进口辐射进料泵机械密封改造

刘 震

（中国石油大港石化公司 天津）

一、前言

延迟焦化装置辐射进料泵是加热炉进料泵，是装置的核心设备之一，主要任务是输送分馏塔底焦化油至加热炉内快速升温至生焦温度，然后进入焦炭塔内反映生焦，所以他输送的介质具有“两高、两大和一多”的特点，即温度高（350～385℃）、压力高（4 MPa）、黏度大、密度大和焦粉多。所以对其的设计、制造的要求高，其中的机械密封更是直接影响着该泵的安全长期运行。同时由于近年来，国内炼油企业发生了多起高温油泵密封泄漏着火事故，给装置安全运行及生产任务的完成带来严重影响，仅2010年就发生5起因机泵密封而引发的火灾。设备相关数据：高温油泵介质温度在290～358℃；密封结构为单端面金属波纹管机械密封，冲洗方案是API plan 22或32+62。

发生事故的机泵密封均为单端面金属波纹管机械密封，一旦该密封失效而大量泄漏，现场则来不及或根本无法采取控制措施，而机泵的机械密封在运行中出现故障泄漏是难免的，正好与目前我公司辐射进料泵的工艺特点和机封形式基本一致，所以对其进行改造势在必行。

二、改造方案

1.密封布置方式

吸取其他企业的经验教训，决定密封布置方式选择必须坚持两个重要原则。第一个原则是高温介质绝不能外漏，否则就会引起火灾；第二个原则是取消PLAN62蒸汽背冷，因为蒸汽易沿轴向窜入轴承箱，破坏轴承润滑，污染润滑油，严重时抱轴，也会导致机封泄漏着火。

依据美国石油学会标准API 610-1995第八版中规定“如果必须控制泵送液体通过密封端面泄漏入大气的泄漏量，可以采用下列措施之一：（1）辅助密封装置，如装一个细小间隙的浮动节流衬套；（2）采用缓冲液体压力维持在比被密封的压力低的双重式密封；（3）采用隔离液体压力维持在比被密封的压力高的双重式密封。”

布置方式1即为单端面密封，布置方式2为无压双重式密封，布置方式3为有压双重式密封；考虑到第一个原则，所以布置方式1就不适合了，应采用布置方式2或3。又考虑到该泵输送的介质为含有固体颗粒物的高温渣油，既不能排入火炬管网，又不能就地排放，而且如果介质漏入密封辅助系统中也会对隔离液进行污染，所以放弃了无压双密封的选择，决定采用布置方式2有压串联式密封，且密封辅助系统的压力要高于密封腔压力，只有这样才能保证一旦与介质接触侧的密封（内密封）发生泄漏时，是隔离液往泵腔里泄漏，而不是渣油介质外漏。

根据公式 P腔=P入口+（P出口-P入口）×0.15，得出密封腔压力P腔=0.12+（3.6-0.12）×0.15=0.642 MPa，隔离液系统的压力P隔离液=P腔+（0.14～0.41）=0.782～1.52 MPa。氮气系统最高压力为0.6 MPa，所以不能选择系统氮气作为压力源，最后选择了PLAN53B系统（图1），即通过气囊式蓄能器给隔离液加压，并通过泵效环使隔离液在两密封间循环。

密封形式，API 682标准型机械密封型式（Types of seal）分为 3 类：TypeA，滑动式多弹簧密封；TypeB，低温旋转型波纹管密封；TypeC，高温静止型波纹管密封。

选择typeC，因为C型密封的最高工作温度为400℃，而且与TypeB旋转波纹管密封相比，可以最大限度的克服由于泵轴与端盖倾斜所带来的波纹管在高速旋转时产生的振动；同时解决了密封压盖与静环之间的辅助密封可采用耐高温的柔性石墨问题，而却对机封压盖与轴的垂直度要求不高，这样就减轻了安装难度。

图1 PLAN53B系统图

2.设计参数

（1）端面比压。作用于密封端面单位面积的力称为端面比压，为保证机械密封具有长久的使用寿命与良好的密封性能，必须选择合理的端面比压，原则是必须高于波纹管比压；必须大于介质在端面温度升高时的饱和蒸汽压。在保证以上条件下，尽量取小值，以防端面发热，破坏液膜，加剧磨损，功率消耗增大，密封使用寿命减短。同时考虑对自润滑性好的组对（M106K/SiC、YG6/SiC、M106K/YG6）可以取稍大值，因液膜不易被破坏，摩擦因数不易增加。对于高黏度介质，取稍大值（以保持端面贴合）。参照现用的单密封值，端面比压取0.43。

（2）PV值。在机械密封制造行业中，用PV值来表示机械密封的工作能力（同时也可用它表示机封的工况负荷）。P是密封流体压力（MPa）；V是密封端面的平均滑移速度（m/s）。PV值的单位为MPa·m/s。机械密封的PV值越高，表示机械密封的工作能力越强；工况PV值越高，表示机械密封要承载的负荷越高（密封腔的流体压力、转动线速度）。PV值取2.1。

3.辅助密封冲洗方案

由于辐射进料泵输送的介质，温度高，黏度大，固体颗粒含量多，建议设置冲洗系统，一方面可以带走热量，降低密封腔温度，防止液膜由于气化或未排气而引起的干膜，改善密封的润滑条件；另一方面可以防止杂质的集积，延长机械密封的使用寿命。建议采用PLAN32方案（图2），它是指外来的冲洗液注入到密封腔内进行冲洗，又称为外冲洗。

（1）冲洗液的选取。为防止冲洗液进入到高温密封腔内气化，所以采用80～120℃的蜡油作为冲洗液。

（2）冲洗液注入压力的选取。外冲洗液压力应比密封腔压力要大，其差值一般为0.05～0.1 MPa，所以选取0.7 MPa。

（3）方案布置。从封油总管来，顺序配置隔断阀、单向阀、过滤器、压力表、切断阀、最后通过球面密封的活接头进入密封压盖。

图2 PLAN32系统图

4.密封材料

（1）高温油泵石墨环材料的选择。根据API 682-2004要求：对于温度为260℃（500℉）～400℃（750℉）、压力低于2.1 MPa（300 psi）机泵，摩擦副材料选用高级抗起泡石墨VS反应烧结碳化硅，所以采用浸锑石墨，浸锑石墨是一种优良的自润滑抗磨材料，可运行在高温500℃、深冷-253℃、高速20 000 r/min，高压10 MPa或高黏度等介质中。

（2）硬质合金环的选择。API 682-2004标准中推荐使用反应烧结碳化硅（RBSiC）和无压烧结碳化硅（SSSiC）。SIC与WC相比，SIC具有摩擦因数小、导热性好、硬度高耐磨的优点，所以选择SIC。

（3）辅助密封的材料。对于高温油泵，当介质温度＜290℃时，可选用全氟橡胶，当介质温度＞290℃时应选用柔性石墨，所以该泵选择柔性石墨。

（4）金属波纹管的选择。对于金属波纹管，API 682-2004规定，除非另有规定，否则，B型密封（B型密封的最高工作温度为176℃）的金属波纹管材料采用合金C-276；C型密封（C型密封的最高工作温度为400℃）采用合金718（镍基高温合金）。所以该泵选择合金718（镍基高温合金）。

（5）其他金属件的选择。基于成本考虑，轴套、内法兰等直接与介质接触的金属件采用316L；外法兰，固定环、传动环、螺栓等采用304。

5.最终方案

（1）机械密封及系统方案（图3）。

图3 辐射进料泵机封结构图

（2）机械密封及系统改造方案技术说明。改造后的密封冲洗方案采用API PLAN 32+53B+62。PLAN 32冲洗流体介质参数：介质名称，蜡油；介质温度＜105 ℃；冲洗量≥8～12 L/min；冲洗压力高于密封室压力0.1～0.2 MPa。

PLAN53B：53B用于密封布置3不允许泵送流体向大气侧泄漏的双端面机封中，系统主要由蓄能器和换热器组成。蓄能器对系统进行加压，由机封泵送环对储液进行循环，通过换热器中盘管冷却，以达到降低密封温度的目的。系统内加压至少高于密封腔0.15 MPa，乙方提供报警单元，以检测机封运转情况。并及时对系统进行补液，管道连接用高压球面接头。

密封阻封液：清洁的32号白油或相当于32号白油粘度的清洁润滑油；高于密封腔压力0.2 MPa；循环水：入口压力＞0.35 MPa，回水压力＜0.27 MPa；氯离子含量＜700 mg/L，污垢系数0.00045 mzk/w

6.安装注意事项

（1）储液罐采用细长型20 L，安装在位于密封半径0.91 m以内，不可直接安装在泵上方。储液罐底部应高于泵的水平中心线或垂直双封入口30.5～76.2 cm。

（2）机械密封压盖和储液罐之间的管线至少为通经≥1/2英寸的奥氏体不锈钢无缝钢管；坡度至少为每英尺（30.48 cm）上升1/4英寸（0.64 cm）；不可在管线上安装任何可能阻碍流动的阀门，若使用球阀或闸阀必须保证该阀门锁定在全开的位置，严禁使用截止阀、单向阀或旋塞阀；最小转弯半径为5倍的管径且数量最多6个；辅助系统管线要有足够的支撑和保护。

（3）辅助系统至少配有一个排液阀口和排气阀口；排液阀口必须保证无需拆卸管路、密封或压盖零件的情况下将密封腔和管路中的液体排净；排气阀口必须在管线的最高点，并朝下炜弯防止雨水进入。蓄能器安装后启用前必须检查充气压力和有无泄漏；一般以系统工作压力的85%作为充气压力。

7.密封使用维护情况

（1）首先对安装好的系统管线进行气密试验。用压力0.15 MPa（过高会损坏机封）的气压，做气密试验。检查每个焊点和接头，有无漏气情况，并把循环油管程内的焊渣和杂物吹扫干净；把水管回路阀打开（先关闭换热器进口阀门），向外排水五分钟以上，并敲击管壁，使里面的焊渣、杂物、尽快排放出来。

（2）把清洁的缓冲液注入辅助系统和密封回路中。密封循环液应选用润滑性好、气化点高、流动性好的润滑油，且不应对机械密封和胶圈产生腐蚀，不含杂质和细小颗粒，不易污垢，结晶、结焦。对于石油烃类介质，推荐使用白油20#轻质油或46#汽轮机油。用户也可参考同类装置系统中密封件及管路预热、保证密封循环液较好的流动性。

（3）plan53B系统加油方法。在加油前先给蓄能器气囊里充氮气，压力应小于报警值。把B0出口或零管线最高点的放汽阀打开，等出油后关闭手阀。如果没有放汽阀，就把B0出口管线最高点的接头打开，堵住罐侧的进口、使所加的油单向流动。等B0出口管线最高点出油后，再连接上所拆开的管线。继续用手压泵打油，到了需要的压力后，关闭手压泵下的手阀，并加满油箱备用。

图4 53B系统P&ID图

（4）正常工作时，除补液阀和放液排汽阀外，各阀都必须常开。换热器系统根据出口压力的不同，孔板的孔径也不同。现场可加压力表和温度表，这样可直观些。

（5）被密封介质＞80℃时，一般选用强制循环系统，即与系统相连通的密封腔的密封旋转部分，加装泵送环来循环导热油；被密封介质温度＜80℃，选用热虹吸循环，也可以选外源冲洗（PLAN32方案）。正常的机械密封的进油管线的温度应＜80℃，出口温度＜100℃。

（6）压力罐及增压罐都是按照压力容器设计生产的，出厂前经8 MPa水压试验。在正常使用温度，压力范围内，不用担心其耐压能力。

（7）对60℃以下容易凝固介质，开泵前要对冲洗的换热器罐及管路进行蒸汽加热，使其为液体并有流动性后再开泵，保证管路畅通。如介质为石腊，在开泵前先关闭进水阀门，用蒸气加热罐及管程外辟，使罐（管）内介质为液体后再启动泵，冲洗温度高于60℃时，再慢慢打开水阀，要稳定冲洗液的温度。

（8）开泵后的巡检。每天上班时候对泵及系统都要进行检查；听泵有无异常声音；探测轴承箱的振动；看机封冲洗冷却管线的入口温度在120℃以下最好；检查系统窗口的油位（2/3处），导热入口温度应在80℃以下，氮气压力要保持在规定值。

三、使用效果

该辐射进料泵机封改造在2014年4月检修时完成，改造前平均3个月机封泄漏1次，改造后机封运行良好，截止到8月底未出现泄漏，未进行过补油。机封改造后效果明显，为装置长周期安全生产提供了根本的保证。