摘 要：延遲焦化裝置高溫重油泵為裝置關鍵機泵，這些泵原機械密封均為單端面機械密封，沖洗方案為PLAN32+62。這種形式的機械密封應用在焦化裝置高溫重油泵上非常容易泄漏，而高溫重油泄漏后極易自燃，因此必須對高溫重油泵現有機械密封進行改造。分析了延遲焦化裝置高溫重油泵機械密封容易泄漏的原因，提出了安全可靠的改造辦法，并結合現場實際情況，給出了改造和操作等的要點及難點。
中海油惠州石化有限公司(以下簡稱惠州石化)延遲焦化裝置處理能力為4.2Mt/a，采用美國FOSTER WHEELER公司提供的前端工程設計(FEED)包，由中國石化工程建設公司(SEI)進行設計。該套裝置采用兩爐四塔工藝，單系列處理量比較大。目前惠州石化渣油處理手段只有延遲焦化一種，因此，延遲焦化裝置長周期平穩(wěn)運行直接影響到全廠的經濟效益及正常生產，而裝置長周期平穩(wěn)運行的一個關鍵因素，就是高溫重油泵的安全平穩(wěn)無泄漏運行。
1. 高溫重油泵機械密封運行的主要問題
裝置投產初期，機械密封運行的主要問題是易泄漏、壽命短、所密封的介質易燃。延遲焦化高溫重油泵介質主要有減壓渣油、重蠟油和蠟油，這些介質相對組分較重，自燃點低。介質溫度超過或接近介質燃點的高溫重油泵見表1。
高溫重油泵機械密封一旦嚴重泄漏，泵內介質漏出后與空氣接觸將極易發(fā)生自燃。另外，隨著加工原料配比變化，組分有可能變得更重，相應的各個介質的自燃點也隨之更低。
2. 高溫重油泵機械密封易泄漏的原因分析
2.1 原單端面機械密封容易泄漏
改造前的高溫重油泵機械密封類型都為單端面機械密封，沖洗方案為PLAN32+62。單端面機械密封結構較為簡單，一般用于油、水、有機溶劑及腐蝕性介質。其典型結構如圖1所示。
單端面機械密封不適用于高溫、易燃易爆、帶懸浮顆粒的介質，而渣油、焦化蠟油等介質正好具備以上特點。因此高溫重油類泵使用單端面機械密封，比較容易發(fā)生泄漏。
2.2 介質中顆粒含量高
延遲焦化各組分中焦粉含量較多，重油組分更是如此【1】。焦粉微粒易進入機械密封的密封端面，引起密封端面持續(xù)微量泄漏;微量泄漏的介質聚集在波紋管或彈簧等零部件上，逐漸氧化結焦;結焦物降低波紋管的彈力，加劇密封端面的泄漏。如此惡性循環(huán)，機械密封很快就會失效。
圖2和圖3顯示了蠟油產品泵一套機械密封的失效情況。
從上述失效案例中可以看到:介質從密封端面泄漏后，積聚在波紋管外側(大氣側)并逐漸氧化結焦，結焦物導致波紋管彈性降低，端面補償力下降，進而造成機械密封泄漏惡化。
2.3 原機械密封冷卻吹掃效果差
PLAN62冷卻介質一般選用的是低壓蒸汽，預期作用是沖洗波紋管外側，帶走泄漏的介質，并隔絕空氣，即盡可能地防止泄漏的介質氧化結焦。但是低壓蒸汽易受氣溫、來源、疏水情況、操作等因素影響，導致其帶水嚴重或中斷，因此PLAN62方案的沖洗效果比較差。
對于高溫重油泵機械密封而言，冷卻吹掃的效果差，會從以下幾方面影響機械密封的運行:
(1)密封端面溫度升高，降低油膜穩(wěn)定性，增加介質對密封端面，尤其是非金屬材質的腐蝕;
(2)密封端面冷熱不均，變形嚴重，導致摩擦加劇、泄漏量增大;
(3)機械密封靜密封點溫度過高，加速失效。
3. 高溫重油泵機械密封改造實施情況
3.1 改造的必要性
API682中規(guī)定了機械密封的性能要求:(1)機械密封連續(xù)運行壽命不低于25000h(約為3年);(2)抑制密封在抑制密封腔的壓力不高于壓力開關設定的泄漏壓力(表壓≤0.07MPa)的條件下，連續(xù)運行壽命不低于25000h，在主密封失效時，至少連續(xù)運行8h;(3)按美國環(huán)保署方法21測量，所有密封泄漏量都應控制在1000mL/m3以內，或者滿足用戶當地頒布的更嚴標準，同時，密封連續(xù)運行壽命不低于25000h。
目前惠州石化延遲焦化裝置大檢修周期為4年，不論從標準或是現場實際泄漏情況來看，高溫重油泵所使用的單端面機械密封和PLAN32+62的沖洗方案都不符合要求，必須進行改造。
3.2 改造內容
改造前后介質及介質參數均未發(fā)生變化，動靜環(huán)、軸套、波紋管等主要部件材料沒有太大變化，動環(huán)仍選擇石墨材質，靜環(huán)仍選擇碳化硅材質。
按照API682中要求將所有單端面密封改為串聯式雙端面機械密封并選擇合適的沖洗方案，沖洗方案選擇PLAN32+53B。改造前后的沖洗方案對比如表2所示。
介質為高溫蠟油、重蠟油、渣油的泵，PLAN32沖洗液由原來的焦化柴油改為焦化蠟油。原因是實際操作中發(fā)現，柴油作為上述高溫重油泵的沖洗液，相對密度較小，一旦柴油帶水或溫度過低，極易導致高溫重油泵抽空。
PLAN53B是API682第二版中新的沖洗方案，方案如圖4所示。
PLAN53B方案適用于接觸式濕密封。它有以下特點:
(1)外部輔助系統(tǒng)為輔助密封腔提供密封液，即熱導油;
(2)外部輔助系統(tǒng)中設置蓄能器給整個輔助系統(tǒng)提供壓力;
(3)內部熱導油的流動由泵效環(huán)(泵送環(huán))來保持;
(4)循環(huán)的熱導油帶走機械密封端面產生的熱量，并最終由輔助系統(tǒng)水冷器帶走;
(5)設置壓力顯示及壓力開關，用于監(jiān)測密封的使用及泄漏情況。
PLAN53B通過改善高溫重油泵機械密封的運行條件，設置PI、PS、TI監(jiān)控密封的泄漏情況，達到延長機械密封使用壽命，監(jiān)控泄漏量的安全目標，主要表現在:
(1)熱導油能有效地帶走密封端面產生的熱量，并經由水冷器冷卻后循環(huán)，持續(xù)改善密封端面運行溫度，徹底隔絕外部空氣，防止泄漏的介質在波紋管積聚氧化結焦;
(2)設置TI監(jiān)控密封端面摩擦情況及熱導油冷卻效果;
(3)設置蓄能器使輔助系統(tǒng)帶壓，壓力大于主密封腔壓力，如果主密封端面泄漏，高溫危險介質也不會外漏;
(4)設置PI監(jiān)控密封端面泄漏情況，當密封泄漏超標時，PS壓力開關會向布式控制系統(tǒng)(DCS)報警，提示盡快處理故障。
3.3 改造注意事項
(1) 機械密封尺寸的設計
由于是改造項目，需要充分考慮改造后的機械密封尺寸，機械密封生產商應選用盡量緊湊的設計尺寸。由于受到待改造機泵機械密封端蓋到軸承箱的距離限制，而且改造后的雙端面機械密封一般都比原機械密封軸向尺寸要大，所以軸向尺寸要核對準確。如果需要，可以考慮PLAN32沖洗液入口重新開在泵大蓋上，進而減小改造后雙端面機械密封的軸向尺寸。
(2) 泵密封腔的尺寸
一般來說，原廠圖紙中主密封腔的尺寸都沒有標全，而改造前泵可能都在運行，沒法進行測量。如果光靠圖紙?zhí)峁┑某叽缬锌赡軐е滦聶C械密封安裝不上，最好的辦法是利用檢修期間實測核對尺寸。
(3) 軸套密封點的設置
如前面所述，延遲焦化高溫重油泵介質易結焦。建議在軸套近介質側設置一個靜密封點，防止介質進入軸套結焦后機械密封拆卸困難。
3.4 改造后操作要點
(1) PLAN32沖洗液的要求
PLAN32沖洗液隔絕了泵送介質中顆粒物進入密封端面，并且保持著密封端面液膜的穩(wěn)定。
因此操作時要注意檢查PLAN32的過濾器是否堵塞、注入管路是否通暢，以及保持沖洗液注入壓力大于密封腔壓力0.05—0.1MPa。
(2) PLAN53B輔助系統(tǒng)的投用順序
為了確保PLAN53B系統(tǒng)充分發(fā)揮作用，必須正確地進行投用。每一次投用都必須保證冷卻水管線和熱導油管線排凈氣體，防止發(fā)生氣阻現象，尤其是工作壓力較高的熱導油管線。
投用注意事項如下:
a.投用循環(huán)水流程時，注意打開水冷器的上下排空堵頭，排干凈空氣后再打開循環(huán)水回水閥。
b.投用隔離液流程時，首先確認蓄能器已充壓至規(guī)定壓力;其次加注熱導油至系統(tǒng)帶壓后，要再次打開油系統(tǒng)排空閥將空氣排凈，并且邊排氣邊盤車;加注熱導油完畢后，要關閉手動注油泵手閥(防止單向閥不嚴熱導油倒竄)。
(3) PLAN53B的操作要求
工作壓力是PLAN53B操作的重要指標。通過現場PI定期檢查工作壓力是否下降。當工作壓力降低至最小值或低壓報警時要重新補壓，下降趨勢過快或低于蓄能器壓力時則需維修機械密封。內操要關注PS壓力開關的報警，出現報警要立刻到現場檢查確認。
另外，還需要定期通過II檢查現場水冷卻器出口溫是否達標，從而判斷水冷器的工作情況。
4. 改造效果
延遲焦化高溫重油泵機械密封經過改造后，機械密封泄漏維修率大幅度降低，無其他故障的情況下可滿足連續(xù)運行3年以上的要求。相比改造前的機械密封，改造后的機械密封不僅運行更加可靠，還包含PI、Ps、TI等多種監(jiān)控手段，全方位監(jiān)控高溫重油泵機械密封的運行情況，可謂真正達到了設備本質安全的要求，值得推廣。
目前，高溫重油泵的雙封改造工作已經推廣到全公司的其他生產裝置，成為保證全廠安全平穩(wěn)長周期生產的有效辦法。
參考文獻
1.孫艷明.延遲焦化焦粉夾帶的原因及應對措施[J].安全、健康和環(huán)境，2014(10):4—7.
中海油惠州石化有限公司(以下簡稱惠州石化)延遲焦化裝置處理能力為4.2Mt/a，采用美國FOSTER WHEELER公司提供的前端工程設計(FEED)包，由中國石化工程建設公司(SEI)進行設計。該套裝置采用兩爐四塔工藝，單系列處理量比較大。目前惠州石化渣油處理手段只有延遲焦化一種，因此，延遲焦化裝置長周期平穩(wěn)運行直接影響到全廠的經濟效益及正常生產，而裝置長周期平穩(wěn)運行的一個關鍵因素，就是高溫重油泵的安全平穩(wěn)無泄漏運行。
1. 高溫重油泵機械密封運行的主要問題
裝置投產初期，機械密封運行的主要問題是易泄漏、壽命短、所密封的介質易燃。延遲焦化高溫重油泵介質主要有減壓渣油、重蠟油和蠟油，這些介質相對組分較重，自燃點低。介質溫度超過或接近介質燃點的高溫重油泵見表1。
2. 高溫重油泵機械密封易泄漏的原因分析
2.1 原單端面機械密封容易泄漏
改造前的高溫重油泵機械密封類型都為單端面機械密封，沖洗方案為PLAN32+62。單端面機械密封結構較為簡單，一般用于油、水、有機溶劑及腐蝕性介質。其典型結構如圖1所示。
2.2 介質中顆粒含量高
延遲焦化各組分中焦粉含量較多，重油組分更是如此【1】。焦粉微粒易進入機械密封的密封端面，引起密封端面持續(xù)微量泄漏;微量泄漏的介質聚集在波紋管或彈簧等零部件上，逐漸氧化結焦;結焦物降低波紋管的彈力，加劇密封端面的泄漏。如此惡性循環(huán)，機械密封很快就會失效。
圖2和圖3顯示了蠟油產品泵一套機械密封的失效情況。
2.3 原機械密封冷卻吹掃效果差
PLAN62冷卻介質一般選用的是低壓蒸汽，預期作用是沖洗波紋管外側，帶走泄漏的介質，并隔絕空氣，即盡可能地防止泄漏的介質氧化結焦。但是低壓蒸汽易受氣溫、來源、疏水情況、操作等因素影響，導致其帶水嚴重或中斷，因此PLAN62方案的沖洗效果比較差。
對于高溫重油泵機械密封而言，冷卻吹掃的效果差，會從以下幾方面影響機械密封的運行:
(1)密封端面溫度升高，降低油膜穩(wěn)定性，增加介質對密封端面，尤其是非金屬材質的腐蝕;
(2)密封端面冷熱不均，變形嚴重，導致摩擦加劇、泄漏量增大;
(3)機械密封靜密封點溫度過高，加速失效。
3. 高溫重油泵機械密封改造實施情況
3.1 改造的必要性
API682中規(guī)定了機械密封的性能要求:(1)機械密封連續(xù)運行壽命不低于25000h(約為3年);(2)抑制密封在抑制密封腔的壓力不高于壓力開關設定的泄漏壓力(表壓≤0.07MPa)的條件下，連續(xù)運行壽命不低于25000h，在主密封失效時，至少連續(xù)運行8h;(3)按美國環(huán)保署方法21測量，所有密封泄漏量都應控制在1000mL/m3以內，或者滿足用戶當地頒布的更嚴標準，同時，密封連續(xù)運行壽命不低于25000h。
目前惠州石化延遲焦化裝置大檢修周期為4年，不論從標準或是現場實際泄漏情況來看，高溫重油泵所使用的單端面機械密封和PLAN32+62的沖洗方案都不符合要求，必須進行改造。
3.2 改造內容
改造前后介質及介質參數均未發(fā)生變化，動靜環(huán)、軸套、波紋管等主要部件材料沒有太大變化，動環(huán)仍選擇石墨材質，靜環(huán)仍選擇碳化硅材質。
按照API682中要求將所有單端面密封改為串聯式雙端面機械密封并選擇合適的沖洗方案，沖洗方案選擇PLAN32+53B。改造前后的沖洗方案對比如表2所示。
PLAN53B是API682第二版中新的沖洗方案，方案如圖4所示。
(1)外部輔助系統(tǒng)為輔助密封腔提供密封液，即熱導油;
(2)外部輔助系統(tǒng)中設置蓄能器給整個輔助系統(tǒng)提供壓力;
(3)內部熱導油的流動由泵效環(huán)(泵送環(huán))來保持;
(4)循環(huán)的熱導油帶走機械密封端面產生的熱量，并最終由輔助系統(tǒng)水冷器帶走;
(5)設置壓力顯示及壓力開關，用于監(jiān)測密封的使用及泄漏情況。
PLAN53B通過改善高溫重油泵機械密封的運行條件，設置PI、PS、TI監(jiān)控密封的泄漏情況，達到延長機械密封使用壽命，監(jiān)控泄漏量的安全目標，主要表現在:
(1)熱導油能有效地帶走密封端面產生的熱量，并經由水冷器冷卻后循環(huán)，持續(xù)改善密封端面運行溫度，徹底隔絕外部空氣，防止泄漏的介質在波紋管積聚氧化結焦;
(2)設置TI監(jiān)控密封端面摩擦情況及熱導油冷卻效果;
(3)設置蓄能器使輔助系統(tǒng)帶壓，壓力大于主密封腔壓力，如果主密封端面泄漏，高溫危險介質也不會外漏;
(4)設置PI監(jiān)控密封端面泄漏情況，當密封泄漏超標時，PS壓力開關會向布式控制系統(tǒng)(DCS)報警，提示盡快處理故障。
3.3 改造注意事項
(1) 機械密封尺寸的設計
由于是改造項目，需要充分考慮改造后的機械密封尺寸，機械密封生產商應選用盡量緊湊的設計尺寸。由于受到待改造機泵機械密封端蓋到軸承箱的距離限制，而且改造后的雙端面機械密封一般都比原機械密封軸向尺寸要大，所以軸向尺寸要核對準確。如果需要，可以考慮PLAN32沖洗液入口重新開在泵大蓋上，進而減小改造后雙端面機械密封的軸向尺寸。
(2) 泵密封腔的尺寸
一般來說，原廠圖紙中主密封腔的尺寸都沒有標全，而改造前泵可能都在運行，沒法進行測量。如果光靠圖紙?zhí)峁┑某叽缬锌赡軐е滦聶C械密封安裝不上，最好的辦法是利用檢修期間實測核對尺寸。
(3) 軸套密封點的設置
如前面所述，延遲焦化高溫重油泵介質易結焦。建議在軸套近介質側設置一個靜密封點，防止介質進入軸套結焦后機械密封拆卸困難。
3.4 改造后操作要點
(1) PLAN32沖洗液的要求
PLAN32沖洗液隔絕了泵送介質中顆粒物進入密封端面，并且保持著密封端面液膜的穩(wěn)定。
因此操作時要注意檢查PLAN32的過濾器是否堵塞、注入管路是否通暢，以及保持沖洗液注入壓力大于密封腔壓力0.05—0.1MPa。
(2) PLAN53B輔助系統(tǒng)的投用順序
為了確保PLAN53B系統(tǒng)充分發(fā)揮作用，必須正確地進行投用。每一次投用都必須保證冷卻水管線和熱導油管線排凈氣體，防止發(fā)生氣阻現象，尤其是工作壓力較高的熱導油管線。
投用注意事項如下:
a.投用循環(huán)水流程時，注意打開水冷器的上下排空堵頭，排干凈空氣后再打開循環(huán)水回水閥。
b.投用隔離液流程時，首先確認蓄能器已充壓至規(guī)定壓力;其次加注熱導油至系統(tǒng)帶壓后，要再次打開油系統(tǒng)排空閥將空氣排凈，并且邊排氣邊盤車;加注熱導油完畢后，要關閉手動注油泵手閥(防止單向閥不嚴熱導油倒竄)。
(3) PLAN53B的操作要求
工作壓力是PLAN53B操作的重要指標。通過現場PI定期檢查工作壓力是否下降。當工作壓力降低至最小值或低壓報警時要重新補壓，下降趨勢過快或低于蓄能器壓力時則需維修機械密封。內操要關注PS壓力開關的報警，出現報警要立刻到現場檢查確認。
另外，還需要定期通過II檢查現場水冷卻器出口溫是否達標，從而判斷水冷器的工作情況。
4. 改造效果
延遲焦化高溫重油泵機械密封經過改造后，機械密封泄漏維修率大幅度降低，無其他故障的情況下可滿足連續(xù)運行3年以上的要求。相比改造前的機械密封，改造后的機械密封不僅運行更加可靠，還包含PI、Ps、TI等多種監(jiān)控手段，全方位監(jiān)控高溫重油泵機械密封的運行情況，可謂真正達到了設備本質安全的要求，值得推廣。
目前，高溫重油泵的雙封改造工作已經推廣到全公司的其他生產裝置，成為保證全廠安全平穩(wěn)長周期生產的有效辦法。
參考文獻
1.孫艷明.延遲焦化焦粉夾帶的原因及應對措施[J].安全、健康和環(huán)境，2014(10):4—7.
出處《石油化工技術與經濟》 2018年第4期
