高危介质泵机械密封及密封冲洗方案的改造

　　针对炼油厂催化裂化装置分馏塔底循环油浆泵的机械密封寿命短、泄漏频繁、检修率高的问题。文章分析了导致油浆泵机械密封泄漏的原因，分别对油浆泵机械密封的选型、机械密封冲洗方案进行了改造，改造后延长了机械密封的使用寿命，达到了长周期运行。

　　催化分馏塔底油浆循环泵是炼油厂催化裂化装置的关键设备，我厂油浆泵为开一备一，由嘉利特荏原泵业有限公司制造。该泵为单级单吸悬臂式离心泵，其泵的型号为200ZPY450；流量为376m³/h，扬程为150 m；入口压力0.2 MPa，出口压力2.0 MPa，介质为油浆；温度340 ℃，采用波纹管式机械密封。 油浆泵输送介质温度高，密度大(840~1 010 kg/m3),含有较高浓度的催化剂(Al2O3及SiO2)等固体颗粒，最高浓度可达25 g/L，这些固体颗粒吸附性强，粘附在机封波纹管上，使波纹管波谷内沉积大量的催化剂颗粒，从而使波纹管失弹，导致机械密封频繁泄漏，给装置的长周期运行造成了很大的隐患。

1、机械密封系统失效原因分析

　　1.1、机械密封系统简介

　　我厂油浆泵机械密封采用单端面波纹管式，如图1 所示，该机械密封静环材质为碳化硅(SiC)，动环材质为石墨，动环辅助密封圈材质为柔性石墨，其余材料均为不锈钢。

图1 波纹管集装式机械密封结构组装图

1-轴封圈；5-动环密封圈；6-金属波纹管；7-静环；11-水封；12-恰簧； 16-动环辅助密封圈

　　机械密封的辅助系统采用了外冲洗结构(PLAN32 方案)，密封冲洗液为30 ℃催化自产柴油，压力为0.6 MPa，冲洗液经机封压盖进入密封腔，密封冲洗液温度较低，能及时带走摩擦热，防止动静环以及波纹管结焦，同时冲走密封腔内的杂质及结焦物，保证密封腔洁净及润滑摩擦副。此外该机械密封还采用了低压蒸汽冷却系统，冷却蒸汽既起到冷却的作用，同时又能防止密封腔内液体进入弹性元件腔，从而使波纹管机械密封在更加洁净的条件下运行。

　　1.2、机械密封失效原因分析

　　通过对失效机械密封的拆修解剖分析，发现引起机械密封失效泄漏的原因主要有以下几个方面：

　　1.2.1、工艺操作造成机械密封失效

　　在日常开停工过程中，由于操作原因造成油浆泵入口压力波动较大时，使油浆泵反生抽空、汽蚀及憋压等异常现象，引起较大的轴向力，使动、静环接触面分离，从而造成机封泄漏；日常操作中油浆泵输送介质中含有催化剂颗粒状物质，运转过程中进入摩擦副端面起研磨作用，造成机封波纹管内侧结焦、积碳及含固体催化剂颗粒使波纹管失弹及密封面发生剧烈磨损而失效。

　　1.2.2、设备安装运行过程中造成机械密封失效

　　机械密封动静环密封端面间的摩擦工况，是影响机封密封寿命的主要因素。油浆泵安装运行期间，机封密封存在以下几种失效：

　　(1)安装不当造成机械密封泄漏

　　安装机械密封时压缩量过大，导致摩擦副端面严重磨损、擦伤；动环密封圈过紧，弹簧无法调整动环的轴向浮动量；静环密封面过松，当动环轴向浮动时，静环脱离静环座。

　　(2)由于密封端面失去润滑油膜而造成机械密封泄漏

　　因端面密封载荷的存在，在密封腔缺乏液体时启动泵而发生干摩擦，造成机封泄漏；介质压力低于饱和蒸汽压力，使得密封端面液膜发生闪蒸，丧失润滑，造成机封泄漏。

　　(3)机封冲洗造成机械密封泄漏

　　油浆泵机械密封辅助冲洗系统要保障机封冷却系统冲洗液持续供给，防止端面冲洗液中断，油浆泵运行过程中冲洗液中断，使密封端面温度升高，润滑膜闪蒸而降低密封端面的润滑，从而加剧磨损，造成机械密封泄漏。

2、机械密封改造方案

　　2.1、串联式机械密封结构及工作原理

　　将油浆泵机械密封由单端面改为双端面，该方案为两级机械密封(即串联机封)，如图2 所示。第一级密封介质为柴油。两级密封之间设蓄能罐，带压气囊蓄能器加入隔离液(封液)作为二级密封的密封介质。当第一级密封泄漏后，蓄能器将隔离介质压入密封腔内，使泵送介质无法泄漏到大气，同时蓄能器上的压力开关报警。

图2 串联机械密封结构

1-弹簧盒组件；2-轴套；3-动环Ⅰ；4-泵端盖；5-静环Ⅰ；6-静环座；7-压盖；8-传动环； 9-转动圈；10-泵轴；11-静环Ⅱ；12-动环Ⅱ；13-弹簧；14-泵送环；15-O 形圈

　　与单端面机械密封相比，串联机封具有以下有点：

　　(1)适用于有毒有害等高危介质，可实现介质的零溢出，降低了危险介质泄漏到大气中的风险。

　　(2)双重保护作用，主密封失效，二级密封可以短时间起到主密封的作用。

　　(3)通过压力开关，液位开关可以实时监测密封的失效情况。

　　2.2、API 32+53B 密封冲洗方案工作原理及特点

　　API 32+53B 方案工作原理：外部管道系统为加压串联密封的二级密封提供隔离液，预先加了压的气囊蓄能罐提供压力给循环系统，如图3 所示。蓄能器为有压的双端面密封提供隔离液(封液)，采用换热器对隔离液进行降温。

图3 密封冲洗方案API 32+53B

　　它的主要优点有：适用于高温工况，区别于自冲洗，从外部引入洁净冲洗液；带走密封端面处的杂质颗粒，对密封起到清洁作用；封液压力高于介质压力，保证工艺介质零排放；系统配有压力报警开关，可及时发现密封失效情况；当一级密封失效时二级密封实现主密封功能，提高设备运行安全安级。

3、结论

　　实施上述改造后，催化裂化装置分馏塔底油浆泵P208 运行状况良好，机械密封处于稳定状态，有效杜绝高危机泵密封泄漏的危险介质排放至大气的隐患，与此同时为机泵密封维修提供预警，机泵连续运转的可靠性得到了明显提升(我厂油浆泵至今已经累计运行8 600 h 无故障)，降低了机修车间维修工作量，减少了维修成本。总结上述改造，得出以下结论：

　　(1)机械密封为双端面波纹管密封，在一级密封失效时二级密封实现主密封功能，与单端面密封相比，双重非承压密封能降低回路泄漏风险，提高设备运行安全等级；

　　(2)机械密封辅助系统的功能在于采用冲洗、循环、热对流的工作方式，控制机械密封的温度、润滑等式况参数，建立较理想的机械密封的工作环境，提高机械密封的可靠性，延长使用寿命；有效地改善了机械密封的运行状况，为高危介质泵机械密封长周期运行提供了重要保障。