渣油高壓進(jìn)料泵PLAN54密封故障分析及創(chuàng)新應(yīng)用

崔鐘續(xù)，何可禹，劉云秀，于 月，張 輝，應(yīng)汶靜

(中化泉州石化有限公司，福建 泉州362100)

某煉廠渣油加氫裝置加工量為330萬(wàn)t/a，設(shè)計(jì)為兩系列單開(kāi)單停，2臺(tái)泵分別對(duì)應(yīng)2個(gè)系列，另外1臺(tái)作為兩系列的備用泵。進(jìn)料泵和密封都由福斯公司生產(chǎn)制造，型號(hào)為6×10.25 HDO-9stg，介質(zhì)為280 ℃高溫渣油，設(shè)計(jì)流量230.8 m3/h，出口壓力20.1 MPa，轉(zhuǎn)速4 960 r/min。PLAN54密封是國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用在渣油加氫高壓進(jìn)料泵上。

1 密封泄漏經(jīng)過(guò)

2014年6月24日，高壓進(jìn)料泵A泵由于操作原因出口流量低低聯(lián)鎖停泵，渣油倒竄至密封油箱，重新啟動(dòng)后發(fā)現(xiàn)非驅(qū)動(dòng)端密封開(kāi)始出現(xiàn)泄漏。由于3臺(tái)高壓進(jìn)料泵共用1個(gè)密封油站，因此被污染的密封油進(jìn)入到3臺(tái)泵的機(jī)械密封中，隨后3臺(tái)泵密封開(kāi)始頻繁泄漏，導(dǎo)致機(jī)械密封的使用壽命嚴(yán)重不足，4個(gè)月內(nèi)共更換21套，常常是剛換好不久就開(kāi)始泄漏，使得裝置時(shí)刻都處于停工邊緣，嚴(yán)重影響了正常生產(chǎn)。機(jī)械密封拆檢后發(fā)現(xiàn)密封面結(jié)焦嚴(yán)重，波紋管上也有結(jié)焦。渣油竄入密封油是造成這種情況的主要原因。

2 原因分析

在機(jī)械密封出現(xiàn)反復(fù)泄漏后，一方面現(xiàn)場(chǎng)更換密封，另一方面從現(xiàn)場(chǎng)故障情況、拆檢分析、密封設(shè)計(jì)、密封選型、密封系統(tǒng)等方面入手分析故障原因。

動(dòng)靜環(huán)拆檢情況見(jiàn)圖1。

圖1 動(dòng)靜環(huán)拆檢情況

2.1 渣油反竄至密封油箱

停泵時(shí)的數(shù)據(jù)顯示，泵入口流量低于設(shè)計(jì)值，說(shuō)明當(dāng)時(shí)泵處于憋壓狀態(tài)，密封腔壓力升高。這是導(dǎo)致渣油竄入密封油箱的主要原因。渣油密度大，粘度大，易在密封面附著、結(jié)焦，導(dǎo)致密封面粗糙度被破壞，正常要求密封面粗糙度不超過(guò)0.9 μm，承載面變化從而影響到端面比壓，最終造成動(dòng)靜環(huán)磨損，局部的高溫甚至導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，不同粗糙度承載面積和端面比壓的關(guān)系見(jiàn)表1。

2.2 密封設(shè)計(jì)及選型

密封設(shè)計(jì)可以從密封布置方法、密封內(nèi)件材料選擇、密封沖洗液流量等方面入手。機(jī)械密封結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

表1 粗糙度與承載面積及端面比壓關(guān)系

單從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，該密封采用面對(duì)面【1】式結(jié)構(gòu)，固定波紋管，這種設(shè)計(jì)使用在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速位置，配合強(qiáng)制外沖洗的方案，理論上是可行的。

密封內(nèi)件，主要是摩擦副匹配【2】的選擇，采用“硬對(duì)硬”、“軟對(duì)硬”方案，材質(zhì)為硬質(zhì)合金、碳化鎢、碳化硅(反應(yīng)碳化硅、無(wú)壓碳化硅、加碳碳化硅)、碳石墨(浸樹(shù)脂、浸金屬)等等。設(shè)計(jì)選型時(shí)需參考p、V值【3】(包括psV、pcV、pgV)。

圖2 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

機(jī)械密封腔中熱量【1】主要來(lái)自于以下幾方面：

1) 密封面由于摩擦和流體剪切產(chǎn)生的熱量；

2) 轉(zhuǎn)動(dòng)密封部件引起的風(fēng)阻(或紊流)產(chǎn)生的熱量；

3) 通過(guò)密封室和軸產(chǎn)生的熱量；

4) 介質(zhì)傳遞的熱量。

密封沖洗液流量決定2對(duì)密封面之間溫度。該密封選用PLAN54， 泵內(nèi)介質(zhì)溫度280 ℃， 相當(dāng)于內(nèi)側(cè)密封接觸高溫，這顯然是不合適的。國(guó)內(nèi)同位置泵密封基本都采用PLAN32作為前置沖洗， 可以有效降低密封腔溫度， 比如API推薦的1類、 2類密封腔溫升為2.8～5.6 ℃。PLAN32密封沖洗流量可以根據(jù)式(1)計(jì)算：

(1)

式中：Qing——注入流量，L/min；

P——密封面上產(chǎn)生的熱量，kW；

SQG——泵溫度下注入介質(zhì)的比重；

dT——密封腔的溫升，℃；

C——泵溫度下注入介質(zhì)的比熱,J/(kg·℃)；

Qheadsoak——密封腔其他熱量吸收,kW。

精確的熱量吸收的計(jì)算比較復(fù)雜，應(yīng)用較多的是有限元計(jì)算法【4】，即采用ANSYS建立機(jī)械密封有限元模型，也可以通過(guò)式(2)進(jìn)行估算。

Qheadsoak(kW)=U×A×S×Dt【5】

(2)

式中：U——材料的性能系數(shù)；

A——熱傳遞面積,mm2；

S——密封平衡直徑，mm；

Dt——溫差(泵溫度-期望的密封腔溫度)，℃。

2.3 密封系統(tǒng)

上面提到密封腔溫度及密封沖洗量的確定，而密封系統(tǒng)就是密封腔溫升的重要保障。PLAN54密封油流程如下：螺桿泵→水冷器→過(guò)濾器→控制閥組→手閥→單向閥→DE/NDE密封→孔板→單向閥→油箱。

油站螺桿泵出口壓力1.0 MPa，在靠近密封的手閥和單向閥之間壓力表顯示0.9 MPa(同油站設(shè)定壓力)。為了能夠看到密封沖洗液在2對(duì)密封面之間的精確壓力，將第一個(gè)單向閥閥蓋拆除并增加壓力表。該壓力表顯示此處壓力僅為0.55 MPa，說(shuō)明單個(gè)單向閥的壓降就達(dá)到了0.35 MPa，多級(jí)泵密封腔壓力按照泵入口壓力為0.55 MPa，密封腔和密封油兩側(cè)壓力相同，這在設(shè)計(jì)上是不允許的；并且當(dāng)泵體處于憋壓狀態(tài)時(shí)，密封腔壓力也會(huì)升高，這也可以解釋為什么聯(lián)鎖停泵時(shí)渣油會(huì)反竄至密封油箱。

關(guān)于密封油站溫度對(duì)密封的影響方面，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫，密封油供油管路溫度65 ℃，而密封回油溫度達(dá)到110 ℃，密封面之間的溫度要遠(yuǎn)高于此，所以降低密封油溫度勢(shì)在必行。

3 改進(jìn)措施

3.1 增加PLAN32密封沖洗

增加常三線柴油(初餾點(diǎn)260 ℃，終餾點(diǎn)390 ℃)，作為外部介質(zhì)沖洗，此餾程下的柴油既可以降低泵的汽蝕，又可以避免柴油的過(guò)多浪費(fèi)。單側(cè)沖洗量設(shè)計(jì)為8～12 L/min，節(jié)流襯套采用浸碳聚四氟乙烯，在原密封基礎(chǔ)上更換前端密封殼體，降低了改造成本。

3.2 獨(dú)立PLAN54密封油站

原設(shè)計(jì)PLAN54密封油站采用一拖三形式，雖節(jié)省初始投資，但增加了維護(hù)成本，6套密封中任意1套的失效都有可能導(dǎo)致渣油反竄至密封油箱，從而波及其他泵的正常運(yùn)行。

對(duì)于新增的PLAN54沖洗油站，在設(shè)計(jì)初期便與設(shè)計(jì)單位進(jìn)行溝通，提出一些建議及顧慮，最終將新油站流程改進(jìn)為：

螺桿泵→過(guò)濾器→控制閥組→手閥→DE/NDE密封→過(guò)濾器→調(diào)壓閥→單向閥→水冷器→油箱。

對(duì)比原油站流程有如下改進(jìn)：

1) 拆除密封前后單向閥的閥芯，降低密封油站中壓力損失；

2) 控制閥組改為手動(dòng)操作，避免密封面之間壓力波動(dòng)；

3) 增加后置過(guò)濾器，過(guò)濾密封沖洗后的雜質(zhì)；

4) 增加后置調(diào)壓閥，使壓力調(diào)節(jié)點(diǎn)能夠移到密封之后，這樣就能夠清楚地看到密封面之間的壓力，降低了渣油竄至密封油箱的可能；

5) 選擇高效水冷器，降低了密封沖洗油溫度(由原來(lái)的65 ℃降至45 ℃)；

6) 增加密封沖洗流量(由原來(lái)的10.5 L/min提高至20 L/min)。

3.3 改PLAN61為PLAN62

密封拆檢后發(fā)現(xiàn)外側(cè)密封及波紋管有結(jié)焦現(xiàn)象，且密封大多數(shù)為外漏，也就是說(shuō)外密封面損壞得更多，所以增加蒸汽吹掃，改善外密封環(huán)境。

3.4 置換密封油及管線吹掃

由于渣油反竄后大量置換密封油，庫(kù)房導(dǎo)熱油存儲(chǔ)量嚴(yán)重不足，臨時(shí)改用10號(hào)白油代替導(dǎo)熱油，由于其熱穩(wěn)定性不如導(dǎo)熱油，因此所有改造完成后，對(duì)密封油站進(jìn)行油品置換。為保證密封沖洗油潔凈，在投用之前將所有管線用蒸汽吹掃干凈。

3.5 操作方法改進(jìn)

加強(qiáng)班組開(kāi)停機(jī)方案培訓(xùn)，從準(zhǔn)備暖泵開(kāi)始，依次投用PLAN54-PLAN32-PLAN62各沖洗方案壓力的控制，暖泵速度的控制，最小流量線、平衡管是否暖通等應(yīng)注重細(xì)節(jié)。還應(yīng)注意停泵后密封沖洗停用順序，蒸汽吹掃泵體壓力等等。

4 改進(jìn)后成果

經(jīng)過(guò)前后2次改造，不斷摸索經(jīng)驗(yàn)，最終形成PLAN32+PLAN54+PLAN62創(chuàng)新型組合。從2016年9月B泵改造至2018年11月，密封運(yùn)行正常，平均壽命由最初的幾天到現(xiàn)在的790 d，超出同行業(yè)平均壽命約430 d，這也證明此次改造是比較成功的。開(kāi)工后密封壽命統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖3。

5 與同行業(yè)對(duì)比

目前國(guó)內(nèi)渣油加氫裝置同位置密封通常采用PLAN32+PLAN53B+PLAN62，也是比較成熟的技術(shù)。2種密封方案的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比情況見(jiàn)表2。

表2 密封方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

圖3 開(kāi)工后密封壽命統(tǒng)計(jì)

如果計(jì)算一筆經(jīng)濟(jì)賬，假設(shè)PLAN53B每年更換1次，PLAN54每2年更換1次，根據(jù)泵參數(shù)不同，參照國(guó)產(chǎn)密封排名靠前的某密封廠報(bào)價(jià)， 則PLAN54和PLAN53B的費(fèi)用投入情況對(duì)比如圖4所示。

圖4 密封投入費(fèi)用對(duì)比

由圖4可以看出：PLAN53B在前3年具有優(yōu)勢(shì)，但隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，PLAN54密封壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)逐漸明顯，第4年之后，PLAN54在使用成本上要更勝一籌。以上數(shù)據(jù)只是參考目前行業(yè)平均水平，無(wú)法做到精確。不同泵的有不同的工況，不能一概而論。

6 結(jié)語(yǔ)

無(wú)論選擇哪種密封沖洗方案，使用中都會(huì)遇到一些問(wèn)題，一定要堅(jiān)定信心，抓住細(xì)節(jié)，總會(huì)有解決辦法。目前國(guó)內(nèi)供貨的密封廠家，無(wú)論是外資還是國(guó)有，設(shè)計(jì)階段和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況都有脫節(jié)，很多現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)不一樣，這也就是多數(shù)密封泄漏的原因所在。API 682—2014推出后，標(biāo)準(zhǔn)里面對(duì)于密封及其輔助系統(tǒng)的要求也越來(lái)越清晰，很多設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比老版本都有了較大改變。

隨著社會(huì)形態(tài)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越注重安全生產(chǎn)，觀念已經(jīng)從節(jié)約成本逐漸衍變?yōu)榇_保安全。PLAN54密封方案是國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用在渣油加氫裝置高壓進(jìn)料泵上， 處于應(yīng)用的初級(jí)階段， 在開(kāi)工和運(yùn)行過(guò)程中遇到了種種難題， 通過(guò)不懈的努力和不斷的摸索、 思考、 實(shí)踐， 最終形成了一套具有實(shí)際意義的密封改造方案， 達(dá)到了延長(zhǎng)密封使用壽命的目的， 為裝置的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行提供了保障， 也為同類裝置密封的設(shè)計(jì)選型提供了參考。