乙烯裂解装置脱丁烷塔回流/产品泵机械密封改造

陈正强(中海壳牌石油化工有限公司，广东 惠州 516086)

0 引言

某厂120万吨/年乙烯裂解装置采用前脱丙烷前加氢工艺流程，其分离单元热区脱丁烷塔回流/产品泵为国内生产的单级悬臂卧式离心泵，其主要作用是将脱丁烷塔顶回流罐的混合碳四进行回流，保证塔操作压力，将多余的混合碳四采出外送至下游装置作为原料。该泵从2018.7.16到2019.8.19期间，机械密封累计失效次数多达11次，运行周期较短，经常发生密封内漏使密封罐液位超高报警及密封油外漏大气现象，需频繁维修机械密封，这对装置的可靠性，安全性以及经济性都有很大影响，因此根据该密封进行了根本性的改造。

1 设备信息

脱丁烷塔回流/产品泵为单级悬臂离心泵，型号EAP 100K3-315-P，设计额定吸入压力0.417MPa，排出压力1.007MPa，扬程108m，正常流量174.5m3/h，温度43℃，功率7.5kW，介质为混合C4烃，具体工艺介质组成如表1所示。

表1工艺介质组成表

脱丁烷塔回流/产品泵机械密封为国内生产的串联式双端面机械密封如图1所示，该密封是靠两对垂直于轴作相对滑动的端面在流体压力和补偿机构的弹力作用下保持贴合并配以辅助密封而达到阻漏的轴封装置。主要结构由静环、动环、弹性元件、弹簧座、紧定螺钉、旋转环辅助密封圈和静止环辅助密封圈等元件组成，防转销固定在压盖上以防止静止环转动。该密封两级密封动环材质设计为石墨，静环两级设计材质为烧结碳化硅，各静密封点O 型圈材质都为氟橡胶。

该密封API 冲洗方案为Plan11+52，一级密封为主密封，在设备运行过程中，一级密封起主要密封作用，通过自身介质冲洗循环带走动静环端面上的热量。二级密封为保护密封，采用15#白油进行循环冲洗，在主密封发生内漏时，介质会漏至密封罐进而汽化进入火炬系统，避免介质直接漏至大气中造成工艺泄漏事件。

图1 机封剖面图

2 失效原因分析

脱丁烷塔回流/产品泵自2018年7月份以来，平均更换新密封后运转5到15天左右，一级密封向密封罐漏介质，二级辅助密封开始外漏白油，且泄漏量日益增大，最长运行三个月，最短10天左右，密封就会失效，密封泄漏量从之前的1滴/分钟增大到1滴/秒，甚至发生连续流动现象，运行后期需要频繁加注白油保证密封循环，这对装置可靠性有很大威胁，也极大的增加了操作人员和维修人员的工作量。

根据该机械密封多次现场失效现象及解体情况的做了根本原因分析如图2所示。

图2 根本原因分析

对比多次失效结果和拆解报告发现动环密封端面附着了部分微小胶状黄色固体物质，通过化验分析发现该黄色物质为双烯烃的聚合物，同时根据密封运行与失效时间来看，都是运转5天到15天左右机封发生内漏或者外漏现象，且密封泄漏情况逐日严重。另外工艺为保证产品质量，脱丁烷塔操作压力长期维持在0.34MPa，偏离密封设计泵入口压力0.417MPa，可能导致一级密封冲洗液气化，且多次解体发现密封表面都有热裂现象，静环座O 型圈碳化，表明一级密封冲洗量明显不足，不能带走密封端面热量。

根据以上分析最终得出二级密封频繁失效的原因是由于工艺介质从一级泄漏进入二级密封产生的烯烃聚合物粘着在密封的动静环端面上，使动静环密封面端面不平整，导致二级密封失效，而一级密封泄漏原因是由于一级密封汽化且一级密封冲洗量不足，导致密封端面热量不能有效带走使动静环过度磨损磨损进而发生泄漏现象。

3 改造方案

根据多次密封失效后，根据失效分析对该密封进行了第一次改造，具体改造方案如下：(1)一级密封增加布液环，使一级密封冲洗液均匀冲洗密封端面，减少一级密封冲洗液汽化磨损密封。(2)二级密封的动环材料由石墨改成碳化硅，使密封动密封点由设计的接触性软对硬(石墨对碳化硅)改为硬对硬接触(碳化硅对碳化硅)，这种改造可以使自聚产生的聚合物不会附着在密封端面上，从而保证密封端面不会因为聚合物而造成密封端面不平的现象产生。(3)改造二级密封泵效环及流道，增强封密液循环能力。2019年1月28日和 29日分别给脱丁烷塔回流/产品泵更换了改造后的密封，改造后的密封运行效果显著，更换后的5个月内，该泵密封再未发生密封泄漏现象。从7月份开始发现该泵密封开始发生内漏，密封罐液位上涨较快，需要工艺频繁排放，降低密封罐液位，但本次二级密封正常，无外漏现象。对失效密封解体发现一级密封动环端面有受热泡疤现象，二级密封面一切正常。

从密封拆解结果可知该密封本次泄漏还是由于一级密封汽化导致密封冲洗冲洗不足，因此对该密封进行了第二次改造，本次改造主要针对一级密封冲洗进行优化，具体改造方案如下：(1)将一级密封Plan11方案冲洗孔增大到原冲洗孔的2倍，使密封冲洗量增大(超过16L/min)，即使部分汽化也能达到设计冲洗液的要求。(2)在密封腔内增加节流环装置，提高密封腔内压力，原来机封冲洗无节流装置，主要依靠泵节流衬套进行节流降压，但泵节流套设计间隙较大，不能满足密封节流要求进而导致密封压降较大，加速介质汽化使密封磨损。

第二次改造后于8月19日对脱丁烷塔回流泵更换了最新密封，该泵运行至今超过6个月时间内没有发生密封泄漏事件。

4 结语

针对现场实际分析及改造，对脱丁烷塔回流/产品泵机械密封频繁失效泄漏的原因总结主要有以下两个方面：第一，由于工艺操作压力与密封设计泵入口压力偏离导致一级机封冲洗严重汽化及密封冲洗量设计不足引起一级密封磨损问题，通过两次改造对一级密封冲洗采用了增加补液环，增大冲洗量和增加节流装置等方式来保证密封冲洗量充足，通过以上措施基本保证了一级密封冲洗量，从根本上解决了一级密封失效内漏问题。第二，由于一级密封内漏至密封罐使二级密封接触介质中的二烯烃等易聚合的工艺物质，而该密封设计时没考虑此种工况进行动环材质选用了普通石墨，工艺介质中的二烯烃聚合物自聚产生的微小淡黄色固体物质在密封液循环过程中被吸附在动静环密封端面上导致密封面不平整进而使密封外漏现象。在对二级密封动环材质更改为碳化硅，并增加了二级密封循环液的泵送能力后，避免了二烯烃聚合物在密封端面上的附着，从根本上解决了该密封二级密封失效外漏的问题。