低溫乙烯泵泵用干氣密封改進(jìn)設(shè)計

劉陽 黃海鵬

摘要：延安能源化工有限責(zé)任公司輕油加工裝置是目前國內(nèi)首套輕油催化裂化制乙烯、丙烯裝置。其采用催化裂化流化床反應(yīng)技術(shù)生產(chǎn)乙烯、丙烯等高附加值產(chǎn)品，改變了過去高溫蒸汽裂解工藝路線，降低了能耗和CO2排放。其中，冷分單元低溫乙烯泵工況條件苛刻，工程過程中改進(jìn)優(yōu)化的密封能夠適用并能夠滿足API運行要求。

關(guān)鍵詞：輕油加工裝置;冷分單元;低溫乙烯泵;密封

背景：延安能源化工有限責(zé)任公司輕油加工裝置采用美國KBR公司工藝包，由北京石油化工工程有限公司設(shè)計總包。作為該工藝包國際首套成功商業(yè)化運行裝置，其工藝難度復(fù)雜，運行操作難度極大。其中，該裝置冷分單元的低溫乙烯泵（位號：P544A/B），是目前國內(nèi)已知密封同類介質(zhì)中，工況條件最為苛刻的。該泵為大連深藍(lán)泵業(yè)制造有限公司設(shè)計制造的立式筒帶泵，泵用密封由四川日機(jī)密封件股份有限公司（2019年12月改為中密控股股份有限公司）設(shè)計制造。作為關(guān)鍵設(shè)備，低溫乙烯泵運行狀態(tài)的好壞，將直接影響冷分單元乃至整個輕油加工裝置安全平穩(wěn)運行，其中，密封設(shè)計成為低溫乙烯泵設(shè)計的重點。從2018年下半年試車至2019年上半年，該泵用密封多次出現(xiàn)大漏，給現(xiàn)場操作及裝置安全穩(wěn)定運行帶來極大挑戰(zhàn)，2019年3月，四川日機(jī)密封件股份有限公司對密封改型后，目前已連續(xù)平穩(wěn)運行超過1年。

一、泵用密封初始設(shè)計方案

設(shè)計輸入——介質(zhì)：C2乙烯;運行溫度：零下40攝氏度;入口壓力：0.41兆帕;出口壓力：1.216兆帕;軸徑：65毫米;轉(zhuǎn)速：2950轉(zhuǎn)每分鐘。密封初始設(shè)計方案：

乙烯作為易揮發(fā)介質(zhì)，且在如此低溫、低壓力狀態(tài)下，如何保證乙烯作為液態(tài)、如何選擇耐低溫的密封材質(zhì)將是設(shè)計的重點。

（1）密封基本結(jié)構(gòu)形式采用機(jī)械密封+干氣密封串聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式，沖洗方案采用14+72+76;

（2）一級密封選用載荷系數(shù)較大（載荷系數(shù)達(dá)0.75）的窄端面配對結(jié)構(gòu)形式，以此降低密封端面的摩擦熱，增加散熱效果[1]，盡可能的保證密封介質(zhì)的物理狀態(tài)為液相;

（3）一級密封動環(huán)材質(zhì)選用物理性質(zhì)更佳的浸金屬石墨（浸金屬石墨彈性模量E更大，更適用潤滑性能較差的輕烴介質(zhì)[2]），一級密封靜環(huán)材質(zhì)選用SIC。石墨+SIC配對，能夠讓動靜環(huán)密封端面更好的形成“液膜”，能夠更好的潤滑密封斷面，減小摩擦，從而減少摩擦熱增加壽命;

（4）二級密封采用刻槽的干氣密封結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)密封端面通過形成“氣膜”，從而較少密封端面摩擦，增加壽命;

（5）一級密封動環(huán)密封圈選用耐低溫的C形圈（316彈簧+PTFE），一級密封靜環(huán)密封圈選用耐低溫的氫化丁腈橡膠，二級密封圈選用耐低溫的氫化丁腈橡膠，軸套O圈選用耐低溫的氫化丁腈橡膠。

二、初始設(shè)計密封的工程使用狀況

2018年12月至2019年03月，現(xiàn)場試車、開車階段，冷泵、運行狀態(tài)下，該低溫乙烯泵密封多次出現(xiàn)泄漏，主要表現(xiàn)在：

（1）火炬管線泄漏壓力值正常，數(shù)值為0.02MPa，火炬管線未結(jié)冰。介質(zhì)從密封軸套和軸之間泄漏至大氣環(huán)境，低溫乙烯在大氣環(huán)境中迅速氣化并帶有強(qiáng)烈的刺激性氣味;

（2）一級密封泄漏，泄漏的介質(zhì)通過火炬管線排放、燃燒，一級密封泄漏的低溫介質(zhì)導(dǎo)致火炬管線結(jié)冰，火炬管線壓力表壓力值超標(biāo)甚至超過壓力表量程;

（3）一級密封泄漏一段時間后（火炬管線結(jié)冰，火炬管線壓力表壓力值超標(biāo)），二級密封泄漏，導(dǎo)致介質(zhì)通過二級密封泄漏至大氣環(huán)境，低溫乙烯在大氣環(huán)境中迅速氣化并帶有強(qiáng)烈的刺激性氣味;

（4）密封運行不穩(wěn)定，現(xiàn)場發(fā)生泄漏后，幾個小時后泄漏量轉(zhuǎn)小至標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，但一段時間后，密封又發(fā)生泄漏。

三、初始設(shè)計密封泄漏原因分析

該泵作為輕油加工裝置工藝線上的關(guān)鍵設(shè)備，且乙烯作為危險介質(zhì)?，F(xiàn)場是不允許密封頻繁泄漏而導(dǎo)致頻繁的停泵、切泵，更不允許因此而導(dǎo)致整個裝置的停車，密封的改進(jìn)設(shè)計需要對密封的泄漏原因全面進(jìn)行分析.

通過詳細(xì)檢查現(xiàn)場實際工況后，發(fā)現(xiàn)實際工況與設(shè)計參數(shù)稍有誤差。實際工況——介質(zhì)：C2乙烯;運行溫度：-58攝氏度;極限運行溫度：-70多攝氏度;入口壓力：0.35兆帕;出口壓力：1.216兆帕，軸徑：65毫米，轉(zhuǎn)速：2950r/min。

（1）-58攝氏度超過氫化丁腈橡膠-40攝氏度的耐溫極限，該實際低溫狀態(tài)下，導(dǎo)致氫化丁腈橡膠硬化，密封效果不穩(wěn)定、變差;

（2）入口壓力0.35MPa，入口壓力比較低。由于乙烯的飽和蒸氣壓很低，容易氣化，再加上密封運行產(chǎn)生的摩擦熱，該低泵腔壓力下，導(dǎo)致乙烯有可能是氣液兩相的狀態(tài)[3]，氣相乙烯增大了密封難度;

（3）一級動環(huán)密封圈C形圈設(shè)計為316材質(zhì)彈簧+較厚的PTFE，低溫情況下，316材質(zhì)彈簧的彈性特性變差。彈性特性變差的彈簧和低密封腔壓力，無法完全撐開較厚PTFE的C形圈，從而導(dǎo)致原始的C形圈密封性變差;

（4）現(xiàn)場調(diào)取工藝曲線發(fā)現(xiàn)，壓力、溫度等工藝參數(shù)并不十分穩(wěn)定。工況條件的不穩(wěn)定，增加了密封難度和密封運行穩(wěn)定性變差;

（5）現(xiàn)場操作灌泵時間過短，排氣不充分，導(dǎo)致起泵后泵腔中存在氣體，從而導(dǎo)致密封難度加大。

四、密封改進(jìn)設(shè)計方案

針對密封泄漏原因的分析，對密封進(jìn)行了針對性優(yōu)化：

（1）由于氫化丁腈橡膠耐溫極限為零下40攝氏度，將直接接觸介質(zhì)的軸套密封圈改為更耐低溫的C形圈;

（2）將軸套C形圈和一級動環(huán)C形圈優(yōu)化設(shè)計，將316材質(zhì)彈簧+較厚PTFE的普通C形圈改為游絲合金材質(zhì)彈簧+較薄PTFE的特殊C形圈。游絲合金更耐低溫，且低溫下彈性特性更佳，彈性特性更佳的彈簧和變薄的PTFE變薄保證低密封腔壓力下C形圈能夠完全撐開，從而增加密封性能;

（3）一級密封沖洗孔往下移動，防止沖洗孔冷卻、潤滑介質(zhì)對著一級密封面沖洗，以此增加“液膜”的形成。并在沖洗孔增加補(bǔ)液環(huán)，使沖洗更加均勻，散熱效果更加;

（4）內(nèi)壓蓋處焊接節(jié)流環(huán)，使動環(huán)座和壓蓋間隙變小，從而增加密封腔壓力、介質(zhì)液相穩(wěn)定性 ;

（5）一級動環(huán)改為材質(zhì)更佳的石墨，增強(qiáng)自潤滑性，從而增加“液膜”形成的能力;

（6）現(xiàn)場冷泵時間更長、排氣的充分性，冷泵階段多次重新擰緊螺栓，從而排除誤操作導(dǎo)致的密封泄漏。

5密封改進(jìn)后使用效果

密封改進(jìn)設(shè)計后，2019年3月安裝于現(xiàn)場乙烯泵并順利起泵運行。該乙烯泵運行至今已超過一年，現(xiàn)場使用狀況良好，未出現(xiàn)密封泄漏狀況。

六、結(jié)論

（1）改進(jìn)后的密封在實際工況下能夠良好運行;

（2）針對溫度低、壓力低的輕烴介質(zhì)，密封設(shè)計可借鑒該工程方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] ?顧永泉.機(jī)械密封實用技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社，2001.7.

[2] ?顧永泉.機(jī)械密封實用技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社，2001.7.

[3] ?美國石油學(xué)會使用手冊.