POSM 装置脱水反应器出料泵用机械密封改造

贾邵秀，李舒君，王勇，刘大东

（1. 中密控股股份有限公司，成都 610045；2. 中化泉州石化有限公司，福建 泉州 362804）

国内某石化企业POSM 装置是西班牙REPSOL首次在国内转让、投产的共氧化法环氧丙烷联产苯乙烯专利技术，以苯、乙烯、丙烯为原料，生产2×105t/a 环氧丙烷及4.5×105t/a 苯乙烯。

该装置在2021 年2 月准备开车前，发现“MBA脱水”单元脱水反应器出料泵（位号P-1612A/B）的介质黏度并非原始数据表内的稳定值6 cSt，而是随着温度变化呈数量级急剧变化，且介质自燃温度低。

该泵原配机械密封冲洗方案为PLAN 21+72+75，密封结构为无压串联式波纹管干气密封，原密封不适用于该工况，无法保障装置顺利开车。

1 基本情况介绍

P-1612A/B 脱水反应器出料泵运行参数如下：

介质：重油（含少量MBA（甲基苯甲醇英文缩写）），介质为混合物，腐蚀性强，自燃温度145 ℃，介质特性见表1，黏度随温度变化呈数量级急剧变化：210 ℃时为6 cSt ，150 ℃时为20 cSt，100 ℃时为110 cSt，50 ℃时为1300 cSt，泵正常运行时介质温度：210 ℃，黏度：6 cSt，泵入口压力：- 0.016 ～ 0.434 MPa，泵出口压力：0.57 MPa，冲洗方案：PLAN 21+72+75（图1），转速：2 950 r/ min，泵型号ZHYa25-250，轴径38 mm。

图1 PLAN 21+72+75 冲洗方案示意图Fig.1 PLAN 21+72+75 Flush plan diagram

表1 P-1612A/B 泵介质特性表Table 1 P-1612A/B Pump medium characteristic

该泵输送介质集合了高温、黏度随温度变化呈数量级急剧变化、自燃温度低、腐蚀性强几个特点。

2 原机械密封不适用于该工况

国内泵用干气密封经过近20 年的发展[1]，技术逐渐成熟，形成了较为完善的执行标准[2]，在高温、高黏度泵上的应用也有不少成功案例：吉林石化有机合成厂[3]、吉林石化化肥厂[4]、石家庄炼化[5]都成功将干气密封应用于高温、高黏度泵上，他们均采用PLAN 32+74 冲洗方案，即外冲洗液隔离+双端面干气密封。

P-1612A/B 泵原配干气密封结构不同于上述案例，非双端面结构，为串联式结构（图2），一级密封为金属波纹管机械密封，用0.6 m2的换热器降温，二级密封为无压干气密封。

图2 无压串联式金属波纹管干气密封Fig.2 Unpressurized tandem metal bellows dry gas seal

该干气密封不适用于泵P-1612A/B 的工况，原因如下。

2.1 一级密封工作状态

经过测算，介质经0.6 m2换热器降温后，一级密封腔温度约110 ～ 140 ℃，在此温度下介质黏度最大可达110 cSt，流动性很差，极易堵塞PLAN 21 冲洗管路；且换热后的介质温度接近自燃温度，如果

表2 冷却液和被冷却介质特性表Table 2 Cooling and cooled fluid characteristic

2.2 二级密封工作状态

串联式干气密封的二级干气密封腔为微正压，介质的泄漏方向为一级向二级泄漏，如果一级介质按照API 682 允许值5.6 g/h[6]泄漏进入二级密封腔，二级密封腔内为常温氮气，介质被氮气冷却，黏度急增，二级干气密封将迅速失效。

2.3 备泵状态

虽然备泵为热备状态，但是PLAN 21 换热器盘管内的介质并不流动，接近室外自然温度，长期低于50 ℃，盘管内的介质黏度大于1 300 cSt，状态极度黏稠，盘管总长度为14 m，当备泵需要投用时，盘管内阻塞的介质将导致备泵无法启用。

3 机械密封改造方案

3.1 总原则

（1）取消PLAN 21：介质在145 ℃具有自燃特性，因此，不允许采用从泵上任何部位引出介质本身的冲洗方式。

（2）降温改为保温：不应该对介质降温，而是应该对介质保温。

（3）无压串联式波纹管干气密封改为有压双端面波纹管机械密封，即：无压密封改为有压密封，串联式改为双端面，干气密封改为机械密封（即液膜密封）。

3.2 冲洗方案

将PLAN 21+72+75 改为PLAN 32+53A（图3）。

图3 PLAN 32+53A 冲洗方案示意图Fig.3 PLAN 32+53A Flush plan diagram

3.2.1 选择PLAN 53A，而非PLAN 74

虽然有上述多个成功在高温、高黏度泵上运用干气密封的案例，但是我们依然不推荐干气密封，原因如下：上述3 个案例均为PLAN 32+74 方案，此方案中，首要关键点不是干气密封，而是PLAN 32，因为PLAN 32 成功将高黏度、高温的介质阻隔，干气密封实现“气封液”的“液”为PLAN 32 外冲洗液（干净、非高温），而不是介质本身，这个方案的缺点如下：

（1）一旦PLAN 32 出现断流、或者流量不足，不能有效阻隔高温、高黏度介质，则外侧双端面泵用干气密封根本封不住高温、高黏度的介质，干气密封会迅速失效，不给用户反应的时间。干气密封并不具备安全密封的作用，在高温、高黏度泵上使用干气密封属于本质不安全方案。

（2）PLAN 32 的流量需要足够，且需要配合使用设计合理的节流装置，才能起到绝对阻隔介质的作用，该流量受泵的转速、轴径、节流装置间隙、节流长度影响[7]。如：轴径为80 mm 的机械密封，一般要求外冲洗流量至少为16 L/min 才能有效阻隔介质。PLAN 32 属于能耗较高的密封方案。

所以，不推荐双端面干气密封，而是采用双端面机械密封，即选择PLAN 53A，而非PLAN 74。

3.2.2 关于PLAN 32

经过工艺确认，PLAN 32 可以采用装置副产品：100 ℃、0.4 MPa 的MBA（甲基苯甲醇），因为不是双端面干气密封，所以对PLAN 32 的流量要求不必严苛，该泵轴径为38 mm，PLAN 32 流量5 ～ 8 L/min即可。关于PLAN 32 冲洗的投用方式也可以更加灵 活：

（1）方式一：主泵和备泵均24 小时开启PLAN 32。优点是密封寿命长，预计可达2 ～ 3 年，缺点是MBA 耗量大。

（2）方式二：仅在备泵启用前开启PLAN 32 至少1 h，再开泵，在泵正常运行后，关闭PLAN 32。优点是MBA 能耗低，缺点是密封寿命短，预计1 年。

用户可以根据现场实际情况评估选择。

3.3 密封布置方式

密封为双端面背靠背布置（图4），PLAN 32冲洗到一级密封的背后，两级密封都处于干净的PLAN 53A 封液中，仅有一级密封内侧接触介质，封液采用白油（经过工艺确认），利用原PLAN 72 低压氮气（0.7 MPa）接入PLAN 53A 辅助系统作为增压源，氮气压力满足：比PLAN 32 压力高0.14 ～ 0.41 MPa[6]。

图4 有压双端面金属波纹管机械密封Fig.4 Pressurized double metal bellows mechanical seal

3.4 泵的保温

该泵的泵体和进出口管线均设置了蒸汽管线伴热保温，但是泵体没有保温夹套。建议以后再次购置时，泵体带上保温夹套。

3.5 改造后机械密封的选型和选材

虽然两级密封处于同一个密封腔内，属于连通状态，但是两级密封的工况并不相同。

3.5.1 一、二级密封的承压和温度

见表3，一级密封承压为0.3 ～ 0.5 MPa，耐受温度为：封液温度 ～ 210 ℃；二级密封承压为0.7 MPa，耐受温度为封液温度。

表3 一二级密封摩擦副内外侧情况Table 3 Primary and secondary seal faces friction

3.5.2 一、二级密封的选型选材

一级密封内侧直接接触210 ℃的介质，加上密封端面摩擦生热，因此一级密封的设计温度需要按照不低于260 ℃考虑；二级密封为安全密封，当一级密封大量泄漏时，二级密封需要能够承受泵送介质的各项参数；因此，两级密封均需要选择耐高温的金属波纹管机械密封，设计温度按260 ℃考虑，摩擦副采用浸金属石墨/碳化硅，辅助密封圈采用柔性石墨，波片采用inconel 718 材质，同时需要考虑内外侧密封承压不同，兼顾平衡直径和载荷系数的调整[8-9]。因为介质腐蚀性强，机械密封的基材选择不低于泵过流部件材质，为2205 不锈钢。

3.5.3 控制封液温度不高于80 ℃

如果封液温度高于80 ℃，高温封液将会导致二级密封端面内侧微量泄漏（API 682 允许值5.6 g/h[6]）的白油在端面内侧氧化结焦（二级密封内侧为空气），结焦划伤二级密封端面，将导致二级密封泄漏量逐渐增大直至超标；这也是有的高温泵在二级密封背后设置蒸汽或氮气吹扫的原因[10]，但是受制于泵腔轴向尺寸和现场公用工程条件，多数情况并没有设置蒸汽或氮气吹扫的条件。

封液的温度受轴和密封腔体的传导热、一二级动静环的摩擦热、旋转搅拌热、PLAN 53A 封液循环流量影响[11]，PLAN 53A 封液循环流量受泵效环的泵效能力、PLAN 53A 储罐热虹吸效果影响，轴径38 mm 的高温泵，封液循环量需要达到不低于400 L/ h[11]，通过以下方式实现。

（1）泵效环：螺旋式泵效环的泵效能力受螺纹头数、螺旋槽宽度、螺旋槽深度、密封腔与泵效环的间隙、螺旋长度影响[12]，根据以上要素针对性设计该机械密封的泵效环[13-14]。

（2）PLAN 53A 储罐热虹吸效果：严格按照API 682 要求悬挂储罐的高度并配管[15-16]。

改造后的机械密封和辅助系统，于2021 年3 月供货安装，保障了该用户POSM 装置的顺利开车，至今该泵的机械密封已经平稳运行半年。

4 结论

西班牙REPSOL 共氧化法环氧丙烷联产苯乙烯技术POSM 装置脱水反应器出料泵，因为其介质高温、黏度随温度变化呈数量级急剧变化、介质自燃温度低、腐蚀性强的工艺特性，不能对介质降温，需要对介质保温，不宜采用干气密封，而是采用机械密封，冲洗方案应选择PLAN 32+53A，机械密封为耐高温的有压双端面金属波纹管密封，可以保障该泵的长周期运行。