丙烯泵機封頻繁泄漏分析及改造

叢光滋，龔 文，馮 龍

（中國石油寧夏石化公司，寧夏銀川 750026）

寧夏石化公司氣分裝置丙烯塔回流泵為臥式單級雙吸離心泵，機泵廠家為中國大連深藍泵業(yè)有限公司。該泵采用PLAN11+72+76 的沖洗方案，使用四川某公司生產的集裝式多彈簧機械密封。一級密封沖洗液為自泵出口引至一級密封的丙烯介質，實現對一級密封端面的沖洗、冷卻和潤滑作用；二級密封為干氣密封，干氣為自裝置外引入的0.2 MPa 低壓氮氣，將一級密封泄漏的丙烯引至低壓瓦斯系統(tǒng)。2020 年大修期間，技術改造將加工量由513 m3/h 增加至800 m3/h。為了滿足流量增大的要求，在進出口管徑不變的情況下對機泵進行了改造，將葉輪外徑由Φ492 mm 增加至Φ552 mm。改造后機泵在運行時出口管線存在高頻振動、出口流量大幅波動、機械密封頻繁損壞的情況。改造前后的操作條件和運行參數見表1、表2。

表1 改造前后的工藝操作條件

表2 改造前后機泵的運行參數

1 機械密封故障現象及分析

改造后機泵設計額定流量由759 m3/h 增加至810 m3/h，機泵正常運行時流量為800 m3/h，但經常出現機泵流量超過810 m3/h 接近1 000 m3/h 的不穩(wěn)定情況，每次出現大幅波動時，泵出口管線高頻振動多，機械密封容易損壞，分析泵出口總壓頭過高，調節(jié)閥壓力恢復系數在此工況不穩(wěn)定。

機泵運行中機械密封在泄漏前多次出現嗚叫現象，且機泵出口出現高頻振動，拆檢泄漏后的機械密封主要發(fā)現以下現象：一級密封動環(huán)接觸面凸臺高度由3.5 mm 磨損到0.5 mm 以內；機械密封軸套和一級密封接觸面有過熱發(fā)藍情況；O 型圈出現老化和龜裂現象。分析沖洗液氣化造成一級密封動靜環(huán)接觸面過熱干磨泄漏[1-2]。

根據上升曲線可以得出，改造后正常運行時機泵流量為800 m3/h，必須汽蝕余量NPSHr 為4.3 m，根據公式（1）可知，改造后裝置汽蝕余量NPSHa 相比改造前減小（改造前裝置汽蝕余量為5.0 m），即小于5.0 m。

式中：Pc-進口水池液面的絕對壓力，改造后塔內液面壓力由2.18 MPa 降低至1.90 MPa，Pc減小；hg-泵安裝高度，改造前后泵及泵殼位置未變，hg基本不變；hc-進口管路阻力損失，改造前后出入口管線及管件未變，hc基本不變；Pv和ρ-液體飽和蒸汽壓和密度，改造前后介質成分未變，Pv和ρ 基本不變。

改造后當機泵的流量為800 m3/h 時，汽蝕余量NPSH=NPSHa-NPSHr＜5.0-4.3=0.7 m，可以滿足裝置汽蝕余量大于必須汽蝕余量的要求（即NPSHa＞NPSHr）。當機泵運行流量＞940 m3/h 時，機泵的必須汽蝕余量NPSHr＞5.0 m，有效汽蝕余量NPSH 不能滿足機泵正常運行要求。當流量達到1 000 m3/h 時，機泵出口流量超過額定流量，必須汽蝕余量超過裝置汽蝕余量發(fā)生汽蝕，造成密封腔內壓力和溫度劇烈波動，影響密封端面液膜的穩(wěn)定。密封腔處的介質熱量積聚導致機封在運行時端面有較大溫升，附近輕組分的烴類介質發(fā)生氣化，端面無液體進行有效潤滑，發(fā)生干摩擦使一級密封面動環(huán)處磨損嚴重，介質側O 型圈高溫老化甚至發(fā)生碳化現象[3-5]。

2 解決辦法及措施

2.1 更換密封材料

將O 型圈材質更換為全氟醚橡膠，因為全氟醚橡膠具有更好的耐化學性、耐熱性，表面沒有滲透、開裂和針孔等困擾，長期工作溫度為-39～288 ℃，短期可達315 ℃，在低于脆化溫度下仍具有一定塑性，硬而不脆，可彎曲[6]。將鎖緊環(huán)處的緊定螺釘強度由6.8 級提高到8.8 級，防止在機械密封腔內壓力和溫度劇烈波動時，螺栓松動造成軸套沿軸向竄出。

2.2 增加裝置汽蝕余量

平穩(wěn)操作,通過公式（1）可知，在保證丙烯塔正常操作的前提下，盡量增加丙烯塔的液位高度，可以增加泵的相對安裝高度hg，即增加泵前介質的壓力；拆除丙烯塔回流泵入口管線的保溫，可以降低泵入口介質溫度，即減小泵前介質飽和蒸汽壓，以上措施可以增加裝置的有效汽蝕余量，防止介質氣化。

2.3 減少機泵必須汽蝕余量

為了防止機泵在超過額定流量運行時產生汽蝕，機泵在該流量下的必須汽蝕余量大于裝置汽蝕余量。根據機泵的性能曲線分析，將機泵葉輪切割可減小機泵的必須汽蝕余量。切割葉輪后的機泵還需滿足在泵最大流量（約1 000 m3/h）運行時揚程的需要。

式中：H總-系統(tǒng)總壓頭；H系統(tǒng)-克服65 m 的高度塔高水頭、入塔塔頂與出塔塔底背壓差水頭之和，常量；HVA-附件阻力降總壓頭，泵出口沿程管線所有管件的壓頭阻力降總和，隨流量變大壓頭阻力降總和變大；HVR-管線阻力降總壓頭，泵出口沿程管線壓頭阻力降總和，隨流量變大壓頭阻力降總和變大。

在流量為1 000 m3/h 時，機泵的系統(tǒng)總壓頭H總分別為65、95 m，塔液位至泵體中心線高度約為65 m，通過公式（2）可知，H總隨著機泵流量增大而增大，分析在泵流量為1 000 m3/h 時需要不小于70 m 揚程總壓頭才能滿足機泵運行要求。將自上而下第一根曲線沿著自右向左第一根豎線垂直向下平移至揚程垂直坐標為70 m 后，新生成的自上而下第三根曲線與自右向左第一根豎線相交的點，該點葉輪直徑為φ512 mm。該葉輪直徑能夠滿足總壓頭的工藝要求，又降低了泵的必須汽蝕余量，在調節(jié)閥全開的狀態(tài)下，最大流量也能滿足1 000 m3/h 的工藝調節(jié)。

圖1 中自下而上第一根曲線為葉輪切割至直徑φ512 mm 時泵必須汽蝕余量與流量的性能曲線，當流量為1 000 m3/h 時，機泵必須汽蝕余量NPSHr 為4.5 m（自右向左第一根豎線與自下而上第一根曲線交點）。此時泵必須汽蝕余量NPSHr 為4.5 m 小于裝置汽蝕余量（約5.0 m），泵不會發(fā)生汽蝕，切割葉輪后可以避免泵在大流量下汽蝕造成機封泄漏。

圖1 切割前后泵的必須汽蝕余量曲線

3 結語

通過對氣分裝置丙烯塔回流泵葉輪外徑進行切削改造后，機泵運行時將調節(jié)閥全開最大流量可以達到980 m3/h，揚程能夠滿足生產需要，出口高頻振動明顯減弱，流量調節(jié)自動控制趨勢穩(wěn)定，機泵已連續(xù)運行半年以上。

本文通過分析丙烯塔回流泵在超過額定流量運行時容易發(fā)生汽蝕導致機械密封頻繁泄漏的故障現象，提出了切割葉輪改進措施。經過改造，避免了機泵機封頻繁泄漏檢修，除去檢修人工費用和泄壓導致的液化氣損失外，更換機封的費用1 年可節(jié)約35 萬元。切割葉輪后機泵電流降低20 A，該泵屬于高壓電機，一年節(jié)約電費約73 萬元。高危泵MTBR、MTBF 指標開始回升，產生了良好的效益。