串聯式干氣密封在離心泵上的應用

羅金娟

(中國石化上海石化股份有限公司烯烴部，200540)

串聯式干氣密封在離心泵上的應用

羅金娟

(中國石化上海石化股份有限公司烯烴部，200540)

采用單端面機械密封的溶劑泵在運行過程中經常發(fā)生密封泄漏故障，造成設備檢修頻繁，且存在著微量泄漏而引起異味散發(fā)危害職業(yè)健康。通過對單端面密封進行升級改造，運用特殊設計的串聯式干氣密封技術代替原單端面機械密封，現場實際應用效果證明該技術能夠有效地解決溶劑泵運行過程中密封端面泄漏的問題。

機泵 串聯式 干氣密封 環(huán)境

1 項目背景

中國石化上海石油化工股份有限公司烯烴部3#烯烴丁二烯裝置新區(qū)2002 年 4 月投料開車。該裝置的生產方法采用日本瑞翁公司的專利技術 GPB 工藝， 即采用二甲基甲酰胺(DMF)作萃取劑。該裝置共有12臺溶劑泵，主要數據參數見表1。

表1 丁二烯裝置新區(qū)離心泵主要數據參數

所有溶劑泵采用的機械密封型式均為單端面機械密封，沖洗方案有兩種：外部沖洗液注入式沖洗+用戶自配沖洗及帶換熱器正向自沖洗+用戶自配沖洗。在運行過程中存在著微量泄漏引起的異味散發(fā)現象，泄漏介質主要為DMF、對叔丁基鄰苯二酚(TBC)、甲苯等有毒、有害介質。機械密封失效發(fā)生泄漏，不僅會危及職工安全、污染環(huán)境，同時會造成設備檢修頻繁，浪費人力物力。

對維修時更換下來的舊密封檢查發(fā)現均有不同程度的結焦和彈簧堵塞的現象。分析認為，現場外部沖洗液注入式沖洗的沖洗介質是40 ℃的精制溶劑(非正常情況偶爾有少量雜質)，每臺泵的沖洗流量150～200 L/h，且停泵時停止沖洗。沖洗流量偏小，密封產生的熱量無法帶走，密封腔溫度升高，在整個密封腔內，密封摩擦副位置溫度最高，摩擦副附近溫度至少有160 ℃，因此密封端面是易聚合點。另外，單端面密封的摩擦副內側跟空氣直接接觸，微量泄漏的DMF在摩擦副內側遇氧聚合，聚合使泄漏增大，泄漏增大導致更易聚合，惡性循環(huán)。同時，設備老化，口環(huán)間隙增大，外部沖洗液注入式沖洗的沖洗量不足或者停止時，介質均易反串至密封腔內聚合。

2 解決方案[1-4]

干氣密封是近年來對輸送有毒、有害介質的離心泵較多采用的一種新型的密封型式，具有安全，環(huán)保，能耗低的特點。根據離心泵的工況特點，通常可以采用雙端面密封和串聯式干氣密封兩種密封方式。由于改造機泵屬老舊設備，泵腔尺寸偏小，改造成干氣密封存在一定的難度，需根據密封腔的實際情況對密封進行針對性的優(yōu)化設計才能實現。

2.1 兩種密封方式優(yōu)缺點

雙端面干氣密封具有以下優(yōu)點： 用帶壓密封氣替代帶壓密封液，保證工藝介質實現“零逸出”；整套密封非接觸運行，其功率消耗僅為傳統(tǒng)雙端面密封的5%左右，使用壽命比傳統(tǒng)密封長5倍以上；結構簡單的輔助系統(tǒng)，保證工藝介質不受污染及工藝介質不向大氣泄漏；密封氣通常采用工業(yè)氮氣，徹底擺脫了傳統(tǒng)雙端面機械密封對油系統(tǒng)的依賴。

雙端面干氣密封的缺點：需要一定壓力的氣源，氣源壓力至少高于介質壓力 0.15～0.2 MPa，并且有微量密封氣體進入工藝流程。

串聯式干氣密封即干氣密封與接觸式機械密封串聯使用，機械密封為主密封，干氣密封為次密封。干氣密封與主密封間通入略高于火炬背壓的氮氣，主密封泄漏的工藝介質隨氮氣排入火炬或收集罐，保證工藝介質不向大氣泄漏，是一種環(huán)保型密封；干氣密封在正常情況下處于非接觸無磨損的狀態(tài)，主密封失效后，干氣密封短時間內起到主密封作用，防止工藝介質向大氣大量泄漏。

串聯式干氣密封的缺點：該密封還不是完全意義上的干氣密封，其總體性能介于機械密封和干氣密封之間，密封使用壽命取決于機械密封的使用壽命。

2.2 方案選擇

通過以上雙端面機械密封及串聯機械密封改造方案優(yōu)缺點比較，并結合現場離心泵運行參數及密封腔的結構分析，選擇串聯式干氣密封形式無疑是更加合適的，對密封氣壓力要求不高，且密封氣不會進入工藝流程。

2.2.1 方案改進

改造后密封沖洗方式采用外部沖洗液注入式沖洗+外部密封氣注入系統(tǒng)+泄漏氣液排放系統(tǒng)及帶換熱器正向自沖洗+外部密封氣注入系統(tǒng)+泄漏氣液排放系統(tǒng)，即原機械密封的外部沖洗液注入式沖洗和帶換熱器正向自沖洗仍然保留。外部密封氣注入系統(tǒng)+泄漏氣液排放系統(tǒng)適用于不易揮發(fā)介質的串聯式干氣密封。運行過程中如第一級機械密封出現泄漏時，干氣密封系統(tǒng)會將泄漏物料引至收集罐，杜絕物料的外泄。

選擇此方案的同時，針對密封腔的實際情況，對泵的喉部襯套間隙、外沖洗布液以及密封的材質做了一些改進：重新全部測量泵上喉部襯套尺寸，配作副軸套，保持副軸套和喉部襯套間隙在單邊0.3 mm左右，即使沖洗量不足，也可以有效阻擋介質反竄密封腔。

外沖洗孔全部在泵殼上，孔的位置不能保證正好對著第一級機械密封端面，因此在內壓蓋上做引流布液處理，使外沖洗液均勻地對密封端面進行沖洗潤滑。

密封介質是烴類，介質側密封選用專門為烴類介質設計的成熟的CM1Bn型，此密封同等條件下端面生熱少，更利于在DMF介質中使用。密封圈采用美國杜邦Kalrez全氟醚橡膠，既耐高溫和溶劑腐蝕，又比原來的聚對苯二甲酸乙二酯(PET)-聚對苯二甲酸丙二酯(PPT)共聚物(PTFE)密封圈浮動性好。

2.2.2 工藝流程

干氣密封系統(tǒng)為外部密封氣注入系統(tǒng)+泄漏氣液排放系統(tǒng)，外部密封氣注入系統(tǒng)對密封氣進行凈化和控制，泄漏氣液排放系統(tǒng)對泄漏進行監(jiān)測和收集。系統(tǒng)在保證密封工作在最佳設計狀態(tài)的同時，可以判斷密封系統(tǒng)運行情況，當密封失效時系統(tǒng)能及時報警，有利于維修工人以最快速度處理現場事故。

密封運轉時，一級密封(機械密封)泄漏介質被密封氣引入收集罐，易汽化部分排入火炬燃燒，進入二級密封(干氣密封)的密封氣大部分被引至火炬，只有小部分通過密封端面向大氣端泄漏，其泄漏量不超過50 L/h。

判斷介質側的機械密封是否工作正常，主要通過觀察泄漏通道壓力表壓力顯示值的變化。機械密封如果失效，大量壓力較高的工藝介質到達第二級干氣密封腔，介質氣化后造成干氣密封腔的壓力明顯增加，當壓力表顯示壓力超過0.1 MPa時，表明密封已失效，此時壓力開關發(fā)出報警信號，操作人員應及時停泵，啟動備用泵。泄漏的介質一部分為氣體引入火炬燃燒，一部分為液體留存于收集罐中，定期通過管路進行安全排放,確保介質不會大量外泄至環(huán)境中。

判斷大氣側干氣密封工作是否正常，主要通過對密封氣流量的監(jiān)測來進行。正常情況下，玻璃轉子流量計顯示流量為500 L/h左右，如干氣密封出現異常時，會導致流量明顯增大。當流量達到 1 500 L/h 時，可認為干氣密封已經失效，應及時停泵，啟動備用泵。

3 實施效果

該項目實施后，達到預期的效果。密封故障次數及現場異味與改造前相比都減少了。

3.1 檢修頻次比較

該項目實施后，投用5個月，未發(fā)生密封泄漏現象。雖然投用時間短，與理想化的使用年限2～3 a還有一定的差距，但是在改造前，相同周期內會發(fā)生2～3次故障現象。

3.2 環(huán)境監(jiān)測數據對比

從現場環(huán)境和監(jiān)測數據可以進行改造前后的比較，而環(huán)境監(jiān)測數據也能反映出有毒有害氣體泄漏量的減少。

選取項目改造機泵作為采樣點，機泵位號相同的取一個點，距離機泵密封10～20 cm處采集樣品，分別在項目實施前、項目實施后兩次采樣，根據丁二烯抽提裝置涉及的介質特點，對DMF、丁二烯、苯、甲苯、甲苯、二甲苯6種職業(yè)衛(wèi)生因素進行分析比對。項目實施前和實施后，6種職業(yè)危害因素均未超過國家規(guī)定的職業(yè)接觸限值，但項目實施后的濃度值均比實施前低(檢測數據比較如表2所示)，體現出項目實施對環(huán)境改善的效果。

表2 項目實施前后檢測對比 mg/m3

續(xù)表2

4 結語

通過現場監(jiān)測數據表明，此次將單端面機械密封改造為串聯式干氣密封，對減小介質泄漏量和降低對環(huán)境的污染是非常有效的。

(1)現場的環(huán)境得到有效的改善，有毒有害物質的泄漏量減少，達到改善工作環(huán)境和保護周圍大氣環(huán)境的目的。

(2)運用串聯式干氣密封之后，密封失效泄漏故障大幅減少，泵用機械密封裝置的維修次數減少，降低了企業(yè)生產成本。

(3)機泵密封改造成功的經驗，對丁二烯老區(qū)同類機泵機械密封改造具有一定的指導意義。

[1] 孟劍.新型密封技術在大型煉油企業(yè)中的應用[J].石油化工設備技術，2009(3)：62-66.

[2] 羅偉.干氣密封的工作原理及應用[J].廣州化工，2009(5)：178-181.

[3] 陳先銀.干氣密封在甲醇泵上的應用[J].流體機械，2009(8)：40-42.

[4] 彭瑞芳.干氣密封在丙烷泵上的應用[J].石化技術，2010(3)：14-16.

石油價格暴跌成本優(yōu)勢削弱

“目前，原油價格已經下跌至60美元/桶以下，煤制乙二醇較乙烯法乙二醇的成本優(yōu)勢發(fā)生逆轉，乙烯法取得了價格競爭優(yōu)勢。國際市場方面，乙二醇價格也屢創(chuàng)新低，從2014年上半年均價7 300元/t，下探至現在的約5 000元/t，跌幅超過30%，刷新6年以來的價格新低。兩面夾擊，直接導致了國內煤制乙二醇全行業(yè)瀕臨虧損的邊緣?！眱让晒趴萍即髮W化工學院院長王亞雄博士如是說。

按照綜合成本測算，煤制乙二醇只有原油價格在80美元/桶以上時才能具有與乙烯法的競爭優(yōu)勢。盡管國內的煤制乙二醇項目多以價格較低的褐煤為原料，且項目業(yè)主多是大型煤炭企業(yè)轉型，但煤制乙二醇裝置前期投入較大，且技術并未完全成熟，不能滿負荷運行，設備折舊費用高，削弱了其成本優(yōu)勢。如果市場人士所預測的近2年內油價將徘徊在70～80美元/桶成真，而煤炭價格卻企穩(wěn)回升，那么未來國內煤制乙二醇項目的生存和發(fā)展都將遭遇重大挫折。

然而，不少依舊看好其發(fā)展前景的業(yè)內人士卻表示樂觀。中國石油蘭州化工研究中心高級工程師徐典宏認為：“未來預期較好的依據主要是國內供應缺口大。2015年，我國乙二醇需求量預計將達到15 Mt，而兩種工藝路線實際產量僅為6.6 Mt，缺口8.4 Mt，自給率不足50%。未來幾年，乙二醇對外依存度較高的局面短期內很難發(fā)生轉變?！?/p>

河南能源化工集團有限公司位于洛陽的200 kt/a煤制乙二醇項目現在正進行單體試車。該公司負責人透露，乙烯法的沖擊的確存在，但從國內來看，石腦油路線一體化裝置未來幾年內新增產能十分有限，市場投放量不會很大。據統(tǒng)計，2014—2015年，國內乙烯法僅有約1.3 Mt/a乙二醇的裝置投入運行，而煤制乙二醇新增產能將達到4.0 Mt/a，是其3倍之多。同時，國外尤其是中東地區(qū)的乙烯法乙二醇受到運費及我國關稅等貿易政策措施的制約，其進入中國的價格未必具有絕對優(yōu)勢。此外，盡管乙二醇價格跳水，乙烯法步步緊逼，但眼下煤制乙二醇仍有500元/t的毛利可圖。長遠看來，全球經濟滯脹格局必定會扭轉，石油價格隨著宏觀經濟的復蘇攀上80美元/桶、恢復經濟常態(tài)是大勢所趨，屆時煤制乙二醇可以逐步替代進口，迎來黃金發(fā)展期。

(中國石化有機原料科技情報中心站供稿)

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。

羅金娟，女， 1981年出生，2005年畢業(yè)于長春理工大學化學工程與工藝專業(yè)，工學學士，工程師，現從事設備管理工作。

1674-1099 (2015)02-0051-04

TB752+.24

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