聚丙烯裝置動力分離器A301 機械密封的改造

李朋宇 陳 松 曲 輝

（大連西太平洋石油化工有限公司）

密封裝置是轉動設備的重要組成部分，密封性能對設備的工作效率和可靠性影響很大。 大連西太聚丙烯裝置是引進自意大利Basell 公司的spheripol 聚丙烯工藝技術，采用液相本體法生產聚丙烯成品本色粒子。 A301 是聚丙烯裝置中丙烯閃蒸罐頂部的動力分離器，其作用是脫除閃蒸后丙烯氣中夾帶的聚丙烯粉末， 該設備無備機，是聚丙烯工藝流程中的關鍵設備之一，一旦出現故障，將造成整個裝置停工。 A301 動力分離器頻繁發生故障的原因是機械密封泄漏，因此，通過查找該設備機械密封泄漏的原因，提出了解決方案并實施改造。

1 A301 機械密封簡介

聚丙烯裝置動力分離器A301 是意大利ZUCCHETTI 公司出產的，1996 年投入使用。該設備的密封采用的是雙端面機械密封 （密封方案PLAN53C）， 密封為雙平衡結構。 當主密封失效后，次密封可起到主密封的作用。 采用活塞增壓的帶壓的隔離液循環系統， 用工業白油作為封液，通過設置在雙端面密封內部的泵送環對液體進行循環。 A301 密封系統如圖1 所示。

操作參數如下：

介質 丙烯

溫度 45℃

壓力 1.85MPa

圖1 A301 密封系統示意圖

轉速 1 480r/min

API 沖洗方案 53C

2 存在的問題及原因分析

僅2017 年， 因為A301 密封泄漏導致裝置被動停車兩次， 加上一次停工消缺共計檢修3次：4 月，裝置停工消缺，主動維修，更換機械密封、軸承等件；8 月25 日，A301 機械密封內漏嚴重，壓力活塞密封油下降量10mm/h，停工搶修，被動維修；10 月15 日白班發現A301 密封再次內漏，壓力活塞下降量大約8mm/h，后來泄漏量增至大約15mm/h，維持運行至11 月3 日停工搶修，被動維修。 拆卸密封后靜環和動環的形貌如圖2 所示。

圖2 拆卸密封后靜環和動環的形貌

由圖2 可以看出， 密封端面無明顯磨痕，動環O 形圈內圈損壞，靜環O 形圈正常，端面無高溫情況。密封泄漏由于動環O 形圈與軸（或軸套）發生相對轉動導致密封圈損壞，出現此情況原因有以下兩點：

a. 彈簧座緊定螺釘未鎖緊，導致密封傳動不好， 密封動環O 形圈與軸套圓周上發生相對摩擦，導致密封圈損壞；

b. 由于此密封為背靠背雙端面密封，密封供貨為非集裝，所以在安裝時，需要調整工作高度，有可能出現密封安裝時，工作高度不正確，向介質側壓縮，介質側密封壓縮量過大，大氣側密封壓縮量偏小，導致大氣側端面貼合不穩定，動環軸向上往復運動頻繁，導致大氣側動環O 形圈摩擦損壞。

導致機械密封泄漏的原因很多，需采用很多檢查措施才能確定，如：

a. 現場安裝密封時，檢查密封緊定螺釘是否擰緊，安裝高度是否符合密封要求；

b. 機械密封彈簧的壓縮量是否準確；

c. 端面比壓是否準確；

d. 動靜環使用材料是否準確；

e. 現場檢查密封液管線是否正常，保證密封液干凈、無臟雜質、循環良好，檢查冷卻水系統是否堵塞，保證冷卻效果良好。

3 機械密封的改造

盡管做了大量的工作，但由于設備結構的原因，該機械密封仍為非集裝結構，安裝、使用過程中仍會出現一些問題，導致機械密封泄漏，進而導致整個裝置被動停工。

3.1 機械密封泄漏的影響

A301 機械密封的外漏一直是主要問題，工業白油的外漏造成300# 的設備、管線較臟，現場面貌急需改善；2017 年的兩次被動停工原因均是機封內漏嚴重， 內漏的工業白油與A301 分離出的粉塵混合形成粉塵膏，附著在D301～T301 的長約30m 的4″管線內壁上，使得管線縮徑嚴重，造成A301 出口線壓力高，嚴重影響生產運行；一旦具備停工消缺條件，這段管線需要分段拆卸、清理，給檢修帶來很大的工作量和施工風險。 為了徹底解決以上問題， 將該機械密封改為干氣密封，以解決設備的長周期運行問題。

3.2 干氣密封的結構

該密封采用PLAN32+72+76 方案， 使用碳環+串聯式干氣密封（圖3），密封氣為外引丙烯，對分離器進行氮氣氣密時， 密封氣用中壓氮氣，緩沖氣用低壓氮氣。干氣密封動環采用SiC 材料，該材料具有表面硬度高、耐磨性能好、熱傳導系數大及比重小等優點，是目前最好的一種摩擦副材料。 密封靜環采用浸漬金屬碳石墨材料，該材料具有強度高、自潤滑性好及耐高溫等特點。

3.3 干氣密封功能要求

前置密封氣為外引丙烯氣， 比D301 系統壓力高出0.05～0.10MPa， 沖洗量不小于7Nm3/h，使得D301 介質不能進入密封結構， 保證密封的清潔環境；一級密封承受全部系統壓力，密封介質為經過過濾的外引丙烯氣；該密封氣比前置密封氣壓力高出至少0.1MPa， 流量不小于15Nm3/h，少量丙烯氣經過泄漏孔板排放至火炬線，大部分丙烯氣漏至D301 系統； 二級密封承受很小的壓力，密封介質為氮氣。 一級密封失效時二級密封可以承受全部系統壓力， 起到備用密封的作用，滿足API682 的要求。 二級密封正常時全部為外引氮氣，可以高點大氣排放。

圖3 A301 干氣密封結構示意圖

3.4 干氣密封控制系統

控制系統的主要作用是為干氣密封提供干凈的氣體（過濾精度小于3μm）和監視干氣密封的運轉狀況，確保干氣密封長周期運行。 攪拌器干氣密封控制系統由3 個部分組成：

a. 過濾單元， 控制系統具有兩套過濾單元，可在線切換，過濾精度為3μm；

b. 監控單元，該干氣密封控制系統是通過對干氣密封一次泄漏流量進行監視而實現的；

c. 緩沖氣單元，緩沖氣的目的是保證串聯式干氣密封一級泄漏出的丙烯氣全部通過一次泄漏火炬排放，同時給二級密封提供密封氣。

3.5 干氣密封日常操作注意事項

表1 為該干氣密封操作的主要運行參數。

表1 干氣密封操作的主要運行參數

日常操作注意事項如下：

a. 表1 中的參數值如有波動，說明系統存在異常，檢查工藝操作是否波動；

b. 當PT-3082 出現壓力高報警，表明對應密封的一級密封可能失效，當PT-3082 出現壓力低報警，表明對應密封的二級密封可能失效；

c. 檢查密封氣過濾器是否堵塞，過濾器允許最大壓差為0.1MPa，過濾器堵塞后，應及時切換過濾器；

d. 外引丙烯氣溫度控制在60～100℃之間。

4 干氣密封的效益計算

由于改造后的密封介質為外引丙烯氣和氮氣，不存在外漏工業白油的問題，使得現場面貌有很大的改善。

按照每年因A301 機械密封泄漏而導致的非計劃停工為1 次，每次停工、檢修、開工用時20h計算。 裝置正常生產按照15t/h 產量計算，外賣丙烯與成品聚丙烯差價按每噸3 000 元人民幣計算，則停產損失為：15×0.3×20=90 萬元人民幣；由于裝置為局部停工，聚合單元軸流泵等設備繼續運行，每小時的排放損失大約2t 的丙烯，丙烯的市場價大約每噸5 000 元人民幣，則排放損失為：2×0.5×20=20 萬元人民幣； 每次檢修更換機械密封、管線清理等費用大約10 萬元人民幣；該機械密封改造的一次投資為40 萬元人民幣， 廠家承諾運行3 年不出現泄漏問題，這樣，當年可節約80 萬元人民幣，3 年可節約320 萬元人民幣。

5 結束語

2019 年4 月，在大檢修期間完成了聚丙烯裝置動力分離器A301 機械密封的改造、安裝工作，目前運行穩定。 改造后減少了裝置異常狀況的運行風險和檢修的施工安全風險，該干氣密封系統運行可靠，是一種經濟型、環保型密封。