串联式干气密封在离心泵上的应用

罗金娟

(中国石化上海石化股份有限公司烯烃部，200540)

串联式干气密封在离心泵上的应用

罗金娟

(中国石化上海石化股份有限公司烯烃部，200540)

采用单端面机械密封的溶剂泵在运行过程中经常发生密封泄漏故障，造成设备检修频繁，且存在着微量泄漏而引起异味散发危害职业健康。通过对单端面密封进行升级改造，运用特殊设计的串联式干气密封技术代替原单端面机械密封，现场实际应用效果证明该技术能够有效地解决溶剂泵运行过程中密封端面泄漏的问题。

机泵 串联式 干气密封 环境

1 项目背景

中国石化上海石油化工股份有限公司烯烃部3#烯烃丁二烯装置新区2002 年 4 月投料开车。该装置的生产方法采用日本瑞翁公司的专利技术 GPB 工艺， 即采用二甲基甲酰胺(DMF)作萃取剂。该装置共有12台溶剂泵，主要数据参数见表1。

表1 丁二烯装置新区离心泵主要数据参数

所有溶剂泵采用的机械密封型式均为单端面机械密封，冲洗方案有两种：外部冲洗液注入式冲洗+用户自配冲洗及带换热器正向自冲洗+用户自配冲洗。在运行过程中存在着微量泄漏引起的异味散发现象，泄漏介质主要为DMF、对叔丁基邻苯二酚(TBC)、甲苯等有毒、有害介质。机械密封失效发生泄漏，不仅会危及职工安全、污染环境，同时会造成设备检修频繁，浪费人力物力。

对维修时更换下来的旧密封检查发现均有不同程度的结焦和弹簧堵塞的现象。分析认为，现场外部冲洗液注入式冲洗的冲洗介质是40 ℃的精制溶剂(非正常情况偶尔有少量杂质)，每台泵的冲洗流量150～200 L/h，且停泵时停止冲洗。冲洗流量偏小，密封产生的热量无法带走，密封腔温度升高，在整个密封腔内，密封摩擦副位置温度最高，摩擦副附近温度至少有160 ℃，因此密封端面是易聚合点。另外，单端面密封的摩擦副内侧跟空气直接接触，微量泄漏的DMF在摩擦副内侧遇氧聚合，聚合使泄漏增大，泄漏增大导致更易聚合，恶性循环。同时，设备老化，口环间隙增大，外部冲洗液注入式冲洗的冲洗量不足或者停止时，介质均易反串至密封腔内聚合。

2 解决方案[1-4]

干气密封是近年来对输送有毒、有害介质的离心泵较多采用的一种新型的密封型式，具有安全，环保，能耗低的特点。根据离心泵的工况特点，通常可以采用双端面密封和串联式干气密封两种密封方式。由于改造机泵属老旧设备，泵腔尺寸偏小，改造成干气密封存在一定的难度，需根据密封腔的实际情况对密封进行针对性的优化设计才能实现。

2.1 两种密封方式优缺点

双端面干气密封具有以下优点： 用带压密封气替代带压密封液，保证工艺介质实现“零逸出”；整套密封非接触运行，其功率消耗仅为传统双端面密封的5%左右，使用寿命比传统密封长5倍以上；结构简单的辅助系统，保证工艺介质不受污染及工艺介质不向大气泄漏；密封气通常采用工业氮气，彻底摆脱了传统双端面机械密封对油系统的依赖。

双端面干气密封的缺点：需要一定压力的气源，气源压力至少高于介质压力 0.15～0.2 MPa，并且有微量密封气体进入工艺流程。

串联式干气密封即干气密封与接触式机械密封串联使用，机械密封为主密封，干气密封为次密封。干气密封与主密封间通入略高于火炬背压的氮气，主密封泄漏的工艺介质随氮气排入火炬或收集罐，保证工艺介质不向大气泄漏，是一种环保型密封；干气密封在正常情况下处于非接触无磨损的状态，主密封失效后，干气密封短时间内起到主密封作用，防止工艺介质向大气大量泄漏。

串联式干气密封的缺点：该密封还不是完全意义上的干气密封，其总体性能介于机械密封和干气密封之间，密封使用寿命取决于机械密封的使用寿命。

2.2 方案选择

通过以上双端面机械密封及串联机械密封改造方案优缺点比较，并结合现场离心泵运行参数及密封腔的结构分析，选择串联式干气密封形式无疑是更加合适的，对密封气压力要求不高，且密封气不会进入工艺流程。

2.2.1 方案改进

改造后密封冲洗方式采用外部冲洗液注入式冲洗+外部密封气注入系统+泄漏气液排放系统及带换热器正向自冲洗+外部密封气注入系统+泄漏气液排放系统，即原机械密封的外部冲洗液注入式冲洗和带换热器正向自冲洗仍然保留。外部密封气注入系统+泄漏气液排放系统适用于不易挥发介质的串联式干气密封。运行过程中如第一级机械密封出现泄漏时，干气密封系统会将泄漏物料引至收集罐，杜绝物料的外泄。

选择此方案的同时，针对密封腔的实际情况，对泵的喉部衬套间隙、外冲洗布液以及密封的材质做了一些改进：重新全部测量泵上喉部衬套尺寸，配作副轴套，保持副轴套和喉部衬套间隙在单边0.3 mm左右，即使冲洗量不足，也可以有效阻挡介质反窜密封腔。

外冲洗孔全部在泵壳上，孔的位置不能保证正好对着第一级机械密封端面，因此在内压盖上做引流布液处理，使外冲洗液均匀地对密封端面进行冲洗润滑。

密封介质是烃类，介质侧密封选用专门为烃类介质设计的成熟的CM1Bn型，此密封同等条件下端面生热少，更利于在DMF介质中使用。密封圈采用美国杜邦Kalrez全氟醚橡胶，既耐高温和溶剂腐蚀，又比原来的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)-聚对苯二甲酸丙二酯(PPT)共聚物(PTFE)密封圈浮动性好。

2.2.2 工艺流程

干气密封系统为外部密封气注入系统+泄漏气液排放系统，外部密封气注入系统对密封气进行净化和控制，泄漏气液排放系统对泄漏进行监测和收集。系统在保证密封工作在最佳设计状态的同时，可以判断密封系统运行情况，当密封失效时系统能及时报警，有利于维修工人以最快速度处理现场事故。

密封运转时，一级密封(机械密封)泄漏介质被密封气引入收集罐，易汽化部分排入火炬燃烧，进入二级密封(干气密封)的密封气大部分被引至火炬，只有小部分通过密封端面向大气端泄漏，其泄漏量不超过50 L/h。

判断介质侧的机械密封是否工作正常，主要通过观察泄漏通道压力表压力显示值的变化。机械密封如果失效，大量压力较高的工艺介质到达第二级干气密封腔，介质气化后造成干气密封腔的压力明显增加，当压力表显示压力超过0.1 MPa时，表明密封已失效，此时压力开关发出报警信号，操作人员应及时停泵，启动备用泵。泄漏的介质一部分为气体引入火炬燃烧，一部分为液体留存于收集罐中，定期通过管路进行安全排放,确保介质不会大量外泄至环境中。

判断大气侧干气密封工作是否正常，主要通过对密封气流量的监测来进行。正常情况下，玻璃转子流量计显示流量为500 L/h左右，如干气密封出现异常时，会导致流量明显增大。当流量达到 1 500 L/h 时，可认为干气密封已经失效，应及时停泵，启动备用泵。

3 实施效果

该项目实施后，达到预期的效果。密封故障次数及现场异味与改造前相比都减少了。

3.1 检修频次比较

该项目实施后，投用5个月，未发生密封泄漏现象。虽然投用时间短，与理想化的使用年限2～3 a还有一定的差距，但是在改造前，相同周期内会发生2～3次故障现象。

3.2 环境监测数据对比

从现场环境和监测数据可以进行改造前后的比较，而环境监测数据也能反映出有毒有害气体泄漏量的减少。

选取项目改造机泵作为采样点，机泵位号相同的取一个点，距离机泵密封10～20 cm处采集样品，分别在项目实施前、项目实施后两次采样，根据丁二烯抽提装置涉及的介质特点，对DMF、丁二烯、苯、甲苯、甲苯、二甲苯6种职业卫生因素进行分析比对。项目实施前和实施后，6种职业危害因素均未超过国家规定的职业接触限值，但项目实施后的浓度值均比实施前低(检测数据比较如表2所示)，体现出项目实施对环境改善的效果。

表2 项目实施前后检测对比 mg/m3

续表2

4 结语

通过现场监测数据表明，此次将单端面机械密封改造为串联式干气密封，对减小介质泄漏量和降低对环境的污染是非常有效的。

(1)现场的环境得到有效的改善，有毒有害物质的泄漏量减少，达到改善工作环境和保护周围大气环境的目的。

(2)运用串联式干气密封之后，密封失效泄漏故障大幅减少，泵用机械密封装置的维修次数减少，降低了企业生产成本。

(3)机泵密封改造成功的经验，对丁二烯老区同类机泵机械密封改造具有一定的指导意义。

[1] 孟剑.新型密封技术在大型炼油企业中的应用[J].石油化工设备技术，2009(3)：62-66.

[2] 罗伟.干气密封的工作原理及应用[J].广州化工，2009(5)：178-181.

[3] 陈先银.干气密封在甲醇泵上的应用[J].流体机械，2009(8)：40-42.

[4] 彭瑞芳.干气密封在丙烷泵上的应用[J].石化技术，2010(3)：14-16.

石油价格暴跌成本优势削弱

“目前，原油价格已经下跌至60美元/桶以下，煤制乙二醇较乙烯法乙二醇的成本优势发生逆转，乙烯法取得了价格竞争优势。国际市场方面，乙二醇价格也屡创新低，从2014年上半年均价7 300元/t，下探至现在的约5 000元/t，跌幅超过30%，刷新6年以来的价格新低。两面夹击，直接导致了国内煤制乙二醇全行业濒临亏损的边缘。”内蒙古科技大学化工学院院长王亚雄博士如是说。

按照综合成本测算，煤制乙二醇只有原油价格在80美元/桶以上时才能具有与乙烯法的竞争优势。尽管国内的煤制乙二醇项目多以价格较低的褐煤为原料，且项目业主多是大型煤炭企业转型，但煤制乙二醇装置前期投入较大，且技术并未完全成熟，不能满负荷运行，设备折旧费用高，削弱了其成本优势。如果市场人士所预测的近2年内油价将徘徊在70～80美元/桶成真，而煤炭价格却企稳回升，那么未来国内煤制乙二醇项目的生存和发展都将遭遇重大挫折。

然而，不少依旧看好其发展前景的业内人士却表示乐观。中国石油兰州化工研究中心高级工程师徐典宏认为：“未来预期较好的依据主要是国内供应缺口大。2015年，我国乙二醇需求量预计将达到15 Mt，而两种工艺路线实际产量仅为6.6 Mt，缺口8.4 Mt，自给率不足50%。未来几年，乙二醇对外依存度较高的局面短期内很难发生转变。”

河南能源化工集团有限公司位于洛阳的200 kt/a煤制乙二醇项目现在正进行单体试车。该公司负责人透露，乙烯法的冲击的确存在，但从国内来看，石脑油路线一体化装置未来几年内新增产能十分有限，市场投放量不会很大。据统计，2014—2015年，国内乙烯法仅有约1.3 Mt/a乙二醇的装置投入运行，而煤制乙二醇新增产能将达到4.0 Mt/a，是其3倍之多。同时，国外尤其是中东地区的乙烯法乙二醇受到运费及我国关税等贸易政策措施的制约，其进入中国的价格未必具有绝对优势。此外，尽管乙二醇价格跳水，乙烯法步步紧逼，但眼下煤制乙二醇仍有500元/t的毛利可图。长远看来，全球经济滞胀格局必定会扭转，石油价格随着宏观经济的复苏攀上80美元/桶、恢复经济常态是大势所趋，届时煤制乙二醇可以逐步替代进口，迎来黄金发展期。

(中国石化有机原料科技情报中心站供稿)

Application of the Tandem Type Dry Gas Seals in Centrifugal Pump

Luo Jinjuan

(OlefinDivision,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd. 200540)

Fault of seal leakage frequently happened on dissolvent pump adopting single face mechanical seal during operation, which not only caused frequent maintenance of equipment, but also might jeopardize occupational health due to odor emission. The upgrading transformation of the single face seal adopted specially designed tandem type dry gas seal technology to replace the original single face mechanical seal, which was testified by practical application to be capable of effectively solving the problem of leakage of seal face during the operation of dissolvent pump.

pump, tandem type, dry gas seals, environment

2015-01-26。

罗金娟，女， 1981年出生，2005年毕业于长春理工大学化学工程与工艺专业，工学学士，工程师，现从事设备管理工作。

1674-1099 (2015)02-0051-04

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