环氧乙烷产品泵的干气密封改造

陈 勇

(中国石化上海石油化工股份有限公司化工部,上海200540)

环氧乙烷产品泵的干气密封改造

陈 勇

(中国石化上海石油化工股份有限公司化工部,上海200540)

2G-411A/B泵的介质为环氧乙烷溶液，具有易燃和易爆的特性，泵原设计采用PLAN 53方案的双端面机械密封，存在一定的隐患。通过技术改造，选用PLAN11+72+76的串联式干气密封，不仅消除了隐患，更满足了设备安全和长周期运行的要求。

双端面密封 干气密封 密封槽

中国石化上海石油化工股份有限公司化工部某装置环氧乙烷(EO)精制塔回流泵2G-411A/B泵已投用十余年，原有的机械密封系统存在一定的缺陷，给装置的安全、稳定运行造成一定影响。经技术比选后采用PLAN11+72+76的泵用干气密封方案,项目实施后已连续运行3年，其间未出现机械密封失效现象。

1 2G-411A/B泵概况

1.1设备参数

2G-411A/B泵由大连深蓝泵业有限公司制造，2007年安装并投用，设备型号为EAP100K2-250。该泵由OH3结构单级离心泵、三相异步电动机(380 V,55 kW)及附属密封系统组成，该泵的部分参数见表1。

表1 2G-411A/B的部分参数

1.2工艺流程

富含甲醛的塔顶气经EO精制塔冷凝器E-411冷凝后收集在EO精制塔回流罐D-410中，部分凝液作为回流通过EO精制塔回流泵2G-411A/B返回至精制塔，剩余部分送至乙二醇进料汽提塔，EO蒸气被送至汽提塔T-310以汽提EO精制塔塔顶夹带的甲醛，以防止甲醛杂质在系统中的累积。

2 原密封系统的工作原理及缺点

2.1原密封系统的工作原理

该泵原设计为双端面、平衡型机械密封，采用PLAN 53冲洗方案，密封液是乙二醇水溶液，密封冲洗方案如图1所示。

1-外部压力源；2-缓冲液罐；3-补充密封液进口；4-密封液出口；5-密封液进口；PI-压力指示；PSL-压力低报警；LSH-液位高报警；LSL-液位低报警

该密封冲洗方案是一种循环外冲洗方案，主要用于防止液态EO泄漏至大气中，双端面机械密封间的密封液由封闭的缓冲液罐提供。密封液依靠密封腔内的泵送环作用产生循环，密封系统管路上安装了低液位报警器、高压力报警，以监控密封液。

2.2存在的缺点

由于原密封采用双端面的机械密封并配有单路密封液的运行方式，在正常工作时，机械密封的喉部与后端密封之间存在较大的压差，在密封液的压力调节上存在一定的问题：

(1)密封液压力调节偏高可在双端面密封的喉部形成高压，有效阻止液态EO进入密封腔，但是这样的压差会加剧后部静环的磨损，造成介质向大气的泄漏；

(2)密封液压力调节偏低会导致过量的液态EO通过密封的喉部进入密封腔内，造成密封液内EO的质量浓度上升，当EO积累到一定的质量浓度时，在动、静环的摩擦处可能会引起起火的后果。

由此可以看出原机械密封的设计存在着一定的风险和环境污染的可能性，因此，机械密封的改造将针对以上这些缺点，并结合美国石油协会(API)682规范进行优化。

3 干气密封的工作原理及特点[1]

第一个干气密封的专利于1968年在英国出现，1975年首次工业应用，1983年开始推广应用。干气密封最初应用在透平压缩机、膨胀机等高速旋转机械上，到目前为止，已在化工、炼油、化肥、乙烯、化纤、天然气输送等行业获得广泛的应用。20世纪90年代国外开始在低速旋转机械如离心泵、搅拌釜中采用干气密封，国内到最近几年才开始使用。

干气密封在结构上与普通机械密封基本相同，其重要区别在于干气密封中的一个密封环上有均匀分布的浅槽。运转时进入浅槽中的气体受到压缩，在密封环之间形成局部的高压区，使密封面开启，从而能在非接触状态下运行，实现密封作用。下面以典型的螺旋槽干气密封为例作简单说明。

图2是密封端面的示意图，密封面上有一定数量的螺旋槽，其深度为8～15μm。密封工作的主要原理是静压力和流体动力的平衡。作用在密封上的流体静态力由介质压力和弹簧力产生，在旋转和静止时都存在。流体动态力只在密封旋转时发生。密封旋转时，由动环产生的黏性剪切力带动被密封气体沿切线方向进入螺旋槽内，从外径朝密封环的中心流动，螺旋槽逐渐收敛的槽型使气体得到压缩，并在槽的根部受到密封坝的节流影响，气体在槽根部形成局部的高压区，使密封面分开，形成一定厚度的气膜。由气膜作用力形成的开启力与由弹簧力和介质作用力形成的闭合力达到平衡，于是密封实现非接触运转。干气密封的密封面间形成的气膜具有一定的刚度，保证了密封运转的稳定性，还可对摩擦副起润滑作用。

图2 干气密封的典型槽型示意

4 改造后的密封系统

4.1串联式干气密封系统简介

本次机械密封改造成介质侧机械密封和大气侧干气密封前后串联布置的结构，具体见图3。

1-机械密封；2-干气密封

第一级的机械密封为主密封，采用PLAN 11方案；第二级干气密封是作为安全密封来使用的，采用PLAN 72+76，见图4。第一级机械密封承受全部的压差，该密封工作在泵输送的工艺介质中。第二级干气密封由于其摩擦副始终保持在非接触状态下运行，没有任何磨损，在一级机械密封损坏前能够一直处于理想的运转状态，故干气密封是安全密封最适合的型式。在第一级机械密封与第二级干气密封之间加梳齿密封，一方面，梳齿密封减少了缓冲气的消耗量；另一方面，一级密封泄漏出的有害介质气化后将被缓冲气完全带入一个封闭、安全的火炬系统。当主密封失效时，第二级干气密封仍可作为机械密封短时运行，直至停车检修，真正保证了环境的安全可靠。

V1～V6-1～6号阀门；FL1-过滤器；OR1-限流孔板；CSV-截止阀；GBI-干气密封；PS-压力开关；PG-压力表；PSA-压力开关报警

4.2优化前后的密封系统的比较

改造后的干气密封系统在安全性等方面较原机械密封系统有了进步。改造前采用的PLAN 53机械密封系统具有以下特点：双端面密封的后部密封失效时会造成密封液泄漏至现场；会有微量介质经封液泄漏到现场环境中，给环境带来一定污染；由于密封液会逐渐消耗，需定期为储罐补液。而改造后采用的PLAN 11+72+76干气密封系统的特点如下：一级机械密封泄漏出的介质通过密封气排至火炬，二级干气密封泄漏到大气的为氮气，不会对现场造成威胁；若主密封失效，则次级密封起到备用密封的作用；介质全部送至火炬燃烧，不会泄漏到环境中，次级密封泄漏到现场的为N2，不会对现场造成任何污染；采用N2为密封气，几乎不需要进行维护。

5 干气密封的槽型设计[2]

干气密封的密封端面的动压槽可加工成各种槽型，常见的有螺旋槽、圆弧槽、T型槽和直线性槽等。为了能更好地平衡密封流体动压效应的产生并使制造成本降低，对干气密封的槽型进行了优化设计。

图5给出了典型的螺旋槽干气密封的二维数学模型。密封面槽型为螺旋型，满足对数螺旋线方程，在极坐标系统(r,θ)下方程表示为：

r=rgeθgtanα

式中，r为半径，mm；rg为密封槽内径，mm；e为气模刚度，%；θ为角度，rad。

由于密封端面上螺旋槽呈对称性和周期性分布，故只选择其中一个槽台区和与之相连的坝区作为计算区域(ABCDEF)，如图5所示。

图5 干气密封的密封槽

控制方程为：

式中，θ为角度，rad；ω为角速度，rad/s;P为压力，Pa。

对控制方程作离散，首先将方程无量纲化，使用伽辽金法，将离散后的各单元所有方程进行总体合成，就得到计算区域内的总体有限元方程组：

对以上方程组进行了求解，可获得密封端面间的压力分布。在求得压力分布后就可以进行其他相关参数的计算，从而得到开启力、泄漏量、气膜刚度等重要参数，即：黏度，0.17 Pa·s，工作压力，0.05 MPa；密封面外径，72 mm；弹簧比压，0.024 MPa；转速，2 950 r/min；气膜厚度，3 μm；密封面内径，51 mm。

根据以上模型对此次改造密封螺旋槽结构参数进行优化：优化时，以干气密封具有最佳的气膜刚度为优化目标，同时将干气密封的最大刚漏比作为优化的参考目标。干气密封最大刚漏比的物理意义是在密封具有较大气膜刚度的情况下气体泄漏量较小。

经过计算，2G-411A/B选用的CM1B-06D型干气密封的螺旋槽为12个、螺旋槽深9 μm、槽坝比1.33、螺旋角16°、预期泄漏量30 L/h。

6 结语

使用新型的泵用干气密封及配套的密封控制系统，将大大提高石油化工行业内高危泵的运行安全系数，极大地降低了污染程度。由于干气密封的动、静环在运行中非接触、无磨损运行，会大大延长密封的使用寿命，降低维修成本，为炼油和化工装置实现长周期、稳定运行提供了有力保障。

目前2G-411A/B已连续运行3年，期间未更换密封组件，为装置的安全、稳定运行做出了不小的贡献。本次改造的成功案例，对日后其他EO泵的选型和技改有较大的参考价值。

[1] 孙玉霞，李双喜，李继和.机械密封技术[M].北京：化学工业出版社,2014.

[2] 林培峰，张秋翔，蔡纪宁，等.螺旋槽干气密封的有限元分析[J].北京化工大学学报,2002,29(3):57-60.

ReconstructionofDryGasSealofEthyleneOxideProductPump

Chen Yong

(ChemicalDivision,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.,Shanghai200540)

The medium of 2G-411A/B pump is ethylene oxide solution,which is flammable and explosive.The original design of the pump adopts the double-end mechanical seal of PLAN 53,which has some hidden dangers.Through technological transformation,the series dry gas seal of PLAN11 +72 +66 was adopted,which not only eliminated the hidden dangers,but also meet the safe and long-term operation requirements of equipment.

double end seal,dry gas seal,seal groove

2017-06-06。

陈勇，男，1965年出生，1981年毕业于上海化工专科学校化工机械专业，2004年毕业于华东理工大学化学工程与工艺专业，长期从事乙二醇设备管理工作。

1674-1099 (2017)04-0043-04

：TB42

： A