加氫裂化進料泵的密封改造

文/靜國榮

上海石化芳烴部加氫裂化進料泵密封改造經驗分享——中石化上海石化芳烴部加氫裂化進料泵GA101是加氫裂化裝置的關鍵設備，該泵由BYRONJACKSON公司設計制造，于1984年10月投入使用。原設計采用的單端面彈簧密封，介質中含有H2S、溫度近120℃，轉速近6 000 r/min，在運行中密封易泄漏，使用壽命短。因介質中硫化氫含量較高，在泵運行中，密封的泄漏會造成環境污染以及對操作人員造成健康損害。公司基于環保、安全、壽命等因素考慮，對此高危泵進行密封改造。分析加氫裂化進料泵密封的故障原因，提出改進方案。根據加氫進料泵密封特點選擇合適的機械密封輔助系統，通過計算結果數據校驗密封的性能參數。

加氫裂化裝置是石油化工行業的重要加工生產裝置，其技術是在一定的穩定度和氫壓下，通過催化劑的催化作用，使原料油與氫氣進行反映進而提高油品質量、得到目標產品。加氫裂化進料泵作為其核心重要設備是保證裝置長期安全生產的關鍵。

加氫進料泵的特點是：流量大，要求操作平穩；出口壓力高、揚程大，通常為多級離心泵；對泵及輔助系統的可靠性要求高。

設備概況

上海石化芳烴部2#芳烴加氫裂化裝置GA-101是加氫新鮮進料泵，該泵由BYRONJACKSON公司設計制造，型號為3×101/4HDO，結 構 形 式 為BB5,10級離心泵。介質為減壓柴油，軸功率1175 kW，額定流量145 m3/h，吸入壓力0.21 MPa，排出壓力18.37 MPa。機械密封作為進料泵上的重要部件，是該泵能否安全、穩定、長周期運行的重要一環。

運行狀況

該泵于1984年10月投入使用，在使用過程中多次出現機械密封外漏情況,現場伴有H2S味道。原機械密封存在的問題是，型式為單端面機械密封（如圖1），輔助系統為PLAN23，且密封冷卻器循環水管直徑小，冷卻效果差。密封在使用一段時間后就發生泄漏，問題主要表現在端面內側結焦非常嚴重（如圖2、3）。

圖2 動環端面結焦圖

圖3 動環端面內側結焦圖

由于單端面機械密封的安全系數低，當密封失效時，高溫柴油會立即泄漏到環境當中從而對環境造成影響，嚴重的甚至會引起火災、爆炸、人員傷亡等重大安全事故。近年來國家對環保要求提升，同時出于對原料泵運行的安全及穩定性考慮，所以對高危泵的單端面的機械密封進行改造是必然趨勢。

雙端面機械密封是主要的選型方向，它的結構種類很多，配置不同的輔助系統，雙端面密封又可以劃分為有壓雙封和無壓雙封，所以我們先根據加氫進料泵工況選定密封的輔助系統。

輔助系統介紹和選擇

機械密封的輔助系統是密封極其重要的組成部分，是密封能否安全、可靠、長周期運行的重要保障。輔助系統選擇合理，則密封結構的選擇就相對簡單且多樣化；一旦輔助系統選擇存在問題，就會對密封結構提出很多苛刻的要求甚至任何密封結構都無法滿足使用要求。

密封的輔助系統主要有以下作用。

1.為密封的運行創造更有利的環境，主要包括：為密封提供良好的潤滑，促進端面形成穩定的液膜；將密封端面在工作時產生的熱量帶走；調節密封腔壓力；為密封提供清潔的工作液；隔離外部環境對密封的影響。

2.監測和控制密封的泄漏，主要包括：監測密封的泄漏；將泄漏介質引至適當的收集或處理系統。

由于不讓高溫柴油介質泄漏到大氣中，需要用相對安全穩定的隔離液作為密封的潤滑液，即采用有壓雙端面密封，兩對端面之間的壓力大于密封腔的壓力。當介質側密封泄漏時，隔離液泄漏到密封腔內；當大氣側密封泄漏時，隔離液往大氣側泄漏。無論哪一側的密封泄漏，泄漏的總是隔離液，從而保證透平介質的“零泄漏”，兼顧安全與環保。

經過綜合考慮此進料泵的最終沖洗方案選定為PLAN 23+53B。如圖4所示，在PLAN 53B中，由囊式蓄能器加壓的隔離液系統為抑制液密封腔提供清潔的隔離液。隔離液的設置壓力必須高于密封腔的工作壓力。隔離液采用螺旋套循環裝置進行循環。

圖4 沖洗方案53B

在該沖洗方案中，隔離液的壓力是通過囊式蓄能器來維持的。囊式蓄能器的存在避免了用于加壓的氣體與隔離液直接接觸，從而避免了加壓氣體被隔離液吸收，使密封可以用于高壓操作工況。

蓄能器應先充入加壓氣體，然后再充入隔離液，通過隔離液壓縮氣囊使蓄能器達到操作壓力。內、外側密封的泄漏會導致隔離系統壓力降低，因而蓄能器的初始充入壓力應該稍高于所需要的壓力，并且當密封泄漏時使蓄能器的壓力降到系統的最小許用壓力時，應對系統重新加注隔離液，使隔離液工作體積達到最大。

只有排出管路和密封冷卻器中的氣體和氣泡，沖洗方案53B才能實現有效的流動。因此啟動時，排除系統中的氣體對系統的正常操作至關重要。

之所以選擇PLAN23+53B而不選擇PLAN23+53A的原因還在于，PLAN 53B換熱效果優于PLAN53A。PLAN 53B則采用一個囊式蓄能器對隔離液進行加壓，囊式蓄能器將氮氣與隔離液完全隔開，避免了氮氣被隔離液吸收的情況。但是，在PLAN 53B中，換熱器的盤管中走的是隔離液，而盤管由于長度及拐彎等因素隔離液在其中流動的阻力較大，這就對螺旋套內循環裝置提出了較高的要求。

綜上所述，從可行性、可靠性、安全性、經濟性方面考慮，PLAN 53B是較優的沖洗方案。

圖5 進料泵雙端面密封結構圖

密封結構

加氫進料泵的密封型式的主要取決于溫度和轉速。雖然此加氫進料泵工作時密封腔壓力不高，但是溫度有110~120℃，它的運行轉速則高達5 918 r/min。此壓力和溫度下，彈簧式密封和波紋管密封之間選擇優先考慮彈簧式密封結構。又因為轉速高的原因(密封端面的線速度超過23 m/s) ，軸速度很高時，需要很大的閉合力才能保持密封端面的閉合，否則密封可能出現泄漏超標的問題，而很大的閉合力又可能影響密封使用壽命。因而當此情況宜選擇靜止式補償組件結構密封。綜上所述加氫進料泵的改造密封結構圖如5所示。

內封分析及參數計算

包括：密封結構選擇、材料選擇、參數設計。

1.密封結構的選擇

在正常工作的情況下介質側密封只需要承受較小的外壓工作壓力。但是，在靜壓情況下密封可能需要承受較大的壓差；同時，當密封腔壓力波動、外側密封失效或系統出現故障的情況下，密封需要承受反壓。因此，要求介質側密封既能承受較高正壓，還需要具備承受反壓的能力，所以采用如圖6所示。

圖6 雙向平衡型內封結構圖

2.密封材料的選擇

密封由若干零件組成，組成密封的零件所用的材料大致分為4類，即摩擦副組對的材料、輔助密封圈的材料、彈性元件的材料及其他結構件的材料。下面分別介紹它們的選擇原則：

（1）摩 擦副組

摩擦副組對材料的選擇是對材料的物理性能、化學性能、摩擦特性等的綜合運用。為確保密封的摩擦副具有較長的使用壽命、良好的密封性能以及高的可靠性，摩擦副組對的材料需具有以下特點：a.耐磨性。機械密封的一個最顯著的特點就是具有較長的使用壽命，API 682要求連續使用壽命達25 000 h，因此摩擦副組對材料的耐磨性是材料選擇的重要條件。b.耐腐蝕性。若摩擦副組對材料被腐蝕，會使泄漏量加大甚至導致密封失效，因此需根據截至的性質來考慮摩擦副的耐腐蝕問題。c.機械強度高。為防止摩擦副損壞或密封端面過大的變形，摩擦副必須具有較高的機械強度。d.良好的耐熱性和熱傳導性。密封運行時摩擦副摩擦產生的熱量會給摩擦副的磨損帶來不利影響，例如影響密封端面液膜的形成等。e.摩擦因數小且有一定的自潤滑性。摩擦因數會直接影響摩擦熱量的多少。在大多數情況下端面的摩擦處于不充分潤滑狀態，因此在選擇摩擦副材料時需考慮摩擦因數及自潤滑性。f.氣密性好。摩擦副組對的材料需組織緊密、無滲漏是密封性能良好的前提條件。h.摩擦副組對材料的相容性。不同的摩擦副組對材料，由于材料表面分子結構不同，相互摩擦磨損的機理不同，在密封不同介質時會有不同的密封效果及使用壽命。因此摩擦副組對材料要有良好的相容性。i.易成形加工等。這有利于降低成本，保證加工精度。

綜合上述對摩擦副組對材料的要求，同時考慮介質的特性、溫度等因數，摩擦副材料選擇進口的浸金屬石墨與碳化硅的組對。其機械性能參數見表1，碳化硅的機械性能參數見表2。

表1 石墨性能參數

表2 碳化硅機械性能參數

它是一種具有優異耐磨性的材料，其中含有的游離硅可減少端面的摩擦及磨損。

(2)輔助密封圈

根據輔助密封圈的作用，要求其具有良好的彈性、較低的摩擦系數、能耐介質的腐蝕溶脹、耐老化。在壓縮之后及長期工作中具有較小的永久變形量，在高溫下使用不黏著，低溫下不硬脆失彈，在高壓時需要有抗爆性。根據這些特征及介質工況，考慮到介質的溫度、腐蝕性等，選擇全氟醚橡膠，即FFKM。目前最常用的全氟醚橡膠材料為杜邦公司的Kalrez，其在石油化工領域有著極其多的成功應用案例，使用效果穩定。其常用牌號的數據表見表3。

綜合考慮表3中Kalrez橡膠各牌號的耐熱標準、永久變形量、拉伸強度等各種性能參數，本進料泵介質側選用的是Kalrez6375的全氟醚橡膠作為密封的輔助密封圈。

表3 FFKM(Kalrez) 橡膠的性能參數

(3)彈簧

彈簧的材料要求強度高、耐疲勞、耐腐蝕及長期工作不降低或失去彈性，Hast.C是一種鎳鉻鉬合金，具有良好的耐腐蝕性與熱穩定性，為API682標準推薦的用于小彈簧密封的彈簧材料。經過測試，按照表4所列參數設計出的彈簧的彈力誤差范圍在8%以內，在正常工作中不存在屈服變形的情況，因此選擇Hast.C作為彈簧材料。

表4 Hast.C的性能參數

(4)其他結構件

考慮到耐腐蝕耐溫等因素，選擇316L。

1.3設計計算及校核（大氣側密封）

（1） 端面寬度b

式中，d2：密封端面外徑，mm；d1：密封端面內徑，mm。

（2） 平衡系數B

式中，de：密封平衡直徑，mm。

結合介質側密封工作參數，取b=3 mm，B=0.6~0.8。進料泵密封處平衡直徑de=105 mm。根據以上參數，聯解式3-1、3-2并圓整后得：d1=103 mm d2=109 mm驗算:將d1、d2的值帶入式(3-2)可得：B=0.67。

（3） 彈簧比壓Ps

式中，Fs：單個彈簧處于工作高度時的彈力；Ns：彈簧個數，12個；A：密封端面面積,mm2；結合介質側密封工作參數，Ps的范圍為0.1~0.2 MPa,取Ps≈0.16 MPa。

結束語

當前石化行業面臨越來越大的環保及安全壓力，進料泵密封一旦失效，導致高溫、易燃介質外泄，不僅會威脅到現場人員的健康、安全，甚至會導致嚴重的安全事故、環境污染，因此加氫進料泵機械密封的輔助系統選擇及密封的可靠性、安全性顯得尤為重要。此次上海石化芳烴部加氫進料泵的改造成功，為更多類似工況密封選型提供了寶貴的 經驗。 ●