重整装置高温机泵机械密封系统改造

重整装置高温机泵机械密封系统改造

武恒山

金陵石化 江苏省南京市 210000

摘要：针对重整装置脱庚烷塔塔底泵机械密封频繁发生泄漏的问题进行分析，通过拆解现场故障的机械密封和科学计算，最终确认结焦是其密封失效的主要原因。通过改进机械密封的冲洗方案，解决了因结焦问题而造成机械密封频繁泄露的问题，降低了设备使用和维护成本，实现了设备安稳长周期运行。

关键词：机械密封；结焦；冲洗方案

化工二部I#连续重整装置脱庚烷塔塔底泵P403AB用于输送C8+介质，是对二甲苯单元的进料泵，因此在工艺操流程上起到至关重要的作用，是工艺单元的关键设备，一旦该泵失效会对下游装置生产造成较大波动。该泵投运至今其机械密封运行效果一直不佳，机械密封寿命平均不足半年。一方面更换密封不仅成本较高，另一方面该介质温度高气味刺鼻，大量泄漏易造成人员烫伤和环保事故。因此，解决该问题已经迫在眉睫。

1油泵密封失效现象

1.1高温泵简介

该高温泵在工艺流程上为脱庚烷塔塔底泵，位号P403AB，共2台，正常生产时一开一备。该泵主要性能参数如下：

型号：MC80-4

机械密封：弹簧机械密封\ C8B-V系列

介质：C8+

介质温度：175℃

泵入口压力：0.2 MPa

泵出口压力：2.0 MPa

转速：2950 r/min二级电机

流量：55 m3/h；

密封冲洗方案：PLAN11

维修情况统计：平均半年密封泄漏一次。

1.2现场解体故障现象

对现场泄漏机械密封解体检查发现：轴套表面有一圈黑色结焦物见图①，大量黑色结焦物所处的位置恰好是传动环与轴套之间进行密封的V型密封圈的位置。从图①中可以明显看到轴套表面有一周紫红色区域，可以判断密封腔此处存在高温集聚区。此外在密封腔中发现较多的黑色焦粒，静环表面有较多不规则划痕损伤见图②。

图① 图②

2密封失效原因分析

2.1原因分析

首先，该泵用机械密封泄漏存在周期性，通过维修记录发现其寿命平均不足半年，此外该泵机械密封开始时往往是微微滴漏，然后很快突然大量泄漏。从拆解机械密封图①可以看出，在轴套表面有一圈黑色结焦物且表面并伴有紫红色高温变色区。现场沿轴套方向推动传动环，发现传动环移动困难，而且移位后无法复位，初步判断是结焦物淤积导致动环的弹性补偿能力失效，从而引发密封端面比压不足，导致运转中机械密封突然发生大量泄漏。从拆解图②可以看出，密封腔体内有较多焦粒，静环表面有较多不规则划痕损伤，这是因为密封副在高速运转中焦粒进入密封接触面，从而导致静环表面受损产生划痕，导致密封偶尔发生缓慢滴漏现象。

从现场实际情况进行分析，介质温度为175℃，冲洗液无外加冷却就直接冲洗进入密封腔。首先，密封端面在高速旋转时会产生大量的热量，导致密封端面的温度上升到更高的温度，这加剧了密封腔工况不断恶劣，这很可能是造成机械密封发生故障的原因之一。

2.2密封腔热量理论计算

为了分析并判断密封泄漏的根本原因，必须分析其密封腔体内大量的结焦淤积物是如何产生的，已确认工艺系统内无此类结焦物质。首先需要计算出密封腔体内工况的恶劣详细程度，即计算出密封腔的温度，再结合介质特性，从而确认介质是否真的发生了结焦问题，从理论上提供科学的数据基础。

首先，要分析和计算出密封副处能量数据。摩擦副端面因不同状态的摩擦生成摩擦热Q_F，而且旋转元件与介质、冲洗流体或阻塞流体因搅拌也会生成搅拌热Q_A。此外，介质或阻塞流体因工作温度不同，带有一定的介质热Q_B。密封副的温度取决于密封副的热量和其分布。通过热量平衡和简化假设，再无泄露的情况下介质热Q_B可以忽略不计，搅拌热的数相对于摩擦热小很多。Q₁为摩擦热传递个密封腔体介质的热量。因此可以近似计算密封端面平均吸收的能量为：

Q_F=Q₁

按照密封的摩擦状态可以给出密封在旋转时产生的摩擦热为 ^[1]：

Q_F=fP_gVA_f

其中：p_g—密封面比压，V—密封面平均周速

在做密封腔体的热量定性计算，已收集该型密封的相关参数通，整理的主要的数据如下表。B为面积比。

B=A₂/A₁=( D²₂- D²_e)/（D²₂- D²₁）=(82.5²-78.5²)/( 82.5²-74.5²)=0.51

P_g= P_s2+BP_s1=0.14+0.51×1.8=1.058 MPa

V =（nπD_m ）/(60×1000)=(2950×3.14×78.5)/60000=12.1 m/s

A_f=1/4（D²₂- D²₁）π=0.25×3.14×( 82.5²-74.5²)=0.98×10^-3 m²

Q₁=0.02×1.058×10⁶×12.1×0.98×10^-3= 251 W

综上密封端面产生的摩擦热量为251W。

2.3密封面端面温度数值计算

密封端面的温度为密封端面摩擦运转后上升的温度和原有介质温度的叠加。由于摩擦热的存在，所以端面温度比腔体介质温度要高出许多。通过计算摩擦热对密封端面造成的温升，可以定性计算出在密封端面区域的最高温度值。从而依据介质化学物理特性来判断介质是否到达结焦的温度点，因此通过计算密封端面的最高温度来判断该介质是否有发生结焦的可能，验证前期现场拆检的初步判断为的科学性，并为提出解决此问题的方案提供数据支撑。

根据麦尔方法：此方法仅考虑密封环的导热，端面摩擦热沿着轴向传递。由于大多数机械密封都属于窄型密封环，以端面平均温度代替密封副端面温度，完全可以满足工程实际需求。故密封副端面平均温差为ΔT^[1]：

ΔT=

查阅密封资料表得知：

λ_R和λ_S 分别表示机械密封的动环（碳化硅）和静环（进口石墨）的传热效率。

Cw为其散热系数为0.9，λ_R=0.8，λ_S=0.95

ΔT=251/[0.9（0.8+0.95）]=159 ℃

因此得知端面温度比介质温度高159 ℃左右，即密封副端面温度高达334 ℃。

3解决问题方案筛选 通过以上数据计算可以确认，该泵的密封端面温度已经超过该介质的操作许可温度，对C8+介质来说容易在该温度点上发生结焦的现象，因此长时间的结焦并不断积累，致使轴套上的动环密封圈滑移困难，最终导致弹簧补偿能力失效。对于这样的状况个人初步提出以下几个解决方案： (1) 降低密封腔内的温度； (2) 采用其他形式的密封比如改进弹簧性能，提高密封滑移补偿能力； (3) 更换密封的材质使其具有更优秀的耐高温性能。

方案(2 )在实施过程中存在一定的困难，一方面如果仅考虑提高动环的滑移补偿能力而增大弹簧的弹性力，这不仅需要更换机械密封密封相关零部件还需要改变其结密封腔体结构，造成制造成本增加，而且密封重新选型设计生产周期会很长。另一方面，增加的弹簧力会导致密封面端面比压过大，而导致动环和静环磨损加剧，缩短机械密封的使用寿命。因此该方案不是最理想的方案。

对于方案 (3)，选择将密封零部件变更为更好的耐高温、导热性更好的材质，理论上是可行的，但是实际操作起来却是有困难的，因为辅助密封的材质会因为高温问题而很难进行选择。原始传动环与轴套之间的密封圈材料为聚四氟乙烯（F4），外形结构是标准的V型圈，可以成功的应用于-240～+260℃^[2]。因此密封辅材可升级到全氟橡胶（FFKM），动环和静环等零部件也必须选择为材质更高的材料，这导致密封使用成本增加较多，而且交货期会增加较长，也不利于设备长周期平稳运行。

综上，对于方案(1)，通过设法降低密封腔的温度来提高机械密封的稳定性是要最优的选择。目前对于降低密封腔体温度的方案，主要是直接冷却和背冷两种方式。冷却的目的都是带走多余热量达到降低密封腔温度的目的，由于泵原始设计仅采用PLAN11的冲洗方案，冲洗液未经外冷就进入密封腔，由于其本身介质温度高达175℃因此密封腔温度未能得到有效的降低，直接增加外接冷却器不但施工方便，而且可以在不改变原有机械密封的情况下有效降低机械密封腔内的温度，因此建议采用直冷却PLAN21的方案(1)。

4冲洗方案改造情况总结

利用装置停工待料检修机会，现场安装PLAN21冷却器，利用机泵出口管线上原有的冲洗线，将其直接引入PLAN21冷却器，冷却后的冲洗液再对接原始的冲洗入口管线，这样一来不但利用了原有的冲洗管路，而且不需要在泵体进行动火更改管线，不但操作方便而且避免现场动火施工带来的安全风险。但PLAN21的缺点是冷却器的负担重^[3]，冷却水一侧容易结垢和阻塞，当过冲洗介质流体温度较高时容易在冷却水盘管内产生水垢，长时间的结垢会导致冷却器的冷却效果降低。为防止循环水长期高温结垢堵塞，特意在冷却水线上预留了间排水用的阀门，夏季高温时可以定期排液冲洗，以减少水垢的淤积堵塞管道。改进后的机泵现场运行良好，现场实测密封冲洗液进入密封腔的温度由原来的170℃下降至70℃，改造后密封的稳定性明显提高，运行一年来未发生机械密封泄漏的情况。

5结束语

通过增加PLAN21方案，一方面脱庚烷塔塔底泵的机械密封稳定性得到极大的提高，减少了密封泄漏的概率，也减轻了检修人员的工作强度，并降低了设备使用和维护成本。另一个方面这也提高了工人平时操作和维护的安全系数，为装置长期安稳运行打下了坚实的基础。 所以脱庚烷塔塔底泵密封增加PLAN21冲洗冷却的效果的明显的，是成功的。因此可以拿来借鉴和推广应用。

参考文献：

[1] 顾永全.机械密封实用技术[M]. 北京:机械工业出版社 ,2001.7:99 -121．

[2] 机械工程材料性能手册.机械工业出版社,1994.12

[3] API Std 682-2002第二版,用于离心泵和回装泵的轴封系统[S] ．

作者简介：武恒山（1990-09-14），男，汉族，籍贯：江苏省南京市，当前职务：技术员，当前职称：助理工程师，学历：本科，研究方向：化工机械