乙二醇装置碳酸盐泵P-202密封的改进措施

王越(中国石油化工股份有限公司茂名分公司，广东 茂名 525000)

1 概述

茂名石化乙二醇装置采用荷兰Shell公司专利技术，以乙烯和氧气为原料，生产高纯度环氧乙烷、纤维级乙二醇及二乙二醇和三乙二醇产品。装置始建于1993年，1996年9月投产。原设计年生产能力10万吨当量乙二醇，环氧乙烷生产能力为1.6万吨/年。2005年10月扩能改造后，年生产能力13万吨当量乙二醇，环氧乙烷生产能力为4.0万吨/年。2008年12月再次扩能改造后，年生产能力15万吨当量乙二醇，环氧乙烷生产能力为8.0万吨/年。

碳酸盐泵P-202(BB2型)为英格索兰生产，于1996年投用，是茂名石化乙二醇装置的一台非常重要的机泵，是CO2吸收系统的贫碳酸盐吸收液循环泵，其运行稳定性直接影响循环气系统的CO2吸收效果及装置的平稳生产。碳酸盐泵P-202工艺流程图如图1所示。

图1 碳酸盐泵P2O2工艺流程图

该泵原采用API PLAN 21的密封冲洗形式，密封形式为单端密封，后因泄漏频繁，每年平均6次，每次维修成本约8 000元。在2014年将单端密封改造为双端密封，冲洗形式为API PLAN 21+52，但密封使用寿命仍无法保证，平均每年维修4次，每次维修成本约13 000元，无法达到10个月检修一次的密封使用寿命标准。我们通过对密封失效原因及工艺介质特性进行了综合分析，并于2017年11月对密封冲洗形式和O圈材质进行了改造(改为API PLAN 11+32+53B)和更换(由原来的氟橡胶更换为全氟醚橡胶6375)[1]，改造后机械密封使用效果良好，未发生泄漏，取得了满意成果。碳酸盐泵性能参数如表1所示。

表1 碳酸盐泵性能参数

2 问题及原因分析

2.1 问题

碳酸盐泵P-202在运行过程中较为平稳，其输送介质为碳酸盐溶液(溶液组成如表2所示)。由于介质具有污染性、有毒性，所以在机械密封的选用上由原来的单端密封更改为两套解析密封串联使用的双端密封。密封冲洗形式也由原来的API PLAN 21变更为API PLAN 21+52。但变更后密封使用寿命仍无法达到有效延长，通过检修发现机械密封发生泄漏的部位主要为动静环端面和O圈处，损坏情况如图2所示。

表2 脱碳溶液组成

图2 动静环端面和O圈处损坏情况

2.2 原因分析

2.2.1 工艺介质特性

为脱除环氧乙烷生产装置副反应生成的二氧化碳，装置采用碳酸钾和偏硼酸钾为主要成分的脱碳溶液。其主要脱碳反应为：

从工艺介质特性分析，碳酸盐溶液的pH值为1～12，具有强碱性，且介质温度为100 ℃，而原密封O圈所材质为氟橡胶，此种材质具有耐热性、抗氧化性、耐油性和耐大气老化性[2]，但对于这种高温强碱性溶液，氟橡胶不具备在高温状态下耐强碱的功能作用，密封O圈受介质腐蚀，导致损坏失效，这是机械密封经常发生泄漏的重要原因之一。

从溶液中主要成分碳酸钾的特性进行分析，在100℃时碳酸钾的溶解度为156.0 g/100 mL，在常温下溶解度为110～114 g/100 mL，两种不同温度，溶解度差值十分明显。从生产实际工况来分析，碳酸盐泵在运转时泵体温度为95～100 ℃，而备用泵体温度为30～40 ℃，由此可判断在备用泵状态下，沉积在密封腔内的碳酸盐溶液由于温度降低且没有冲洗，碳酸钾晶体会析出沉积在密封腔内，这些晶体会在机泵运转后对密封件造成磨损，进而导致密封失效，这是机械密封经常发生泄漏的重要原因之一。碳酸钾在水中的溶解度如表3所示。

表3 碳酸钾在水中的溶解度

2.2.2 机械密封本体

原机械密封采用单端密封形式，不适用于碳酸盐溶液这种高温强碱性介质，密封性能较差，最初设计和选型上存在问题。

2014年对密封本体进行了改造，采用双端面机械密封背靠背串联安装，更适用于易燃，易爆气体、易结晶液体，安全性要求较高的场合。符合现场使用要求。

2017年仍沿用了双端面机械密封背靠背串联安装的形式。密封O圈材质由原来的氟橡胶更换为全氟醚橡胶(6375)，提高O圈的耐高温、强碱腐蚀性。

2.2.3 密封冲洗形式

机械密封端面冲洗的作用有二：一是带走密封腔中机械密封的摩擦热、搅拌热等，以降低密封端面温度，保证密封端面上流体膜的稳定；二是阻止固体杂质和油焦淤积于密封腔中，使密封能在良好、稳定的工作环境中工作，并减少磨损和密封零件失效的可能。实践证明，合适的端面冲洗是提高离心泵机械密封耐久性的重要辅助措施之一。

密封冲洗1：碳酸盐泵P-202最初采用API PLAN 21 的冲洗形式，该冲洗方案具有提供冷却冲洗，也具有足够的压差以保证良好的冲洗流量的特点。但作为单端面密封，不适用于这种高温强碱性介质，密封性能较差，且此种密封冲洗形式不能够防止碳酸盐晶体对密封的摩擦。API682 标准 API PLAN 21冲洗方案示意图如图3所示。

图3 API682 标准 API PLAN 21 冲洗方案示意图

密封冲洗2：经过2014年密封改造，我们在将原有的单端面密封改为双端面密封的同时对密封冲洗进行了改造，选用API PLAN 21+52 的密封冲洗形式。密封冲洗方案示意图如图4所示。

图4 密封冲洗方案示意图

此种密封冲洗形式在保留了API PLAN 21 优点的同时，也增加了API PLAN 52 冲洗形式，使用脱盐水通过密封中的泵效环驱动循环进入机械密封冲洗后，回到冲洗液冷却罐，经盘管冷却完成循环。外侧密封作为主密封的安全后备，具有较好的密封效果。但仍无法解决碳酸盐晶体对密封件摩擦而导致密封失效的根本问题。

密封冲洗3：2017年我们采用了API PLAN 11+32+53B 的密封冲洗形式，此种密封冲洗形式直接利用泵出口自冲洗回流对密封腔内进行冲洗和散热，API PLAN 53B使用加压的脱盐水(附带气囊式蓄能器)作为隔离液通过双端密封中的泵效环驱动循环进入机械密封冲洗后，进入换热器进行换热。相比原来API PLAN 52 冲洗方案更具有良好的密封效果，能够更加有效的防止碳酸盐溶液泄漏。

为良好的主密封的安全后备。根据工艺介质容易结晶的特性，我们在API PLAN 11自冲洗的外端增加API PLAN 32 脱盐水外冲洗，当泵停止运转后/备用泵启动前，关闭API PLAN 11自冲洗投用API PLAN 32 脱盐水外冲洗，利用脱盐水对密封腔内进行冲洗，将沉积在密封腔内的碳酸盐溶液/晶体冲洗干净。当泵正常运转之后，关闭脱盐水手阀，停用API PLAN 32脱盐水外冲洗，打开API PLAN 11自冲洗。这样既解决了碳酸盐结晶对密封的损坏，又节省了脱盐水的使用量。密封冲洗方案示意图如图5所示。

图5 密封冲洗方案示意图

3 处理过程及措施

(1) 由单端面密封改为双端面机械密封背靠背串联安装，提高密封可靠性。

(2)密封O圈材质由原来的氟橡胶更换为全氟醚橡胶(6375)，提高O圈的耐高温、强碱腐蚀性。

(3)密封冲洗形式由API PLAN 21 变更为 API PLAN 21+52，最终改进为API PLAN 11+32+53B的冲洗形式，解决碳酸盐晶体对密封件磨损问题，进一步提升密封可靠性。

(4)操作方面，采用API PLAN 11+32+53B密封冲洗形式后，规范职工操作。在密封冲洗系统投用正常的前提下，当运转泵停止运转后/备用泵启动前，关闭API PLAN 11自冲洗投用API PLAN 32 脱盐水外冲洗，利用脱盐水对密封腔内进行冲洗，将沉积在密封腔内的碳酸盐溶液/晶体冲洗干净。当泵正常运转之后，关闭脱盐水手阀，停用API PLAN 32 脱盐水外冲洗，打开API PLAN 11自冲洗。

4 效果对比

原采用API PLAN 21的密封冲洗形式，密封形式为单端密封，每年平均6次。

在2014年将密封改造为双端密封，冲洗形式为API PLAN 21+52，平均每年维修4次。2017年11月对密封冲洗形式和O圈材质进行了改造(改为API PLAN 11+32+53B)和更换(由原来的氟橡胶更换为全氟醚橡胶6375)，机械密封使用效果良好，未发生泄漏，取得了满意成果。改造前后对比图如图6所示。

图6 改造前后对比图

5 结语

碳酸盐泵P-202从2017年11月改造至今，密封系统压力、温度稳定，未发生泄漏，对该泵的震动、温度、泄漏检测也非常正常、稳定，达到10个月检修周期的目标。实践证明，对该泵的密封改进获得成功。该泵的改造成功让我们对工艺介质特性对密封性能的影响有了更为清楚的认识，对离心泵机械密封选型、维护、管理方面积累了经验。