聚丙烯装置轴流泵机械密封国产化.pdf

设备管理与维修2023 翼10（下）0引言某炼化公司 30 万吨/年聚丙烯装置采用巴塞尔公司的Spherizone 专利技术，该技术是目前国际上的先进聚合反应工艺，替代原用的间歇式反应釜工艺实现了聚合反应的连续运行。预聚合反应器小环轴流泵是该装置的关键设备，而轴流泵的稳定运行取决于关键零部件机械密封的可靠性，同时由于原装进口机封采用分体式设计，配件价格昂贵，不利于日后维修工作。根据小环轴流泵介质、冲洗及泵的特点，通过对设备和工艺的细致了解和分析，采用先进的理论计算软件进行计算，对小环轴流机封进行结构优化、材料优化、技术升级，将原分体式机封改造为三端面集装式机械密封，从而保证轴流泵关键设备的长周期稳定运行。1机械密封结构与冲洗方案介绍国产后的机封采用三端面集装结构，密封方案为 PLAN 32+PLAN 53C+PLAN 52，一、二级密封强采用带压的 PLAN 53C 方案，两套密封背对背布置，在双端面之间的密封腔引入封液进行堵封、润滑和冷却。封液选用洁净和润滑性好的介质，封液压力高于介质压力 0.20.3 MPa。保证密封运行过程中始终保持封液压力高于介质压力。为了保证一、二级高压密封的可靠性，增加了三级 PLAN 52方案的端面密封。三级密封为保护密封，在低压下运行一级密封失效后，短时间内可起到主密封作用。为了阻止介质中聚合物颗粒对密封的阻塞，在介质侧增加了节流套组件，并通入 PLAN 32 方案外引冲洗液。外引冲洗应连续、可靠的，与小间隙节流组件配合使用，使密封腔维护一定的压力，同时将冲洗介质和泵送流程隔离。由于旋转轴较长，为保证轴的旋转精度，在密封内部增加了能承受轴向力和径向力的轴承，确保密封的稳定运行，同时也保证轴的安装精度。这样的结构也取消了外部轴承座，节省了安装空间。PLAN 32+PLAN 53C+PLAN 52 的冲洗方案确保密封在一个良好的维护环境中运行，同时也提供了自动监控系统，解决非集装密封现场安装精度和安全性，节省安装密封更换时间，降低维修费用，保证密封安全的运行。2机械密封泄漏基本原理前置密封为 PLAN 32 冲洗方案，即用干净的液相丙烯冲入前端密封腔，丙烯液压力高于反应器内介质压力，在前端节流套的作用下，阻止环管内的颗粒聚丙烯进入到一级密封的端面和浮动圈部位，保证一级密封处在一个干净的封液环境中，避免失效。一、二级密封之间采用 PLAN 53C 密封冲洗方案，一级密封靠近介质侧、二级密封靠近 PLAN 52 方案侧，PLAN 53C 方案主要由一台增压活塞和一台主密封油罐组成，其中增压活塞上部的介质为高压油、下部为 PLAN 32 液相丙烯，当一、二级密封完好时，增压活塞内部压力处于平衡状态，增压活塞标尺稳定平衡。通过计算公式 F密封油=F冲洗介质，可推出 P53C伊S活塞上=P冲洗伊S活塞下，其中 P为压强、F为压力、S 为受压面积。由于活塞上部有活塞杆，故 S活塞下跃S活塞上，所以 P53C跃P冲洗同时 P53C跃P52。这说明无论一级机械密封还是二级机械密封泄漏，都会使密封油向低压侧泄漏，危险介质不会向外泄漏。当一级密封泄漏时，增压活塞中的液压油会进入介质侧，增压活塞标尺上移，触发低报报警。当二级密封泄漏时增压活塞中的液压油会进入 PLAN 52 冲洗方案中，PLAN 52 方案中安全密封罐触发液位高报报警，由于丙烯汽化会造成安全密封罐压力升高，同时增压活塞标尺上移，触发低报报警。由于 PLAN 52 方案中密封腔压力大于大气压力，如果三级密封泄漏，将会向外泄漏，安全密封罐触发液位低报报警（图1）。摘要：介绍某炼化公司 30 万吨/年产量聚丙烯装置小环轴流泵国产化机封的优点及结构特点，分析机封改造后在使用过程中出现的问题并进行改进，对相关人员提高技术水平有一定参考意义。关键词：聚丙烯；轴流泵；机械密封；冲洗方案；机械密封失效中图分类号：TH134.1；TE953文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.10D.82聚丙烯装置轴流泵机械密封国产化杨成（中国石油大庆炼化公司，黑龙江大庆163400）图 1三级密封泄漏骳髏髚设备管理与维修2023 翼10（下）3三端面集装结构机械密封泄漏点介绍3.1一级密封泄漏点一级密封关键泄漏点共有 6 处，其中动密封泄漏点有 2处，分别是动静环端面、动环密封圈；静密封泄漏点 4 处，分别是静环密封圈、静环座密封圈、密封腔体外侧与泵腔接触密封圈、密封压盖与泵腔连接端面密封圈。前 5 处泄漏点发生泄漏时现象相同，高压密封油会向内泄漏至丙烯介质，导致增压活塞标尺上移，触发液位低报报警。后 1 处泄漏点发生泄漏时会出现高压密封油会沿着密封压盖与泵腔连接面泄漏至环境中，在现场可以观察到泄漏现象，同样会导致增压活塞标尺上移、触发液位低报报警。3.2二级密封泄漏点二级密封关键泄漏点有 4 处，其中动密封泄漏点有 2 处，分别是动静环端面、动环密封圈；静密封泄漏点有 2 处，分别是静环密封圈、压盖与压盖之间密封圈。前 3 处泄漏点发生泄漏时现象相同，高压密封油会向外侧泄漏到三级安全密封里面，PLAN 52方案中安全密封罐触发液位高报报警，由于丙烯汽化会造成安全密封罐压力升高，同时增压活塞标尺上移，触发低报报警。后1 处泄漏点发生泄漏时高压密封油会沿着压盖与压盖之间的缝隙泄漏至环境中，在现场可以观察到泄漏现象，导致增压活塞标尺上移，触发液位低报报警。3.3三级密封泄漏点三级密封关键泄漏点有 4 处，其中动密封泄漏点有 2 处，分别是动静环端面和动环密封圈。静密封泄漏点有 2 处，分别是静环密封圈、压盖与压盖之间密封圈。前 3 处泄漏点发生泄漏时现象相同，密封腔里面的润滑油从轴套和压盖之间泄漏到环境中，PLAN 52 冲洗方案中安全密封罐液位下降，触发液位低报报警，后 1 处泄漏点发生泄漏时密封腔里面的密封油会沿着压盖与压盖之间缝隙泄漏至环境中，现场可以观察到泄漏现象，同时 PLAN 52 冲洗方案中安全密封罐液位下降，触发液位低报报警。3.4其他密封泄漏点其他密封关键泄漏点有 2 处位于轴套处，分别是轴套内靠近介质侧密封圈和靠近大气侧密封圈。介质内侧密封圈发生失效泄漏时，内部丙烯介质会沿轴套和轴之间缝隙向外泄漏、进入三级密封腔，导致 PLAN 52 方案中安全密封罐压力升高，液位触发高报报警。如果大气侧轴套密封圈失效，三级密封腔内密封液会沿轴套和轴之间缝隙泄漏至环境中，安全密封罐液位下降，最终触发液位低报报警。4国产化机械密封失效原因及改进4.1轴套介质侧密封圈失效原因及改进（1）密封圈失效现象。设备运行过程中发现，PLAN 52 冲洗方案中的安全密封罐压力有持续上升趋势，液位监测也出现了直线变成锯齿型液位波动。现场检查 PLAN 53C 增压活塞，没有波动且封油压力没有变化，判断 PLAN 53C 密封不存在失效问题。介质没有通过端面密封泄漏至 PLAN 52 抑制密封，现场关闭 PLAN 52 冲洗系统的排火炬阀门，安全密封罐压力显示有持续上升趋势，压力从 20 kPa 开始，10 min 后上升至 30 kPa。经过结合现场和图纸分析，怀疑介质侧轴套密封圈存在问题。通过装置窗口检修查找机封泄漏原因，密封解体后发现，轴套介质侧密封圈出现脱层、断裂、融解、飞边等现象。（2）失效原因分析。由于轴套介质侧密封圈存在缺陷，导致该密封圈失效，造成 PLAN 32 方案中外冲洗液相丙烯沿轴套和轴之间缝隙进入到 PLAN 52 抑制密封中来，由于部分液相丙烯会在安全密封罐中汽化，从而导致安全密封罐压力持续升高，密封罐液位上升且波动。经现场测绘，轴径实际值为 椎34.925 mm，轴套内孔尺寸按照前期进口图纸 椎35mm 的轴径进行设计，装密封圈处轴套尺寸为 椎35.5 mm。轴套内孔与轴的间隙过大，在3.2 MPa 的外引冲洗压力下密封圈被挤到轴与轴套的间隙内、引起损坏泄漏。（3）改进措施：淤重做轴套，将轴套内孔尺寸改为 椎34.925 mm；于将原密封圈由1根椎1.78 mm线径的密封圈改为 2 根 椎2.62 mm线径的密封圈，增加密封的可靠性；盂轴套密封圈材料升级，由于 PLAN 32 冲洗存在低温情况，接触介质侧密封圈还是使用FKM，轴套第二根密封圈由原来的氟橡胶升级为 FFKM5，改造后轴套密封圈再未出现失效情况。4.2三级密封环失效原因及改进（1）密封环失效现象。在运行一段时间，出现 PLAN 52 方案外侧安全密封白油泄漏到环境中的情况，同时安全密封罐液位触发低报报警。利用窗口检修时对密封进行拆解，发现密封整体外观干净，一、二级密封正常，无明显损坏的痕迹，三级密封端面出现明显疱疤情况，其他未见异常。（2）密封失效原因分析。大气侧安全密封出现滴漏，拆解实物后发现，密封大气侧石墨环端面疱疤严重。检测分析石墨环材料为含有热固树脂的碳密封石墨材料，在运转过程中密封面局部发热，造成材料中的树脂溢出。在机械密封运转过程中，动静密封环紧密贴合旋转并互相摩擦，产生的热量使接触面局部温度上升，当温度超过碳石墨环中树脂的固化温度时，树脂会软化并从石墨环摩擦面溢出，同时产生挥发性气体，破坏原有的密封状态形成疱疤、导致密封泄漏失效。（3）改进措施，将原石墨环改成 SiC 环。SiC 材料硬度高、强度大、散热较好，在高压作用下变形小，在解决石墨环材料疱疤问题的同时，能更好地保证密封端面的贴合性及密封端面液膜的稳定性，有效避免颗粒物进入端面、造成端面磨损。5结论聚丙烯装置小环轴流泵机封国产化过程中，存在设计不合理、测绘错误、材料选择不恰当等不利因素，对于首次使用国产化机封的装置存在一定安全隐患。国产化后的三端面集装式机械密封通过设计优化、材料升级，可以满足现场运行要求，有效提高日常机械密封的更换效率，同时具有可观的经济效益。参考文献1王汝美.实用机械密封技术问答（第 2 版）M.北京：中国石化出版社，2004.2顾永泉.机械密封实用技术 M.北京：机械工业出版社，2002.编辑吴建卿骳髏髛