论文部分内容阅读
【摘 要】对热油泵机械密封泄露进行了分析，介绍了机械密封原理。通过对机械密封故障的分析找到了解决措施。目前改造后的热油泵运行平稳，达到了预期效果，确保了装置的安全生产。
【关键词】热油泵；机封改造；单端面密封；双端面密封；密封冲洗方案
中石化股份天津分公司炼油部联五车间包括1000万吨/年常减压装置和130万吨/年的蜡油加氢装置，是100万吨/年乙烯的配套装置。两套装置共有热油泵23台，自2009年12月开车以来，由于密封泄漏导致机泵检修频繁。特别是常减压装置的减二线及减一中泵P202曾在三个月内更换密封14套，蜡油加氢装置分馏塔底泵P206每三个月就要更换密封1套，最严重的是2010年10月9日发生的常减压装置减三线泵P203密封泄露，造成了切断进料13个小时，不仅给装置的安全生产造成了重大威胁，而且还造成了经济上的巨大损失。为保证装置的长周期安稳运行，我们结合中石化总部下发的关于“切实做好高温油泵安全运行的指导意见”，同时对密封泄露的原因进行分析，调整密封冲洗方案对热油泵机封进行改造，以提高了机械密封的安全系数，保证装置的安全生产。
一、热油泵机械密封泄露原因分析
（一）机械密封原理
图1机械密封原理
图1为机械密封的基本结构，机械密封是一种用于旋转流体机械的轴封装置。（用于离心泵、离心机、反应釜、压缩机等设备，轴和设备腔体间存在一个圆周间隙，设备介质从中泄漏，因此必须设一道阻漏装置。因机械密封具有泄漏少、寿命长等优点，成为了主要的轴密封方式，又叫端面密封。）在国家有关标准中的定义：由至少一对垂直于旋转轴线的端面组成，在流体压力及补偿机构弹力（或磁力）共同作用下，以及辅助密封圈的配合下，该对端面保持贴合并相对滑动，而构成的防止流体泄漏的装置。
（二）机械密封常见泄漏点
机械密封泄露部位共有四处：1摩擦端面泄漏点，依靠弹力和介质压力保持贴合（动密封点，两个摩擦副之间有相对转动）；2补偿环密封圈，依靠密封圈的过盈量实现密封（静密封点，密封圈与轴或轴套之间有微动）；3非补偿环密封圈，依靠密封圈的过盈量实现密封（静密封点，密封圈与相配合件之间相对静止）；4压盖与腔体间的密封圈，依靠密封圈的过盈量实现。
二、热油泵机械密封泄露具体原因
影响机械密封泄露的因素很多，安装过程中零件的松动、泵抽空造成的摩擦面干摩擦、杂质进入密封端面造成摩擦副的磨损等等。然而通过拆检车间现场实际泄露的机械密封元件，发现波纹管大多数是波纹管上结焦严重，像常减压装置的减二线泵P202波纹管结焦，完全粘死，没有弹性，致使波纹管失效，更严重的造成摩擦副接触面磨损严重，甚至出现裂纹。另外摩擦副的材质及摩擦产生的高温同样会对机械密封造成磨损。
（一）波纹管结焦、积碳，失去弹性，不能补偿
由于装置内热油泵的操作温度一般在200℃-400℃之间，所使用的原料多为劣质蜡油，其中硫含量：3.0wt%，减二线油残炭含量：0.1%，减三线油残炭含量：2.5%，减底油胶质加沥青质：31%，由于含有较多的硫和胶质沥青，在高温下这些杂质容易结焦，积碳，从而使波纹管被硫化物，胶质等杂质塞满，失去弹性，极易造成摩擦副进入杂质造成端面磨损，出现泄漏。而且密封摩擦副材质一般为石墨和硬质合金YG6，石墨的抗拉强度较低，抗压强度较高，缺点是气孔率大，一般在18%-22%，必须浸渍才能提高其密封性，硬质合金YG6中Co的含量多，硬度略下降。Co易氧化，不宜用于腐蚀性介质，因此摩擦副的整体材质不高，有待改善。
（二）原装置密封冲洗方案存在的安全运行隐患
该装置热油泵一般采用23方案加62方案，也有32方案加62方案或21方案均为单端面波纹管密封。这种密封极易发生故障，一旦泄露介质直接进入大气，存在安全隐患；而且背冷蒸汽极易窜进轴承箱，影响轴承正常运行；冬季易发生封油线堵塞现象，都对装置的安全运行造成威胁。减二线泵P202原来密封冲洗方案为21方案，后采取21加62方案后，密封泄露频率由原来的一个月一套延长为6个月一套。效果虽有改善，但仍存在一定隐患。
三、热油泵机械密封隐患解决办法及措施
为了保证装置的安全稳定运行。我们结合API682中热油泵密封相关规定及中石化总部下发的关于“切实做好高温油泵安全运行的指导意见”，结合现场实际拆解的密封组件的分析，同时和机械密封厂家的专家多沟通，制定了合理密封方案。
（一）改造密封冲洗方案
美国石油协会对离心泵转子泵用中的冲洗方案如下：
图2Plan23
Plan23方案如图2：介质温度176℃-260℃。带循环套的内部冲洗，容易堵塞。造成封油线不通，多余的热量不能及时带走，高温造成密封泄漏。
圖3Plan21
Plan21方案如图3：介质温度80℃-200℃。带冷却器的自冲洗，耗能，易结垢，易堵塞，尤其是冬季温度较低时极易堵塞封油线。
图4Plan32
Plan32方案如图4：冲洗液由外部液源引入密封腔，冲洗液压力要高于密封腔压力，保持冲洗液压力及流量的稳定。
图5Plan62
Plan62方案如图5：通过外部引入蒸汽为机封提供背冷。其缺点是蒸汽易沿轴向串入轴承箱，破坏轴承润滑，污染轴承油，影响泵的正常运行。
图6Plan53
Plan53A方案如图6：通常用于脏的，具有磨蚀性或易聚合介质。此外53A配置有低报压力开关和低液位开关。开车前必须将封油罐充满隔离液。并加压高于介质侧压力，当内侧密封失效，低液位开关报警，低报压力开关报警。压力表显示值与介质侧密封腔压力值显示一致；当外侧密封失效， 低液位开关报警，低报压力开关报警。压力表显示值与低于截至侧密封腔压力。
（二）提高摩擦副的材质
针对摩擦副是机械密封的主要零件，其性能好坏在很大程度上决定密封性能，因此对材料有一定的要求：（1）耐蚀性：有良好的化学稳定性，能抵抗介质的腐蚀、磨蚀、溶解和溶胀。（2）物理机械性能：较高的弹性模量（E=σ（应力）/ε（应变），刚度=力/变形）、强度及许用[PV]值，低的摩擦系数和线膨胀系数，优良的耐磨性、自润滑性以及良好的不渗透性等。（3）热力性能：很好的导热性、耐热性、耐寒性和耐温度的急变性。这次改造中对机械密封的摩擦副材质做出了改进，将材质由原来的石墨和硬质合金YG6改为现在的进口石墨对碳化硅或者进口石墨对进口的硬质合金，提高了机械密封的材质等级，增加了安全保障。
针对以上的密封方案对比及机械密封的主要零件的材质重新选型，我们将单端面密封改为双端面密封或串联密封，其密封方案为21+53A或32+53A。双端面机封采用循环冲洗，加外部冷却，寿命是单端面的1.5～2倍。采取这种密封方案的好处很多（1）减小温升，保持端面良好润滑（使机械密封各零件良好、正常地工作）。尤其是32+53A方案，能将杂质带入到泵内，避免污染密封摩擦副，并且降低了波纹管结焦的速率（2）对于有固體颗粒出现的结晶和强腐蚀介质的密封，能保持密封不受损坏。（5）摩擦副改为进口材质，对粘度高，含少量固体颗粒的介质，或有结晶产生的介质，有很好的效果。（6）比单端面密封多了一重保障，当一组密封泄露时，另一组密封能短时间维持设备运行一段时间，及时发现，及时处理，将故障在初期阶段排除，保证安全生产。
四、热油泵机械密封改造前后的效果对比
经改造后用，效果明显，以下表2为2012年11月至2013年4月与2011年11月至2012年4月的故障统计对比：表2机封改造前后对比列表
五、结论
采用串联密封或双端面密封后，效果明显，不仅大大降低了热油泵密封维修的频率，降低了维修人工成本，节约了蒸汽耗量，更重要的是将事故的发生几率降到了最低，保证了装置的安全长周期运行。
参考文献：
[1]王田；雷立俊.焦油泵机封改造解决泄漏故障[J].中国石油和化工标准与质量，2013，（05）.
[2]陈海燕；陈继明.炼化装置热油泵机械密封改造[J].流体机械，2013，（07）.
[3]房军；焦化装置高温油泵机封改造[J].化工管理，2014，（17）.
作者简介：赵月浩（1983.10.10-）男，汉，河北省辛集市人，本科，河北科技大学，工作单位：中石化股份天津分公司炼油部，工程师，主要从事动设备管理工作。
【关键词】热油泵；机封改造；单端面密封；双端面密封；密封冲洗方案
中石化股份天津分公司炼油部联五车间包括1000万吨/年常减压装置和130万吨/年的蜡油加氢装置，是100万吨/年乙烯的配套装置。两套装置共有热油泵23台，自2009年12月开车以来，由于密封泄漏导致机泵检修频繁。特别是常减压装置的减二线及减一中泵P202曾在三个月内更换密封14套，蜡油加氢装置分馏塔底泵P206每三个月就要更换密封1套，最严重的是2010年10月9日发生的常减压装置减三线泵P203密封泄露，造成了切断进料13个小时，不仅给装置的安全生产造成了重大威胁，而且还造成了经济上的巨大损失。为保证装置的长周期安稳运行，我们结合中石化总部下发的关于“切实做好高温油泵安全运行的指导意见”，同时对密封泄露的原因进行分析，调整密封冲洗方案对热油泵机封进行改造，以提高了机械密封的安全系数，保证装置的安全生产。
一、热油泵机械密封泄露原因分析
（一）机械密封原理
图1机械密封原理
图1为机械密封的基本结构，机械密封是一种用于旋转流体机械的轴封装置。（用于离心泵、离心机、反应釜、压缩机等设备，轴和设备腔体间存在一个圆周间隙，设备介质从中泄漏，因此必须设一道阻漏装置。因机械密封具有泄漏少、寿命长等优点，成为了主要的轴密封方式，又叫端面密封。）在国家有关标准中的定义：由至少一对垂直于旋转轴线的端面组成，在流体压力及补偿机构弹力（或磁力）共同作用下，以及辅助密封圈的配合下，该对端面保持贴合并相对滑动，而构成的防止流体泄漏的装置。
（二）机械密封常见泄漏点
机械密封泄露部位共有四处：1摩擦端面泄漏点，依靠弹力和介质压力保持贴合（动密封点，两个摩擦副之间有相对转动）；2补偿环密封圈，依靠密封圈的过盈量实现密封（静密封点，密封圈与轴或轴套之间有微动）；3非补偿环密封圈，依靠密封圈的过盈量实现密封（静密封点，密封圈与相配合件之间相对静止）；4压盖与腔体间的密封圈，依靠密封圈的过盈量实现。
二、热油泵机械密封泄露具体原因
影响机械密封泄露的因素很多，安装过程中零件的松动、泵抽空造成的摩擦面干摩擦、杂质进入密封端面造成摩擦副的磨损等等。然而通过拆检车间现场实际泄露的机械密封元件，发现波纹管大多数是波纹管上结焦严重，像常减压装置的减二线泵P202波纹管结焦，完全粘死，没有弹性，致使波纹管失效，更严重的造成摩擦副接触面磨损严重，甚至出现裂纹。另外摩擦副的材质及摩擦产生的高温同样会对机械密封造成磨损。
（一）波纹管结焦、积碳，失去弹性，不能补偿
由于装置内热油泵的操作温度一般在200℃-400℃之间，所使用的原料多为劣质蜡油，其中硫含量：3.0wt%，减二线油残炭含量：0.1%，减三线油残炭含量：2.5%，减底油胶质加沥青质：31%，由于含有较多的硫和胶质沥青，在高温下这些杂质容易结焦，积碳，从而使波纹管被硫化物，胶质等杂质塞满，失去弹性，极易造成摩擦副进入杂质造成端面磨损，出现泄漏。而且密封摩擦副材质一般为石墨和硬质合金YG6，石墨的抗拉强度较低，抗压强度较高，缺点是气孔率大，一般在18%-22%，必须浸渍才能提高其密封性，硬质合金YG6中Co的含量多，硬度略下降。Co易氧化，不宜用于腐蚀性介质，因此摩擦副的整体材质不高，有待改善。
（二）原装置密封冲洗方案存在的安全运行隐患
该装置热油泵一般采用23方案加62方案，也有32方案加62方案或21方案均为单端面波纹管密封。这种密封极易发生故障，一旦泄露介质直接进入大气，存在安全隐患；而且背冷蒸汽极易窜进轴承箱，影响轴承正常运行；冬季易发生封油线堵塞现象，都对装置的安全运行造成威胁。减二线泵P202原来密封冲洗方案为21方案，后采取21加62方案后，密封泄露频率由原来的一个月一套延长为6个月一套。效果虽有改善，但仍存在一定隐患。
三、热油泵机械密封隐患解决办法及措施
为了保证装置的安全稳定运行。我们结合API682中热油泵密封相关规定及中石化总部下发的关于“切实做好高温油泵安全运行的指导意见”，结合现场实际拆解的密封组件的分析，同时和机械密封厂家的专家多沟通，制定了合理密封方案。
（一）改造密封冲洗方案
美国石油协会对离心泵转子泵用中的冲洗方案如下：
图2Plan23
Plan23方案如图2：介质温度176℃-260℃。带循环套的内部冲洗，容易堵塞。造成封油线不通，多余的热量不能及时带走，高温造成密封泄漏。
圖3Plan21
Plan21方案如图3：介质温度80℃-200℃。带冷却器的自冲洗，耗能，易结垢，易堵塞，尤其是冬季温度较低时极易堵塞封油线。
图4Plan32
Plan32方案如图4：冲洗液由外部液源引入密封腔，冲洗液压力要高于密封腔压力，保持冲洗液压力及流量的稳定。
图5Plan62
Plan62方案如图5：通过外部引入蒸汽为机封提供背冷。其缺点是蒸汽易沿轴向串入轴承箱，破坏轴承润滑，污染轴承油，影响泵的正常运行。
图6Plan53
Plan53A方案如图6：通常用于脏的，具有磨蚀性或易聚合介质。此外53A配置有低报压力开关和低液位开关。开车前必须将封油罐充满隔离液。并加压高于介质侧压力，当内侧密封失效，低液位开关报警，低报压力开关报警。压力表显示值与介质侧密封腔压力值显示一致；当外侧密封失效， 低液位开关报警，低报压力开关报警。压力表显示值与低于截至侧密封腔压力。
（二）提高摩擦副的材质
针对摩擦副是机械密封的主要零件，其性能好坏在很大程度上决定密封性能，因此对材料有一定的要求：（1）耐蚀性：有良好的化学稳定性，能抵抗介质的腐蚀、磨蚀、溶解和溶胀。（2）物理机械性能：较高的弹性模量（E=σ（应力）/ε（应变），刚度=力/变形）、强度及许用[PV]值，低的摩擦系数和线膨胀系数，优良的耐磨性、自润滑性以及良好的不渗透性等。（3）热力性能：很好的导热性、耐热性、耐寒性和耐温度的急变性。这次改造中对机械密封的摩擦副材质做出了改进，将材质由原来的石墨和硬质合金YG6改为现在的进口石墨对碳化硅或者进口石墨对进口的硬质合金，提高了机械密封的材质等级，增加了安全保障。
针对以上的密封方案对比及机械密封的主要零件的材质重新选型，我们将单端面密封改为双端面密封或串联密封，其密封方案为21+53A或32+53A。双端面机封采用循环冲洗，加外部冷却，寿命是单端面的1.5～2倍。采取这种密封方案的好处很多（1）减小温升，保持端面良好润滑（使机械密封各零件良好、正常地工作）。尤其是32+53A方案，能将杂质带入到泵内，避免污染密封摩擦副，并且降低了波纹管结焦的速率（2）对于有固體颗粒出现的结晶和强腐蚀介质的密封，能保持密封不受损坏。（5）摩擦副改为进口材质，对粘度高，含少量固体颗粒的介质，或有结晶产生的介质，有很好的效果。（6）比单端面密封多了一重保障，当一组密封泄露时，另一组密封能短时间维持设备运行一段时间，及时发现，及时处理，将故障在初期阶段排除，保证安全生产。
四、热油泵机械密封改造前后的效果对比
经改造后用，效果明显，以下表2为2012年11月至2013年4月与2011年11月至2012年4月的故障统计对比：表2机封改造前后对比列表
五、结论
采用串联密封或双端面密封后，效果明显，不仅大大降低了热油泵密封维修的频率，降低了维修人工成本，节约了蒸汽耗量，更重要的是将事故的发生几率降到了最低，保证了装置的安全长周期运行。
参考文献：
[1]王田；雷立俊.焦油泵机封改造解决泄漏故障[J].中国石油和化工标准与质量，2013，（05）.
[2]陈海燕；陈继明.炼化装置热油泵机械密封改造[J].流体机械，2013，（07）.
[3]房军；焦化装置高温油泵机封改造[J].化工管理，2014，（17）.
作者简介：赵月浩（1983.10.10-）男，汉，河北省辛集市人，本科，河北科技大学，工作单位：中石化股份天津分公司炼油部，工程师，主要从事动设备管理工作。