摘 要：延遲焦化裝置高溫重油泵為裝置關(guān)鍵機(jī)泵，這些泵原機(jī)械密封均為單端面機(jī)械密封，沖洗方案為PLAN32+62。這種形式的機(jī)械密封應(yīng)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(xiàn)有機(jī)械密封進(jìn)行改造。分析了延遲焦化裝置高溫重油泵機(jī)械密封容易泄漏的原因，提出了安全可靠的改造辦法，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，給出了改造和操作等的要點(diǎn)及難點(diǎn)。
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(shè)計(jì)(FEED)包，由中國石化工程建設(shè)公司(SEI)進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(yùn)行直接影響到全廠的經(jīng)濟(jì)效益及正常生產(chǎn)，而裝置長周期平穩(wěn)運(yùn)行的一個關(guān)鍵因素，就是高溫重油泵的安全平穩(wěn)無泄漏運(yùn)行。
1. 高溫重油泵機(jī)械密封運(yùn)行的主要問題
裝置投產(chǎn)初期，機(jī)械密封運(yùn)行的主要問題是易泄漏、壽命短、所密封的介質(zhì)易燃。延遲焦化高溫重油泵介質(zhì)主要有減壓渣油、重蠟油和蠟油，這些介質(zhì)相對組分較重，自燃點(diǎn)低。介質(zhì)溫度超過或接近介質(zhì)燃點(diǎn)的高溫重油泵見表1。
高溫重油泵機(jī)械密封一旦嚴(yán)重泄漏，泵內(nèi)介質(zhì)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(yīng)的各個介質(zhì)的自燃點(diǎn)也隨之更低。
2. 高溫重油泵機(jī)械密封易泄漏的原因分析
2.1 原單端面機(jī)械密封容易泄漏
改造前的高溫重油泵機(jī)械密封類型都為單端面機(jī)械密封，沖洗方案為PLAN32+62。單端面機(jī)械密封結(jié)構(gòu)較為簡單，一般用于油、水、有機(jī)溶劑及腐蝕性介質(zhì)。其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。
單端面機(jī)械密封不適用于高溫、易燃易爆、帶懸浮顆粒的介質(zhì)，而渣油、焦化蠟油等介質(zhì)正好具備以上特點(diǎn)。因此高溫重油類泵使用單端面機(jī)械密封，比較容易發(fā)生泄漏。
2.2 介質(zhì)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(jìn)入機(jī)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(zhì)聚集在波紋管或彈簧等零部件上，逐漸氧化結(jié)焦;結(jié)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(jī)械密封很快就會失效。
圖2和圖3顯示了蠟油產(chǎn)品泵一套機(jī)械密封的失效情況。
從上述失效案例中可以看到:介質(zhì)從密封端面泄漏后，積聚在波紋管外側(cè)(大氣側(cè))并逐漸氧化結(jié)焦，結(jié)焦物導(dǎo)致波紋管彈性降低，端面補(bǔ)償力下降，進(jìn)而造成機(jī)械密封泄漏惡化。
2.3 原機(jī)械密封冷卻吹掃效果差
PLAN62冷卻介質(zhì)一般選用的是低壓蒸汽，預(yù)期作用是沖洗波紋管外側(cè)，帶走泄漏的介質(zhì)，并隔絕空氣，即盡可能地防止泄漏的介質(zhì)氧化結(jié)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(dǎo)致其帶水嚴(yán)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(jī)械密封而言，冷卻吹掃的效果差，會從以下幾方面影響機(jī)械密封的運(yùn)行:
(1)密封端面溫度升高，降低油膜穩(wěn)定性，增加介質(zhì)對密封端面，尤其是非金屬材質(zhì)的腐蝕;
(2)密封端面冷熱不均，變形嚴(yán)重，導(dǎo)致摩擦加劇、泄漏量增大;
(3)機(jī)械密封靜密封點(diǎn)溫度過高，加速失效。
3. 高溫重油泵機(jī)械密封改造實(shí)施情況
3.1 改造的必要性
API682中規(guī)定了機(jī)械密封的性能要求:(1)機(jī)械密封連續(xù)運(yùn)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(guān)設(shè)定的泄漏壓力(表壓≤0.07MPa)的條件下，連續(xù)運(yùn)行壽命不低于25000h，在主密封失效時，至少連續(xù)運(yùn)行8h;(3)按美國環(huán)保署方法21測量，所有密封泄漏量都應(yīng)控制在1000mL/m3以內(nèi)，或者滿足用戶當(dāng)?shù)仡C布的更嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)，同時，密封連續(xù)運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)或是現(xiàn)場實(shí)際泄漏情況來看，高溫重油泵所使用的單端面機(jī)械密封和PLAN32+62的沖洗方案都不符合要求，必須進(jìn)行改造。
3.2 改造內(nèi)容
改造前后介質(zhì)及介質(zhì)參數(shù)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(zhì)，靜環(huán)仍選擇碳化硅材質(zhì)。
按照API682中要求將所有單端面密封改為串聯(lián)式雙端面機(jī)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(zhì)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(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)，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(dǎo)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(diǎn):
(1)外部輔助系統(tǒng)為輔助密封腔提供密封液，即熱導(dǎo)油;
(2)外部輔助系統(tǒng)中設(shè)置蓄能器給整個輔助系統(tǒng)提供壓力;
(3)內(nèi)部熱導(dǎo)油的流動由泵效環(huán)(泵送環(huán))來保持;
(4)循環(huán)的熱導(dǎo)油帶走機(jī)械密封端面產(chǎn)生的熱量，并最終由輔助系統(tǒng)水冷器帶走;
(5)設(shè)置壓力顯示及壓力開關(guān)，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(jī)械密封的運(yùn)行條件，設(shè)置PI、PS、TI監(jiān)控密封的泄漏情況，達(dá)到延長機(jī)械密封使用壽命，監(jiān)控泄漏量的安全目標(biāo)，主要表現(xiàn)在:
(1)熱導(dǎo)油能有效地帶走密封端面產(chǎn)生的熱量，并經(jīng)由水冷器冷卻后循環(huán)，持續(xù)改善密封端面運(yùn)行溫度，徹底隔絕外部空氣，防止泄漏的介質(zhì)在波紋管積聚氧化結(jié)焦;
(2)設(shè)置TI監(jiān)控密封端面摩擦情況及熱導(dǎo)油冷卻效果;
(3)設(shè)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(zhì)也不會外漏;
(4)設(shè)置PI監(jiān)控密封端面泄漏情況，當(dāng)密封泄漏超標(biāo)時，PS壓力開關(guān)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(xiàng)
(1) 機(jī)械密封尺寸的設(shè)計(jì)
由于是改造項(xiàng)目，需要充分考慮改造后的機(jī)械密封尺寸，機(jī)械密封生產(chǎn)商應(yīng)選用盡量緊湊的設(shè)計(jì)尺寸。由于受到待改造機(jī)泵機(jī)械密封端蓋到軸承箱的距離限制，而且改造后的雙端面機(jī)械密封一般都比原機(jī)械密封軸向尺寸要大，所以軸向尺寸要核對準(zhǔn)確。如果需要，可以考慮PLAN32沖洗液入口重新開在泵大蓋上，進(jìn)而減小改造后雙端面機(jī)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(biāo)全，而改造前泵可能都在運(yùn)行，沒法進(jìn)行測量。如果光靠圖紙?zhí)峁┑某叽缬锌赡軐?dǎo)致新機(jī)械密封安裝不上，最好的辦法是利用檢修期間實(shí)測核對尺寸。
(3) 軸套密封點(diǎn)的設(shè)置
如前面所述，延遲焦化高溫重油泵介質(zhì)易結(jié)焦。建議在軸套近介質(zhì)側(cè)設(shè)置一個靜密封點(diǎn)，防止介質(zhì)進(jìn)入軸套結(jié)焦后機(jī)械密封拆卸困難。
3.4 改造后操作要點(diǎn)
(1) PLAN32沖洗液的要求
PLAN32沖洗液隔絕了泵送介質(zhì)中顆粒物進(jìn)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(jìn)行投用。每一次投用都必須保證冷卻水管線和熱導(dǎo)油管線排凈氣體，防止發(fā)生氣阻現(xiàn)象，尤其是工作壓力較高的熱導(dǎo)油管線。
投用注意事項(xiàng)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(rèn)蓄能器已充壓至規(guī)定壓力;其次加注熱導(dǎo)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(dǎo)油完畢后，要關(guān)閉手動注油泵手閥(防止單向閥不嚴(yán)熱導(dǎo)油倒竄)。
(3) PLAN53B的操作要求
工作壓力是PLAN53B操作的重要指標(biāo)。通過現(xiàn)場PI定期檢查工作壓力是否下降。當(dāng)工作壓力降低至最小值或低壓報警時要重新補(bǔ)壓，下降趨勢過快或低于蓄能器壓力時則需維修機(jī)械密封。內(nèi)操要關(guān)注PS壓力開關(guān)的報警，出現(xiàn)報警要立刻到現(xiàn)場檢查確認(rèn)。
另外，還需要定期通過II檢查現(xiàn)場水冷卻器出口溫是否達(dá)標(biāo)，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(jī)械密封經(jīng)過改造后，機(jī)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(yùn)行3年以上的要求。相比改造前的機(jī)械密封，改造后的機(jī)械密封不僅運(yùn)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(jī)械密封的運(yùn)行情況，可謂真正達(dá)到了設(shè)備本質(zhì)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(jīng)推廣到全公司的其他生產(chǎn)裝置，成為保證全廠安全平穩(wěn)長周期生產(chǎn)的有效辦法。
參考文獻(xiàn)
1.孫艷明.延遲焦化焦粉夾帶的原因及應(yīng)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(shè)計(jì)(FEED)包，由中國石化工程建設(shè)公司(SEI)進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(yùn)行直接影響到全廠的經(jīng)濟(jì)效益及正常生產(chǎn)，而裝置長周期平穩(wěn)運(yùn)行的一個關(guān)鍵因素，就是高溫重油泵的安全平穩(wěn)無泄漏運(yùn)行。
1. 高溫重油泵機(jī)械密封運(yùn)行的主要問題
裝置投產(chǎn)初期，機(jī)械密封運(yùn)行的主要問題是易泄漏、壽命短、所密封的介質(zhì)易燃。延遲焦化高溫重油泵介質(zhì)主要有減壓渣油、重蠟油和蠟油，這些介質(zhì)相對組分較重，自燃點(diǎn)低。介質(zhì)溫度超過或接近介質(zhì)燃點(diǎn)的高溫重油泵見表1。
2. 高溫重油泵機(jī)械密封易泄漏的原因分析
2.1 原單端面機(jī)械密封容易泄漏
改造前的高溫重油泵機(jī)械密封類型都為單端面機(jī)械密封，沖洗方案為PLAN32+62。單端面機(jī)械密封結(jié)構(gòu)較為簡單，一般用于油、水、有機(jī)溶劑及腐蝕性介質(zhì)。其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2.2 介質(zhì)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(jìn)入機(jī)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(zhì)聚集在波紋管或彈簧等零部件上，逐漸氧化結(jié)焦;結(jié)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(jī)械密封很快就會失效。
圖2和圖3顯示了蠟油產(chǎn)品泵一套機(jī)械密封的失效情況。
2.3 原機(jī)械密封冷卻吹掃效果差
PLAN62冷卻介質(zhì)一般選用的是低壓蒸汽，預(yù)期作用是沖洗波紋管外側(cè)，帶走泄漏的介質(zhì)，并隔絕空氣，即盡可能地防止泄漏的介質(zhì)氧化結(jié)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(dǎo)致其帶水嚴(yán)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(jī)械密封而言，冷卻吹掃的效果差，會從以下幾方面影響機(jī)械密封的運(yùn)行:
(1)密封端面溫度升高，降低油膜穩(wěn)定性，增加介質(zhì)對密封端面，尤其是非金屬材質(zhì)的腐蝕;
(2)密封端面冷熱不均，變形嚴(yán)重，導(dǎo)致摩擦加劇、泄漏量增大;
(3)機(jī)械密封靜密封點(diǎn)溫度過高，加速失效。
3. 高溫重油泵機(jī)械密封改造實(shí)施情況
3.1 改造的必要性
API682中規(guī)定了機(jī)械密封的性能要求:(1)機(jī)械密封連續(xù)運(yùn)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(guān)設(shè)定的泄漏壓力(表壓≤0.07MPa)的條件下，連續(xù)運(yùn)行壽命不低于25000h，在主密封失效時，至少連續(xù)運(yùn)行8h;(3)按美國環(huán)保署方法21測量，所有密封泄漏量都應(yīng)控制在1000mL/m3以內(nèi)，或者滿足用戶當(dāng)?shù)仡C布的更嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)，同時，密封連續(xù)運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)或是現(xiàn)場實(shí)際泄漏情況來看，高溫重油泵所使用的單端面機(jī)械密封和PLAN32+62的沖洗方案都不符合要求，必須進(jìn)行改造。
3.2 改造內(nèi)容
改造前后介質(zhì)及介質(zhì)參數(shù)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(zhì)，靜環(huán)仍選擇碳化硅材質(zhì)。
按照API682中要求將所有單端面密封改為串聯(lián)式雙端面機(jī)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(dǎo)油;
(2)外部輔助系統(tǒng)中設(shè)置蓄能器給整個輔助系統(tǒng)提供壓力;
(3)內(nèi)部熱導(dǎo)油的流動由泵效環(huán)(泵送環(huán))來保持;
(4)循環(huán)的熱導(dǎo)油帶走機(jī)械密封端面產(chǎn)生的熱量，并最終由輔助系統(tǒng)水冷器帶走;
(5)設(shè)置壓力顯示及壓力開關(guān)，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(jī)械密封的運(yùn)行條件，設(shè)置PI、PS、TI監(jiān)控密封的泄漏情況，達(dá)到延長機(jī)械密封使用壽命，監(jiān)控泄漏量的安全目標(biāo)，主要表現(xiàn)在:
(1)熱導(dǎo)油能有效地帶走密封端面產(chǎn)生的熱量，并經(jīng)由水冷器冷卻后循環(huán)，持續(xù)改善密封端面運(yùn)行溫度，徹底隔絕外部空氣，防止泄漏的介質(zhì)在波紋管積聚氧化結(jié)焦;
(2)設(shè)置TI監(jiān)控密封端面摩擦情況及熱導(dǎo)油冷卻效果;
(3)設(shè)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(zhì)也不會外漏;
(4)設(shè)置PI監(jiān)控密封端面泄漏情況，當(dāng)密封泄漏超標(biāo)時，PS壓力開關(guān)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(xiàng)
(1) 機(jī)械密封尺寸的設(shè)計(jì)
由于是改造項(xiàng)目，需要充分考慮改造后的機(jī)械密封尺寸，機(jī)械密封生產(chǎn)商應(yīng)選用盡量緊湊的設(shè)計(jì)尺寸。由于受到待改造機(jī)泵機(jī)械密封端蓋到軸承箱的距離限制，而且改造后的雙端面機(jī)械密封一般都比原機(jī)械密封軸向尺寸要大，所以軸向尺寸要核對準(zhǔn)確。如果需要，可以考慮PLAN32沖洗液入口重新開在泵大蓋上，進(jìn)而減小改造后雙端面機(jī)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(biāo)全，而改造前泵可能都在運(yùn)行，沒法進(jìn)行測量。如果光靠圖紙?zhí)峁┑某叽缬锌赡軐?dǎo)致新機(jī)械密封安裝不上，最好的辦法是利用檢修期間實(shí)測核對尺寸。
(3) 軸套密封點(diǎn)的設(shè)置
如前面所述，延遲焦化高溫重油泵介質(zhì)易結(jié)焦。建議在軸套近介質(zhì)側(cè)設(shè)置一個靜密封點(diǎn)，防止介質(zhì)進(jìn)入軸套結(jié)焦后機(jī)械密封拆卸困難。
3.4 改造后操作要點(diǎn)
(1) PLAN32沖洗液的要求
PLAN32沖洗液隔絕了泵送介質(zhì)中顆粒物進(jìn)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(jìn)行投用。每一次投用都必須保證冷卻水管線和熱導(dǎo)油管線排凈氣體，防止發(fā)生氣阻現(xiàn)象，尤其是工作壓力較高的熱導(dǎo)油管線。
投用注意事項(xiàng)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(rèn)蓄能器已充壓至規(guī)定壓力;其次加注熱導(dǎo)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(dǎo)油完畢后，要關(guān)閉手動注油泵手閥(防止單向閥不嚴(yán)熱導(dǎo)油倒竄)。
(3) PLAN53B的操作要求
工作壓力是PLAN53B操作的重要指標(biāo)。通過現(xiàn)場PI定期檢查工作壓力是否下降。當(dāng)工作壓力降低至最小值或低壓報警時要重新補(bǔ)壓，下降趨勢過快或低于蓄能器壓力時則需維修機(jī)械密封。內(nèi)操要關(guān)注PS壓力開關(guān)的報警，出現(xiàn)報警要立刻到現(xiàn)場檢查確認(rèn)。
另外，還需要定期通過II檢查現(xiàn)場水冷卻器出口溫是否達(dá)標(biāo)，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(jī)械密封經(jīng)過改造后，機(jī)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(yùn)行3年以上的要求。相比改造前的機(jī)械密封，改造后的機(jī)械密封不僅運(yùn)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(jī)械密封的運(yùn)行情況，可謂真正達(dá)到了設(shè)備本質(zhì)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(jīng)推廣到全公司的其他生產(chǎn)裝置，成為保證全廠安全平穩(wěn)長周期生產(chǎn)的有效辦法。
參考文獻(xiàn)
1.孫艷明.延遲焦化焦粉夾帶的原因及應(yīng)對措施[J].安全、健康和環(huán)境，2014(10):4—7.
出處《石油化工技術(shù)與經(jīng)濟(jì)》 2018年第4期
