延迟焦化装置贫吸收柴油泵密封失效分析与改造

杨鼎麟

(中化泉州石化有限公司,福建 泉州 362103)

延迟焦化装置贫吸收柴油泵密封失效分析与改造

杨鼎麟

(中化泉州石化有限公司,福建 泉州 362103)

通过分析延迟焦化装置贫吸收柴油泵密封频繁失效的原因,提出改进密封结构及冲洗方案,提高了密封的安全性与稳定性.自2012年2月投入运行,其运行寿命均超过两年,满足了生产的需要,取得了良好的密封效果和经济效益.

贫吸收柴油泵;冲洗方案改进;串联集装式机械密封;摩擦热

延迟焦化装置贫吸收柴油泵为悬臂式离心泵,型号为ZHY100-400,国内厂家生产.

泵介质为柴油(含少量焦粉),泵入口压力0.734MPa;出口压力为2MPa,温度180℃,密度0.745t/m3;泵转速2980r/min.在机封的选择上,考虑到贫吸收柴油高温度以及易气化的特性,原密封结构采用端面波纹管结构;密封冲洗方案采用Plan21,用于对密封进行冷却冲洗,防止介质汽化,降低辅助密封圈温度,减少结焦或聚合,改善润滑性能,其原密封结构形式见图1.

图1 密封结构形式图

FI为Plan21冲洗介质入口;Q,D孔分别为急冷出入口.

从2009年4月开始,该位号泵投产运行.初期密封使用情况相对比较稳定.2011年12月开始密封频繁出现泄漏,严重地影响到焦化装置的平稳生产运行.

通过泵的检修情况,见表1.

表1

经检测泵的振动,轴向串量、轴承温度等运行参数均正常.

1 密封的失效原因分析

通过对现场机封拆检,并结合机械密封现场运行检查记录及机械密封的设计尺寸参数,分析认为导致机械密封失效的主要原因有以下几点:

(1)密封补偿原件波纹管内被焦粉以及结焦固体粉末填满,波纹管弹性降低,补偿环轴向追随性差,密封端面泄漏介质.

(2)从机械密封端面泄漏出的微量介质,不断地渗进补偿原件与轴之间的间隙,此处介质不流动,泄漏介质易氧化结焦和高温碳化,加剧对补偿原件波纹管的堵塞,波纹管失效,密封出现泄漏.

(3)密封补偿环端面由于高温出现不均匀变形及结焦物粘结在端面上,导致密封端面不平介质从密封端面泄漏.

(4)由于现场没有脱盐水,给换热器提供冷却的循环水在换热器盘管及其内壁上高温下结垢,换热器换热能力降低;Plan21冲洗循环介质得不到充分冷却,介质在进入密封密封腔受端面发热及搅动产生热量的影响气化,使密封补偿原件处于压力不稳定区域,密封泄漏.

2 密封的改进设计

为保证机械密封稳定、长周期的运行,除了在选择机械密封的结构参数及材料上面符合使用要求外,对泵输送介温度高、易气化、易结焦的流体,机械密封冲洗油系统的引入更是机械密封长周期运行的必须条件.这时不能用自身流体介质作为直接冲洗;需要对介质进行充分冷却后作为冲洗流体;同时须控制冲洗流体的流量与温度.

结合现场条件,由于柴油不冷凝,少量的焦粉不会对密封使用寿命产生大的影响,按照API682标准对密封及其冲洗系统进行改造;系统采用Plan23+52的冲洗方案.

2.1 密封结构设计

由于介质为焦化贫吸收柴油,且泵的运行温度高达180℃,考虑到机械密封的运行条件及环保要求,并按照API682标准选用C型密封,即内装、平衡、串联集装式金属波纹管机械密封.

方案PLAN23通过对输送介质循环冷却,降低流体饱和蒸汽压,确保介质不发生汽化,对密封端面进行冲洗.

PLAN52不加压双密封系统,为第二级密封提供缓冲液,阻止介质向大气泄漏,防止泄漏介质结焦.缓冲流体装在密封储罐内,密封储罐与排气火炬系统相连,缓冲流体压力接近于大气压.方案PLAN52用于清洁的非聚合介质,介质的饱合蒸汽压高于缓冲流体压力.系统储罐上安装有液位开关及压力开关,对密封泄漏情况进行实时监控.

原泵结构配用集装式单端面机械密封,现对密封按照API682标准进行改造设计,密封结构图如图2.

图2 改进后机械密封结构图

2.2 结构件设计

由于改用PLAN23冲洗方案后,密封腔介质侧密封冲洗介质循环由重新设计的螺旋套提供泵效力(件15);靠近泵入口处在泵效环上设计节流装置,节流小间隙控制冲洗液流量,减少泵送介质与冲洗介质的相对流动,降低介质自身热交换率,使PLAN23冲洗介质稳定循环冲洗密封端面.

PLAN52冲洗液依靠件6上设计的螺旋套在高速运转条件新形成的泵效力循环;螺旋套外径与压盖之间的间隙不宜过大或过小,间隙过大泵送效果差,密封液循环少;间隙过小会在泵振动超标时螺旋套与压盖接触,容易产生事故.

根据机械密封的设计安全和可靠原则,要求密封在极端工况条件下短时间运行时,波纹管密封不能出现破裂类的损坏,满足设备现场紧急检修的可操作性.结合确定的密封结构方案示意图,该密封最薄弱的点在机械密封端面、波纹管和轴套辅助密封圈上;在一级密封失效后,二级机械密封必须满足能够在承受高温及介质压力情况下正常8小时以上.

选材方面,机械密封前后两级密封端面材料均选用自润滑性能好、摩擦系数低的高强度石墨与硬质合金组对,可以在油类介质中实现长周期运行;另外,由于泵送介质的温度达180℃左右,且经过轴导热到轴套密封圈处的温度接近泵送介质温度,既要求选用的橡胶圈能承受170℃的温度,同时,该结构设计时配置了两道轴套密封圈,提高该密封点的可靠性.

2.3 机械密封冲洗量循环量的计算

由于接触式机械密封摩擦副之间在相对时会产生大量的端面热,密封端面在受热不均匀的情况下会产生非对称变形;摩擦副及辅助密封元件在设计条件下不能超过其耐热极限.为了保证机械密封的正常运行,仅靠选用耐高温、导热性能好的摩擦副材料和合理的结构也不一定能达到预期的效果;同时,轻质烃类介质具有自润滑性差、易挥发的特性,还会引发液膜汽化等引起干摩擦过热问题,因此采取对介质先降温再冲洗的措施.

由于密封腔中热量的来源有多种,包括密封端面摩擦和介质剪切产生的热量;旋转的密封元件引起的紊流产生的热量;泵经密封腔和轴传递的热量.同时密封腔热量也有一部分散失,如大气侧密封的冲洗液带走的热量,通过传导和辐射进入大气中的热量.而主密封端面产生的热量是依靠PLAN23冲洗循环冷却来保证端面温度处于相对稳定的允许工作温度范围内.但是在实际运用中,由于搅拌热不易确定,通常按端面摩擦热考虑合适的摩擦系数来确定.

即摩擦热为:

式中,Pc为端面比压,MPa;Tr为密封端面转矩,A为端面面积,mm;f为端面摩擦系数,05～0.10,考虑安全因素,一般取较大数值;f=0.2～0.3;Dm为端面平均直径,mm;n为泵转速,r/min.

则介质侧密封循环冲洗量为:

式中,ρ为泵温度下冲洗液的相对密度,kg/l;△T为密封冲洗液的温升,K;CP为泵温度下冲洗液的比热容,J/(kg.K).

介质密度ρ=0.745kg/l;比热容cp=2100J/(kg.K);冲洗液温升△T根据现场经验对23冲洗温升限制在16℃以下,现取中间值△T=8℃.

即要使机械密封在该条件下长周期运行,泵送环的泵效能力需要达到最小冲洗循环量为7.38l/min.经对泵送环的设计计算,最后确定设计泵送能力为10l/min,以满足工艺运行需要.

3 结语

从2012年更换新的密封以来,密封平均使用寿命均在两年以上;通过对焦化贫吸收柴油泵机械密封结构的合理优化,结合API682的相关设计规范要求,对密封冲洗方案的改进及对密封结构的重新调整,密封方案的选择与设计更合理、环保,提高了机械密封的使用性能.降低了设备维护、维修费用,保证了装置连续稳定生产.

[1]顾永泉.机械密封实用技术[M].北京:机械工业出版社,2001.

[2]孙玉霞,李双喜,李继和等.机械密封技术[M].北京:化学工业出版社,2014.

[3]郝木明.机械密封技术及应用[M].北京:中国石化出版社,2014.

TE96

B

1671-0711(2017)11(下)-0048-03