浅析乙烯装置急冷油泵机械密封的选用.pdf

Hydraulics Pneumatics&Seals/No.2.2024doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.02.023浅析乙烯装置急冷油泵机械密封的选用王程,任俊明,朱鹏飞,陈正梁1（1.中密控股股份有限公司，四川成都6 10 0 4 5；2.中国石化工程建设有限公司，北京10 0 10 1）摘要：针对目前乙烯装置急冷油泵机械密封在现场使用效果不佳、运行寿命短的问题，根据急冷油泵的工况特点，分析了其密封难点，推荐了一种适用于乙烯装置急冷油泵的密封辅助系统方案及机械密封结构。该结构成功运用在多个乙烯装置急冷油泵上，运行稳定，使用寿命显著提升，达到了优化改进的目的。关键词：乙烯装置；急冷油泵；机械密封；辅助系统中图分类号：TB42Abstract:Aiming at the problems of poor performance and short service life of mechanical seal for quench oil pump in ethylene plant atpresent.This article analyzed the seal dificulties of quench oil pump according to its working conditions.And recommended a seal auxiliarysystem plan and a mechanical seal structure for quench oil pump in ethylene plant.This structure has been successfully applied to severalquench oil pumps in ethylene plants,with stable operation and significantly improved service life,achieving the goal of optimization andimprovement.Key words:ethylene plant;quench oil pump;mechanical seal;auxiliary system乙烯装置中急冷油泵是物料流量最大、温度最高的离心泵，是该装置急冷单元中十分重要的设备。急冷油直接被喷入到急冷油塔对裂解气进行快速冷却，经急冷油泵从急冷油塔底部抽出送往蒸汽发生器产生稀释蒸汽,换热后的急冷油再回到急冷油塔实现循环。急冷油泵的运行状况直接影响急冷单元的运行和循环，也直接决定着整个装置是否能够平稳运行。机械密封作为急冷油泵内的重要部件,是急冷油泵能否安全、稳定、长周期运行的关键。由于泵送介质为易燃、易爆、有毒、有害的高温热油，一旦机械密封发生泄漏，极易造成人员伤害及环境污染，甚至导致整个装置停车而带来巨大的经济损失。乙烯装置急冷油泵常见工况如表1，本研究主要根据表1所列工况分析其密封设计难点，探讨密封辅助收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 3作者简介：王程（19 9 3-）,男,四川德阳人，本科,工程师，主要从事机械密封技术与研发工作。文献标志码：A文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 2-0 12 5-0 4Brief Analysis on Selection of Mechanical Seal for the QuenchOil Pump in Ethylene PlantWANG Cheng,REN Jun-ming,ZHU Peng-fei?,CHEN Zheng-liang(1.Sinoseal Holding Co.,Ltd.,Chengdu 610045,China;2.Sinopec Engineering Incorporation(SEI),Beijing 100101,China)系统及机械密封结构的选用。表1急冷油泵典型工况温度黏度人口压力出口压力名称介质介质特性mPa sMPa急冷急冷油循190油max5环泵1密封难点分析1.1工艺特点由于大流量的传输，一台泵无法达到要求，乙烯装置里急冷油泵通常设计成三开一备或者两开一备。几台泵长期并联运行，设备的差异性增加，如口环处长期磨损造成间隙的不同、泵内流道几何尺寸的差异、离心泵实际运行效率的不同等。这些差异通过使并联的几台泵管路内物料的压力等因素相互影响，使得机械密125MPa0.463/0.182可能存在5 mm1.614以下焦粒;H,S:200 ppm液压气动与密封/2 0 2 4 年第2 期封腔内物料特性（压力、温度、流量、颗粒度）频繁发生变化，这些变化对机械密封使用寿命会造成严重影响。1.2设备精度急冷油泵轴径通常超过了10 0 mm,长时间运行后精度会有所下降,并且泵内叶轮、平衡盘、级间衬套、口环等均会产生磨损从而造成泵的振动 2 。由于金属波纹管的抗振性能较差，一旦振动超标则会影响波纹管的密封性能，严重时甚至造成密封内部循环装置与密封压盖发生擦碰，损害密封进而导致机械密封泄漏。1.3介质温度急冷油泵泵送介质温度基本在19 0 2 2 0 之间，由于温度较高，一方面容易造成密封端面结焦，引起密封端面磨损,最终使密封泄漏。若采用单端面机械密封，高温介质将直接泄漏到环境中造成严重后果。另一方面则是辅助密封圈的使用效果参差不齐,普通氟橡胶0 形圈最高耐受温度17 5不适合本工况。全氟醚橡胶虽然能耐受更高温度，但是长期处于高温工况下，其密封性能也得不到保障。1.4介质含固体颗粒急冷油直接接触从裂解炉来的裂解气对其进行冷却,由于气体中含有焦粒,随着冷却过程的进行，焦粒将被带人到急冷油中。如果冲洗效果不好，焦粒介质一旦进入到密封结构中,则会造成弹性元件堵塞、卡滞，从而使补偿机构失去补偿性，造成密封端面泄漏。同时焦粒介质一旦进人密封端面则会使端面产生破坏性磨损，同样会导致密封失效 3 2密封辅助系统的选择合适的密封辅助系统是保证密封良好运行必不可少的前提条件,辅助系统具有以下作用，为密封创造更有利的工作环境：（1）为密封端面提供良好的润滑，促进形成稳定的液膜；（2）带走密封端面产生的热量；（3）调节密封腔压力；（4）为密封提供清洁的工作液；（5）阻隔外部环境对密封的影响。为密封提供监测和控制密封泄漏的方法：(1)监测泄漏;（2）将泄漏引导至适当的收集或处理系统。针对高温热油泵密封，密封布置方式1（单端面密封）不但安全系数小，而且不能对密封运行状况进行实126时有效的监测，密封一旦失效将造成泵内介质往环境中泄漏引起火灾,所以存在一定的安全隐患。根据API682标准 4 ,同时结合国内某大型炼化企业对高温油泵安全运行的指导意见，从介质零泄漏的安全角度考虑，急冷油泵密封应设计成本质安全型。兼顾安全与环保，推荐采用密封布置方式3（双密封，两对密封端面之间的压力大于密封腔的压力）。2.1介质侧密封冲洗由于急冷油介质温度高，介质黏度大，且含有焦粒杂质，如果采用PLAN21或者PLAN23,高温容易造成换热器冷却水侧产生结垢，致使换热效果降低，影响密封使用寿命；同时温度降低会使介质黏度进一步增加造成换热器管路堵塞，这样密封端面产生的热量无法被及时带走，从而造成机械密封快速失效。所以对于介质侧密封冲洗，推荐选择PLAN32冲洗系统，冲洗液从外部流体源注人密封腔中。因为本泵送流体中包含焦粒杂质，并且需要净化器和外部冷却器来改善密封工作环境,所以PLAN32是本工况的首选方案,PLAN32系统流程如图1所示。图1PLAN32系统流程需要注意的是在PLAN32每一条支路上都应配置单独的流量计、压力表和控制阀,以便及时的监控和调整 PLAN32冲洗液的压力、流量,这一点非常重要。2.2大气侧密封冲洗对于布置方式3,隔离液压力高于密封腔泵送介质的压力，清洁的隔离流体进入到密封端面形成稳定的液膜，便避免了由于介质黏度高和含焦粒进入密封端面造成磨损而难以形成稳定液膜的风险。同时当第一对摩擦副失效后，隔离液会往介质侧泄漏，满足了泵送介质往外零泄漏的要求，且此时辅助系统压力或者液位监测设备将会报警，让作业人员能够及时发现并处理问题。来自外部冲洗液X流量计压力表温度计Hydraulics Pneumatics&Seals/No.2.2024对于机械密封大气侧的辅助系统,常用的是PLAN能则会受到影响。且介质含有焦粒，当进人到弹簧间53A,PLAN53B以及PLAN54方案。PLAN54是采用隙中时，容易造成弹簧卡滞失去弹性，同时焦粒也容易一个加压外部循环的隔离液系统向隔离密封腔提供清在补偿环O形圈处沉积造成O形圈无法沿轴向浮动，洁隔离液，需要配置专门的密封油系统。但是根据现最终影响密封的使用效果。为了密封使用寿命更长，场实际情况反馈，一般不会每台密封各配置一套油站介质侧推荐使用C形密封,采用耐受高温的焊接金属及管路系统,而是采用一个油站供多套密封,PLAN54波纹管密封结构。金属波纹管不仅能够承受高温，而在实际工作中则可能会存在抢量、倒串以及泄漏密封且具有自清洁能力，同时辅助密封圈无需沿轴向浮动，难被发现等一系列问题 5。所以本装置急冷油泵密封能更好的应对急冷油中的含焦杂质。一级辅助密封采大气侧辅助系统推荐采用PLAN53A或者PLAN53B，用能够承受4 8 0 高温的优质柔性石墨。该密封配置表2 中给出了2 个冲洗方案的各自特点。能够有效的密封住介质侧高温含焦粒杂质的急冷油。对于大气侧密封,由于有清洁隔离液的循环冷却，表2 PLAN53A,PLAN53B方案特点所以大气侧密封腔工作环境相对介质侧会好很多，温冲洗方案特点PLAN53A工艺介质无泄漏；密封腔压力不高于1MPa;现场需要有N,源PLAN 53B工艺介质无泄漏；最大密封腔压力高于PLAN53A适用压力；换热器需要充分排气；成本高于PLAN53A综合考虑后,大气侧密封辅助系统优先采用PLAN53A，若现场没有氮气条件，则采用备选方案PLAN53B。为了优化密封的运行环境，提高其可靠性和稳定性,也可以考虑在大气侧增加 PLAN 62背部冲洗以带走正常泄漏的隔离液防止结焦。3机械密封结构的确定急冷油泵的主要特点为轴径大（普遍超过100mm），介质温度高（19 0 2 2 0）以及含有焦粒杂质。从密封专业设计角度来衡量，急冷油泵密封的设计难点就在于大轴径、高温以及含杂质工况的复合应用。通过前面的分析,机械密封辅助系统首选PLAN32加PLAN53A冲洗方案，以下就针对该辅助系统对密封结构的选用进行探讨。3.1密封结构型式对于布置方式3 加压双密封结构。当第一级密封出现泄漏后，第二级密封可以起到延时保护功能，通过辅助系统报警,能够及时提醒作业人员进行检修处理。同时当第一级密封泄漏时，工艺介质不会泄漏到环境中，提高了机械密封的安全性。由于泵送介质温度较高，如果介质侧采用弹簧密封,辅助密封橡胶圈将长期处在高温中工作,其密封性度也不会太高。此时考虑到弹簧密封的抗振性能更加优越,安装更加方便。为使整个密封装置的密封性能更加稳定可靠，机械密封使用寿命更长，大气侧密封推荐采用多弹簧密封结构，密封具体结构型式如图2所示。介质侧对于材料的选择,波纹管材料选用INCONEL718,高温不失弹，并且耐硫腐蚀；弹簧采用性能优良的Hast.C合金，耐高温抗腐蚀。补偿环（介质侧/大气侧）：浸锑石墨/浸锑石墨；非补偿环（介质侧/大气侧）：无压烧结碳化硅/无压烧结碳化硅；辅助密封圈（介质侧/大气侧）：优质柔性石墨/进口全氟醚橡胶。3.2高效泵送装置对于PLAN53冲洗系统,利用内部循环装置将隔离液从储罐输出，流经密封端面后再返回到储罐。该系统能否达到良好的使用效果，关键取决于密封内部的泵送循环装置。根据设计经验，急冷油泵密封大气侧泵送循环装置可选用螺旋套或者泵效环结构。两者均是利用泵轴127大汽N1波纹管密封弹簧密封图2 金属波纹管+弹簧结构液压气动与密封/2 0 2 4 年第2 期带动旋转产生循环动力，使隔离液不间断地在密封与储罐间循环。采用螺旋套结构，在10 0 mm轴径、1500r/min转速下虽能带来约4 0 0 L/h的循环量，但此结构要求螺旋套与压盖之间的间隙非常小（0.50 m m）才能实现较大的循环量，一旦泵使用时间长以后精度下降振动超标时则会造成螺旋套与压盖发生擦碰直接导致密封泄漏。然而采用特殊设计的泵效环,在10 0 mm轴径、150 0 r/min 转速下也能带来约400 L/h 循环量,并且泵效环结构对泵效环与压盖之间的间隙要求较低（11.5mm均可）,即使泵使用时间长以后精度下降振动超标时也不会造成泵效环与压盖发生擦碰，该结构从根本上避免了使用螺旋套而带来的风险。故急冷油泵机械密封采用泵效环结构能够让密封运行更加稳定和可靠，使用寿命更长。4结论综上所述,乙烯装置急冷油泵机械密封推荐选择PLAN32+53A辅助系统，采用金属波纹管密封加弹簧密封的组合结构型式，同时使用泵效环内部循环装引用本文：王程，任俊明，朱鹏飞，等.浅析乙烯装置急冷油泵机械密封的选用 J.液压气动与密封，2 0 2 4,4 4（2）：12 512 8.WANG Cheng,REN Junming,ZHU Pengfei,et al.Brief Analysis on Selection of Mechanical Seal for the Quench Oil Pump in EthylenePlant J.Hydraulics Pneumatics&Seals,2024,44(2):125-128.+.置。本设计方案已在国内多套乙烯装置急冷油泵上采用,均达到了较好的密封效果以及较长的密封使用寿命。参考文献1 田英男，丁意轩，戴传波.乙烯装置急冷油循环泵频繁泄漏问题的根治J.山东化工,2 0 0 7,3 6(1)2 1-2 5.2刘红云，卢捍卫.离心泵振动原因分析和解决方案 J.炼油技术与工程,2 0 0 9,3 9(6):2 0-2 4.3马斌良，张道君，王俊杰，等.乙烯装置急冷油泵机械密封改造 J.中国设备工程,2 0 17（9）：7 1-7 3.4APISTD 682-2014,Pumps-Shaft Sealing Systems for Centrifugaland Rotary Pumps S.5 梅军.新建大型常减压装置高温热油泵机封冲洗方案的选用探讨 J.中国石油和化工标准与质量,2 0 18（15）：3 1-35.6董庆伟,刘理想，李阁强双圆弧斜齿齿轮泵泄漏研究及最佳间隙设计 J.流体机械，2 0 2 2,50（3）：6 0-6 5,8 7.7张志慧，马润梅，李双喜，等.镶装式机械密封端面变形加速方法的数值研究 J.机电工程,2 0 2 0,3 7（9）：10 4 5-1050.+中国液气密协会党支部召开2024年第一次全体党员集体学习讨论会2024年1月4 日下午中国液压气动密封件工业协会党支部召开了2 0 2 4 年第一次全体党员集体学习讨论会，会议由宣传委员赵曼琳主持，全体党员参加了会议，人党积极分子列席会议。会议第一议题学习了习近平主席2 0 2 4 年新年贺词，会议讨论了协会2 0 2 4 年党建工作计划，传达了全国性行业协会商会纪委、中国机械工业联合会纪委关于做好2 0 2 4 年元旦春节期间正风肃纪工作的通知精神，会议讨论了入党积极分子事宜，全体党员集中学习了新修订的中国共产党纪律处分条例的对照解读，并结合学习内容，联系工作实际做了讨论发言。会议认为，各位党员通过认真学习，结合新一年工作畅谈体会想法，为全年工作开好局起好步。杜旭东书记指出：协会党员要充分发挥模范带头和战斗堡垒作用，营造一个风清气正的工作氛围，集思广益做好协会工作。协会党支部2 0 2 4 年第一次集体学习，传达学习习近平总书记最新重要讲话精神，交流学习体会，凝聚共识，谋划开展好新一年的协会工作，践行“四个服务”，不断开创协会工作新局面。摘自中国液压气动密封件工业协会公众号128