高溫輻射進料泵降壓系統(tǒng)優(yōu)化

孟劍

摘 要：對一種BB2結(jié)構(gòu)形式高溫輻射進料泵的非驅(qū)動端機械密封在運行過程中的滲漏故障進行分析得出，機械密封泄漏故障的根本原因是密封腔泵送介質(zhì)壓力偏高，內(nèi)側(cè)密封沖洗液（P32）及外側(cè)密封沖洗系統(tǒng)（P53A）隔離液壓力偏小，無法滿足冷卻潤滑密封動靜環(huán)要求，導致機械密封長時間在高溫、高壓狀態(tài)下運行失效。為消除泵運行安全隱患，對泵的降壓系統(tǒng)進行了模型分析與優(yōu)化設(shè)計，將密封腔體介質(zhì)壓力由原來的1.2 MPa降低至約0.3 MPa，實現(xiàn)了密封沖洗液對密封動靜環(huán)的充分冷卻和潤滑，延長機械密封使用壽命，提高機組安全運行的可靠性，有效降低了運維成本。

關(guān)鍵詞：輻射進料泵;節(jié)流套;泄壓系統(tǒng);泄漏量

中圖分類號：TQ520.5文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）16-0047-04

Abstract： Based on the analysis of the leakage of the mechanical seal at the non drive end of a BB2 structure high temperature radiation feed pump in the process of operation， it was concluded that the root cause of the leakage of the mechanical seal was the high pressure of the pumped medium in the seal cavity， the low pressure of the internal seal flushing fluid （P32） and the external seal flushing system （p53a） isolating fluid， which could not meet the requirements of the dynamic and static rings of the cooling lubrication seal， resulting in the mechanical seal fails in high temperature and high pressure for a long time. In order to eliminate the potential dangers of pump operation ， the model analysis and optimization design of the pump's pressure reduction system were carried out， and the medium pressure of the sealing cavity was reduced from the original 1.2 MPa to about 0.3 MPa， which realized the sufficient cooling and lubrication of the moving-fix ring ， and extended the work life of the mechanical seal， improved the reliability and safety of the machine unit， reduced the cost of operation and maintenance efficiently.

Keywords： radiation feed pump;throttle sleeve;pressure relief system;leakage

延遲焦化裝置中輻射進料泵，也稱為加熱爐進料泵，是焦化裝置的關(guān)鍵設(shè)備，其功能是將300 ℃以上的焦化渣油從分離塔底抽出，經(jīng)由燃燒爐輻射室快速升溫后，送至焦炭塔反應(yīng)生焦。該泵的特點是流量大、揚程高、功率消耗大，是延遲焦化裝置用電大戶。某煉化廠延遲焦化裝置中，采用BB2結(jié)構(gòu)形式的加熱爐進料泵共3臺，并聯(lián)安裝，兩開一備運行，泵送出來的渣油經(jīng)出口截止閥后分成8個支路進入燃燒爐升溫，然后再進入焦炭塔，在8個支路上設(shè)置調(diào)節(jié)閥控制流量。3臺泵自投入運行以來，泵的性能指標良好;但是，非驅(qū)動端機械密封每運行2個月左右，便出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，對故障機械密封解體檢查后發(fā)現(xiàn)，兩道密封的動靜環(huán)均存在不同程度的磨損現(xiàn)象，此項指標與泵廠家所提供的維修計劃中機械密封使用壽命8 000 h以上嚴重不符[1]。

該泵非驅(qū)動端機械密封頻繁發(fā)生故障，不但額外增加了公司的運維成本，而且存在安全隱患，為了徹底解決這一隱患，經(jīng)分析排查后發(fā)現(xiàn)，導致機械密封故障的根本原因是機械密封長時間運行在非設(shè)計工況下導致密封失效。本文將從現(xiàn)場實際情況出發(fā)，結(jié)合該泵的結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場運行情況，就如何徹底解決非驅(qū)動端機械密封頻繁失效進行了相關(guān)研究，并進行了成功改造。

1 高溫輻射進料泵概述

1.1 設(shè)計參數(shù)

高溫輻射進料泵用于輸送高溫焦化渣油，主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

1.2 泵體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，該泵為單殼體徑向剖分式離心泵，3級葉輪串聯(lián)，首級采用雙吸葉輪，可減少軸向推力，還可有效增加泵的抗汽蝕性能，次級、末級采用單吸葉輪，設(shè)置平衡孔，用以平衡水力軸向力;泵體和葉輪口環(huán)采用騎縫螺釘固定，可提高泵的效率并維持泵的穩(wěn)定性;泵的吸入、吐出口均垂直向上，與泵體整體鑄造成型，采用雙蝸殼結(jié)構(gòu)，可有效平衡水力徑向力，確保泵在全部工作范圍內(nèi)的穩(wěn)定性;采用中心線支撐、徑向剖分設(shè)計，可有效防止高溫高壓下變形;非驅(qū)動端設(shè)置一對角接觸球軸承承受殘余軸向力，徑向力由驅(qū)動端深溝球軸承承受，軸承采用稀油自潤滑。

1.3 非驅(qū)動端密封沖洗系統(tǒng)

該泵的驅(qū)動端與非驅(qū)動端采用相同型號的集裝式雙端面機械密封。由于泵送介質(zhì)為高溫焦化渣油，密封的沖洗方案采用《石油、石化和天然氣工業(yè)用離心泵》（API610—2010）中的P32+P53A+P62[2]。

第一道密封采用《石油、石化和天然氣工業(yè)用離心泵》（API610—2010）中的P32外沖洗系統(tǒng)，如圖2所示，沖洗液為外部干凈的不污染泵送介質(zhì)的流體，沖洗液的壓力、流量可進行調(diào)節(jié)。

第二道密封采用《石油、石化和天然氣工業(yè)用離心泵》（API610—2010）中的P53A密封沖洗系統(tǒng)進行沖洗。該系統(tǒng)為一閉式自循環(huán)系統(tǒng)，循環(huán)所需的動力由機械密封內(nèi)部的泵效環(huán)完成，隔離液儲液罐壓力（壓力可調(diào)）高于密封腔室介質(zhì)壓力，隔離液一般選用白油，P53A密封系統(tǒng)如圖3所示。

第三道密封P62是機械密封急冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)的目的是阻止高溫介質(zhì)通過泵軸將高溫傳遞到推力軸承處，導致軸承溫度過高。該系統(tǒng)的冷卻水由外部冷卻水源供給。P62密封急冷系統(tǒng)如圖4所示。

2 故障根本原因分析與檢測

經(jīng)過原因查找，初步判斷非驅(qū)動端機械密封頻繁故障的原因可能是密封腔室介質(zhì)壓力高于沖洗液壓力，導致機械密封在高溫、高壓非設(shè)計工況下運行。為驗證此故障判斷的準確性，通過非驅(qū)動端密封腔室與泵入口連接的泄壓管線對密封腔室壓力進行現(xiàn)場測量，測量結(jié)果為泄壓管線介質(zhì)壓力為1.2 MPa，該壓力遠超過密封沖洗液與隔離液的壓力。P32沖洗液為蠟油，其溫度約90 ℃，壓力0.5 MPa;P53A隔離液為白油，壓力0.49～0.52 MPa。

3 方案可行性分析

經(jīng)過分析，提出以下兩種解決方案。

第一，提高密封沖洗液的壓力，使其超過密封腔室壓力（1.2 MPa）。增加密封沖洗液壓力：通過計算，需要將P32系統(tǒng)沖洗液的壓力增加至約12.1 MPa，P53A系統(tǒng)隔離液壓力增加至約12.4 MPa，即可滿足密封的要求，對現(xiàn)場操作來講，此方案最為簡單。對該方案進行綜合性評估，發(fā)現(xiàn)單純地增加密封沖洗液壓力將會額外增加指向驅(qū)動端的軸向力（根據(jù)該泵的結(jié)構(gòu)，泵運轉(zhuǎn)時，水力軸向力指向驅(qū)動端），影響轉(zhuǎn)子平衡，造成推力軸承承受載荷增加，長時間運行將導致該軸承溫度偏高，從而使軸承壽命降低。

第二，降低密封腔壓力，使其與驅(qū)動端密封腔壓力相近。降低密封腔室壓力：根據(jù)該泵的結(jié)構(gòu)，繪制了簡易的非驅(qū)動端密封腔體降壓系統(tǒng)，如圖5所示，可通過增加節(jié)流套的降壓能力（流阻）及加大泄壓管線過流能力，使通過節(jié)流套泄漏的泵送介質(zhì)能完全通過泄壓管線回到泵入口，達到動態(tài)平衡。該方案不僅可徹底解決密封頻繁故障，而且不會造成其他新的潛在故障的發(fā)生，對于泵的穩(wěn)定性也有所提高。

通過分析上述兩種方案的可行性，本項目采用降低非驅(qū)動端機械密封腔室壓力的方案進行項目改造，以徹底解決機械密封頻繁損壞的故障。

4 泵降壓系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

為了得到相對準確的計算結(jié)果，在對該泵更換機械密封時，按照相應(yīng)要求對其進行了局部解體，測量了節(jié)流套間隙、節(jié)流套有效長度、泵蓋泄壓孔、泄壓管內(nèi)徑，測量結(jié)果如表2所示。

從以上計算結(jié)果可以得出，節(jié)流套泄漏量[q1]與泄壓管線過流量[q2]基本相等，維持了動態(tài)平衡，計算結(jié)果準確，此時機械密封腔室壓力[P2]=1.2 MPa。

假設(shè)將機械密封腔室壓力降低至[P2]=0.35 MPa，按照現(xiàn)有節(jié)流套測量參數(shù)，根據(jù)公式（1）計算節(jié)流套的泄漏量[q1]=12.64 m3/h，泄漏量增加了28.6%;同時按照公式（2）計算泄壓管或孔的過流量[q2]=4.49 m3/h，該數(shù)值約為節(jié)流套泄漏量的1/3，出現(xiàn)了嚴重不匹配的現(xiàn)象，只有將泄壓管線內(nèi)徑增加至24 mm，此時計算[q2]=12.96m3/h，該過流流量與節(jié)流套泄漏量基本相等，維持了動態(tài)平衡。

考慮到只增加泄壓管線內(nèi)徑，由原來的15 mm增加至24 mm，將會導致泵的內(nèi)漏增大，造成泵的效率下降，本項目優(yōu)化改造時應(yīng)盡可能保證節(jié)流套與未改造前泄漏量（9.83 m3/h）基本保持一致，因此計劃將采用如下兩種方案同時進行：第一，將原節(jié)流套結(jié)構(gòu)改為齒形結(jié)構(gòu)，增加流阻，如圖6所示;第二，適當增加泄壓孔孔徑，可增加過流能力。

5 軸套結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

雖然通過齒形節(jié)流套、增大泄壓孔徑的方案可滿足降低機械密封腔室壓力的要求，達到預期的效果;但是，為了增加此次項目改造的可靠性，計劃再將軸套結(jié)構(gòu)改為螺旋槽形式（如圖7所示），這樣可增加一定的流阻，進一步降低節(jié)流套泄漏量，增加方案的可靠性[5]。

為了對螺旋槽計算結(jié)果進行驗證，對螺旋槽進行了三維建模以及數(shù)值模擬分析計算，計算過程如圖8所示，計算結(jié)果為螺旋槽可提供的流阻是0.025 5 MPa，與理論計算結(jié)果基本相同。

6 優(yōu)化方案的確定

從該泵的安全性考慮，最終采取了綜合性的優(yōu)化方案，即節(jié)流套采用齒形節(jié)流套、擴大泵蓋泄壓孔徑、與節(jié)流套配合的軸套采用螺旋槽結(jié)構(gòu)三個方案疊加實施，先對3臺泵中的1臺泵進行優(yōu)化改造。

按照以上方案對泵改造后，泵運行穩(wěn)定后對非驅(qū)動端機械密封腔室壓力進行了測量（泄壓管線上取測量點），測量結(jié)果為0.3 MPa，比預期結(jié)果偏好，項目改造非常成功。

7 結(jié)論

項目優(yōu)化設(shè)計，徹底解決了非驅(qū)動端機械密封故障頻發(fā)的現(xiàn)象，降低了公司運維成本。

優(yōu)化結(jié)果表明：降低密封腔室壓力的根本措施是保持節(jié)流套泄漏量與泄壓管線過流能力達到動態(tài)平衡;基本參數(shù)相同的節(jié)流套，采用齒形結(jié)構(gòu)的節(jié)流能力較平直結(jié)構(gòu)的節(jié)流能力高約20%;螺旋密封槽的旋向根據(jù)轉(zhuǎn)速進行準確判斷，螺旋角的變化對密封能力影響比較敏感;密封腔室壓力過大，除會導致機械密封故障頻發(fā)外，還會引起軸向力偏大，導致軸承運行溫度偏高，降低軸承壽命。

參考文獻：

[1]陶鐵梅.延遲焦化輻射進料泵節(jié)能改造[J].流體機械，2014（7）：51-54.

[2]美國石油協(xié)會.石油、石化和天然氣工業(yè)用離心泵：API610-2010[S].11版.2010.

[3]關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵理論與設(shè)計[M].北京：中國宇航出版社，2011.

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[5]羅惕乾.流體力學[M].3版.北京：機械工業(yè)出版社，2007.