乙烯装置急冷油泵机械密封改造

马斌良，张道君，王俊杰，杨柯

（中国石油天然气股份有限公司独山子石化分公司，新疆 独山子 833699）

乙烯装置急冷油泵机械密封改造

马斌良，张道君，王俊杰，杨柯

（中国石油天然气股份有限公司独山子石化分公司，新疆 独山子 833699）

某乙烯装置急冷油泵属于高危泵，其单端面机械密封泄漏将造成装置停工和环境污染、人身伤害等安全环保问题，因此单端面机械密封需要改造成双端面机械密封。本文结合机泵介质特性对这三种方案和辅助冲洗密封系统进行了论证，最终选择串联式高温金属波纹管密封，现场使用效果证明密封改造方案可行，达到了改造的目的。

高危泵；密封改造；串联式机械密封

1 流程简介

某石化公司乙烯装置急冷油泵是单级双支双吸式离心泵，出口压力为11.03bar，设计流量为880m3/h。油洗塔通过急冷油泵将一部分急冷油返塔循环，一部分送去燃料油汽提塔外，其余大部分送去热量回收系统。急冷油在稀释蒸汽发生器里被用于发生稀释蒸汽，供裂解炉反应使用，被冷却的急冷油一部分返回油洗塔内折流板的上方，为裂解炉来的气体提供冷却介质，一部分急冷油被注入到裂解炉急冷器中，去急冷来自废热锅炉的裂解气出料（图1）。

图1 急冷油泵工艺流程图

从工艺作用可以看出急冷油泵能否长周期安全平稳运行，关系到整个乙烯装置的能否平稳运行。

2 存在的问题

制约机泵长周期平稳运行的关键因素是机械密封的长周期平稳运行，机械密封长周期平稳运行又和机械密封的结构选型是否合理紧密联系在一起。急冷油泵属于高危泵，为双支撑结构，前后两个密封均为普通的单端面机械密封，其主要的泄漏点就是动静环端面。从图2结构可以看出，单端面机械密封只有一个端面密封，一旦密封泄漏，急冷油泵输送的易燃、易爆、有毒、有害的介质就会泄漏扩散到环境中，一方面设备故障，造成装置停工，另一方面也是最重要的是造成环境污染或人身伤害，存在安全隐患，因此必须对急冷油泵的机械密封进行改造。

图2 单端面密封结构示意图

3 密封改造方案的论证

根据API682标准，急冷油泵改造前采用的单端面机械密封属于第一类组合形式的机械密封，从介质零泄漏的安全角度出发，急冷油泵单端面机械密封应该改造成第三类加压双端面机械密封。当第一级密封出现泄漏后，第二级密封可以起到延时保护功能，通过辅助报警功能，及时提醒作业人员检修处理，同时当第一级机械密封出现泄漏时，输送介质不会外泄，提高了机械密封的安全性。根据密封面的布置方式可供选择的方案有带隔离气串联双端面非接触气膜干气密封（3NC-FB）、带隔离气串联双端面气液膜密封和带隔离液双端面串联接触液膜湿密封（3CW-FB）。

根据机泵的实际情况，对上述三种方案进行论证。

（1）带隔离气串联双端面非接触气膜干气密封。

这种布置形式的密封第一级和第二级均采用干气密封（图3），冲洗方案采用PLAN 74.这种形式的机械密封使用条件比较高，适用于密封比较干净的介质，对于粘性的含有硬质颗粒的介质不适用。急冷油泵输送稠环芳烃粘度高介质、温度高达190～220℃，由于参与冷却裂解炉中的裂解气，急冷油中夹杂有坚硬的含碳焦粒，这种介质会破坏干气密封气膜的建立，坚硬的含碳焦粒也会很快损坏密封面，所以一级密封会很快的出现泄漏；当一级干气密封泄漏后，介质会窜入密封腔中，会很快造成二级密封失效，介质泄漏，造成安全事故。即使二级干气密封未立即发生泄漏，密封气会通过一级密封大量进入急冷油泵腔造成气缚，机泵不上量、振动加剧，造成机泵无法正常工作甚至损坏。当二级密封首先损坏时，一、二级密封腔室内的密封气泄入大气，密封腔压力会下降至低于泵腔密封工艺介质压力，从而导致一级干气密封承受反压，造成一级密封立即失效，介质外泄。

另外干气密封是首先建立密封压力才能开泵，会有微量气体进入泵腔，对机泵的启动提出了更高的要求，增大了泵的操作难度。

图3 双端面干气密封示意图

（2）带隔离气串联双端面气液膜密封。

这种布置形式的机械密封第一级是接触式机械密封，第二级是干气密封（图4），冲洗方案采用Plan32+75。当一级机械密封泄漏后，介质由泵腔串入密封腔，急冷油中的一部分轻组份挥发溢出排往火炬，重组分沉积在收集罐里面。这种密封方案较第一种密封方案有一定的改进，但也存在缺陷。首先，当一级机械密封出现泄漏，急冷油会进入密封腔，破坏二级干气密封，造成二级密封很快失效，急冷油外漏，同时急冷油中轻组份挥发后，重组分的粘度增大，流动性变差，重组分的收集和后续处理难度加大。

（3）带隔离液双端面串联接触液膜湿密封。

这种配置方式的机械密封一二级均采用金属波纹管密封，冲洗方案采用Plan32+53A，典型结构如图5所示。金属波纹管密封是接触式密封，Plan32为外部强制冲洗，Plan53A是从外部引入到一、二级密封之间的隔离液，通过泵送环使隔离液强制循环，以带走密封在工作中产生的热量，隔离液压力高于内侧密封工艺介质压力0.2～0.3MPa，隔离液采用管网氮气加压。

图4 双端面气液膜密封示意图

图5 双端面串联金属波纹管机械密封

针对急冷油泵工况，输送介质粘度高、温度高、还含有少量颗粒，采用串联式高温金属波纹管密封有以下优点。

第一，当一级密封破裂失效时，高温、高粘度介质进入一、二级密封间的腔室，由于二级密封是按照一级密封标准设计的，所以二级密封能完全承担主密封的作用，介质不会泄漏入大气中，通过辅助密封系统的变化提前预警，能为密封的检修提供足够的时间，是安全的。

第二，当二级密封损坏时，腔体内的隔离液压力将会降低，会导致一级密封承受正压，而基于Plan53A方案的一级波纹密封是能承受正反压的，仍能继续工作，介质不会泄漏入大气中，能为密封的检修提供足够的时间。

第三，当PLAN 32冲洗断流时，波纹管也可以正常使用一段时间。因为一级密封摩擦副间的液膜是干净的隔离液。由于介质温度高、粘度大会造成波纹管阻塞、失弹，几小时后密封才会失效，为密封的检修提供足够的时间。

通过对上述3种方案的分析和论证，急冷油泵机械密封改造采用第3种方案，密封冲洗采用Plan32+53A。该方案采用一流的波纹管制造技术，解决了高粘度介质引起的弹簧失弹的问题，冲洗方案Plan53A解决了高粘度介质摩擦面润滑液膜难形成的问题，有良好的抗温差应力的能力，有较好的抗颗粒介质的能力。

4 验证

根据上一节机械密封改造方案的论证，急冷油泵机封改造采取串联式高温金属波纹管密封（图6），冲洗方案采用Plan32+52A。投用前将冷却水线、氮气线和储液罐冲洗置换干净，开机后连续72小时对机泵密封系统进行监测，机泵驱动端和非驱动端机械密封的密封油出入口线温度稳定，储罐隔离液液位稳定在78%～80%，储罐压力稳定在0.58MPa，机泵运行至今，机泵两侧机械密封未出现物料泄漏，密封油系统也未出现跑冒滴漏的现象，机封改造成功（图7）。

图6 串联式高温金属波纹管密封

图7 密封改造后的急冷油泵

[1]柴春林.离心泵机械密封泄漏现象分析[J].润滑与密封,2009,34(1):104-105.

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1671-0711（2017）05（上）-0071-03