增大(超過16L/min)，即使部分汽化也能達到設(shè)計沖洗液的要求。(2)在密封腔內(nèi)增加節(jié)流環(huán)裝置，提高密封腔內(nèi)壓力，原來機封沖洗無節(jié)流裝置，主要依靠泵節(jié)流襯套進行節(jié)流降壓，但泵節(jié)流套設(shè)計間隙較大，不能滿足密封節(jié)流要求進而導(dǎo)致密封壓降較大，加速介質(zhì)汽化使密封磨損。

第二次改造后于8月19日對脫丁烷塔回流泵更換了最新密封，該泵運行至今超過6個月時間內(nèi)沒有發(fā)生密封泄漏事件。

4 結(jié)語

針對現(xiàn)場實際分析及改造，對脫丁烷塔回流/產(chǎn)品泵機械密封頻繁失效泄漏的原因總結(jié)主要有以下兩個方面：第一，由于工藝操作壓力與密封設(shè)計泵入口壓力偏離導(dǎo)致一級機封沖洗嚴重汽化及密封沖洗量設(shè)計不足引起一級密封磨損問題，通過兩次改造對一級密封沖洗采用了增加補液環(huán)，增大沖洗量和增加節(jié)流裝置等方式來保證密封沖洗量充足，通過以上措施基本保證了一級密封沖洗量，從根本上解決了一級密封失效內(nèi)漏問題。第二，由于一級密封內(nèi)漏至密封罐使二級密封接觸介質(zhì)中的二烯烴等易聚合的工藝物質(zhì)，而該密封設(shè)計時沒考慮此種工況進行動環(huán)材質(zhì)選用了普通石墨，工藝介質(zhì)中的二烯烴聚合物自聚產(chǎn)生的微小淡黃色固體物質(zhì)在密封液循環(huán)過程中被吸附在動靜環(huán)密封端面上導(dǎo)致密封面不平整進而使密封外漏現(xiàn)象。在對二級密封動環(huán)材質(zhì)更改為碳化硅，并增加了二級密封循環(huán)液的泵送能力后，避免了二烯烴聚合物在密封端面上的附著，從根本上解決了該密封二級密封失效外漏的問題。