液化气泵用干气密封失效分析及优化改造

胡伟杰

(中海油惠州石化有限公司，广东 惠州 516086)

某焦化装置稳定塔顶回流泵，在运行过程中其干气密封平均使用寿命约为6个月，严重影响了设备的长周期运行，经过故障失效原因分析，将机封冲洗流道和密封端面结构参数进行优化改造，显著提高了机封运行稳定性，机封使用寿命延长至24个月以上。

1 塔顶回流泵基本运行工况信息

介质：液化气(含H2S)

温度：40～50 ℃

入口压力：0.9～1.2 MPa

出口压力：1.7 MPa

转速：2950 rpm

机封型式：串联式干气密封

密封布置方案：11+72+76

缓冲流体：氮气0.2 MPa

2 泵用串联式干气密封的特点

泵用串联式干气密封是将普通接触式机械密封与干气密封串联在一起组合使用，机械密封为一级主密封，干气密封为二级次密封。使用过程中要在机械密封与干气密封之间通入密封气(通常为氮气)，这样使机械密封后具有一定的背压，这样可以减少一级密封端面液膜介质汽化的程度，极大地延长了机械密封的使用寿命；当一级机械密封发生泄漏时，泄漏的工艺介质会随着充入的密封气一起排入火炬，保证了工艺介质不会向大气泄漏；一级机械密封失效后，二级的干气密封可以在短时间内起到主密封作用，防止工艺介质向大气大量泄漏。这种串联式的泵用干气密封主要应用在易挥发介质、对密封气压力要求不高的场合[1]。

为保证串联式干气密封的可靠运行，干气密封均配备了相应的控制系统，用来为干气密封提供干燥、清洁的密封气，同时还要对机械密封是否出现泄漏进行监控。干气密封两个密封端面间形成的气膜厚度在2～3 μm左右，如果充入的密封气中带液或含有直径大于3 μm的杂质颗粒，就会破坏密封端面间气膜的形成，进而影响密封性能。因此必需要求密封气满足一定的清洁度，才能保证干气密封的正常运行[2]。对各级密封泄漏的监测控制，在11+72+76方案中是通过对干气密封泄漏排气管线上的气体压力的监视而实现对密封泄漏的监控。当干气密封泄漏管线上的压力高于一定值时，安装在泄漏管线上压力开关发出高报警信号，这说明主密封泄漏过大，可能出现问题；当泄漏管线上的压力低于一定值时，压力开关发出低报警信号，说明密封气进气压力过低或二级干气密封泄漏过大。但压力表值突然的大幅波动，也有可能是轴的振动或工艺波动引起，此时需要进行排查[3]。

3 失效形式及原因分析

故障现象：机封运行过程中，出现异常尖叫声，拆检发现一级密封磨损较大，机封寿命短，运行6个月左右就出现泄漏。

原因分析：有尖叫声说明存在干摩擦，而导致干摩擦的原因是密封端面的液膜或气膜遭到破坏，难以形成连续、稳定的流体膜。通过拆检情况分析，从密封端面材质自身特性和存在过热两个方面查找原因。

3.1 密封端面材质选型问题

因液化气类介质自身沸点低，易气化，而且密封腔内压力较高，密封端面摩擦也会产生大量热量，使汽化更容易发生，造成气液两相同时存在。该密封属于轻烃泵专用密封，干气密封旋转环和静止环组对和机械密封摩擦副组对材质均为碳石墨，干气密封和机械密封的辅助密封圈均采用氟橡胶，这种摩擦副材料的选用, 是具有成熟的应用性和可靠性；第一道机械密封的端面选用进口优质石墨，耐磨损，能够适应气液两相的运转环境，机封厂家有同工况稳定运行案例，因此排除密封圈和端面材质选型问题[4]。

3.2 密封冲洗量不够问题

现场如果PLAN11 冲洗量不够，会导致密封腔的热量无法被及时带走，导致热量积聚，密封面温度升高，气相变多，液相变少，磨损加剧，造成端面短期内过度磨损。如果密封腔内的介质压力接近介质饱和蒸汽压的，再加上端面摩擦发热的影响，介质在端面间更容易发生汽化，这种接近饱和蒸汽压的运行工况条件对机封的性能本身也是考验。机封运行过程中出现的尖叫声说明存在这种现象。

4 优化改造方案

针对机封发热和冲洗量不够的问题，采取了以下优化改造措施：

图1 图中圆圈内加粗部分为优化冲洗流道Fig.1 The bold part in the circle is the optimized flushing channel

(1)加大冲洗量。密封腔中的温度过高会导致介质汽化，而汽化及高温会引起机封密封元件变形，直致密封失效。设置冷却冲洗的目的就是将密封运转过程中产生的过多热量带走。密封腔中热量将原PLAN11 支路上限流孔板的孔径加大，使PLAN11对密封的冲洗量提高，加速介质在泵腔内循环散热。

(2)优化机封内部的冲洗流道及冷却方式。优化后的结构如下图1所示。

(3)优化密封环结构参数，控制端面发热量。密封腔中热量的来源包括密封端面摩擦产生的热量、介质剪切产生的热量；由旋转的密封元件引起的紊流而产生的热量、由泵经密封腔和轴传导的热量。其中密封端面上产生的热量：

Q=(Tr×n)/9550，Tr=pcAf(Dm/2000)

式中，n为转速，r/min；Tr为密封端转矩；pc为端面比压，MPa；A为端面面积，mm2；f为端面摩擦系数；Dm为端面平均直径，mm。

对于不锈钢轴套和压盖的钢结构泵，一个保守的热量吸收估算公式Qs(J/s)：

Qs=0.249S×ΔT

(1)

式中：S为有效的密封直径，mm；ΔT为泵送温度与密封腔温度之差，℃。

机封厂家根据计算，优化了机械密封的端面尺寸，保证在有冲洗作用下其端面发热量不超过介质对应压力下饱和蒸汽压产生汽化的温升，避免介质汽化[5]。

图2 端面温度分布Fig.2 End temperature distribution

5 结 论

经过优化改造的机封，加大了PLAN11密封液冲洗量，有效控制了第一级机械密的密封端面发热量，避免泵送介质气化，造成动静环密封面干摩擦，使密封运行环境得到改善；同时通过对密封端面结构尺寸的优化设计计算，控制端面发热量，显著提高了机封运行稳定性，机封使用寿命延长至24个月以上。