某石化装置离心泵用两种密封冲洗方案的对比研究

邱婷

（中国石化工程建设有限公司，北京 100101）

机械密封最早以专利的形式出现于19 世纪90年代，至今已有百余年的历史。冲洗系统作为机械密封的组成部分，可以为机械密封创造更有利的工作环境，将苛刻的密封工况降低为可接受的密封工况，同时还能提供检测和控制密封泄漏的能力，达到更好的密封效果，满足工艺要求的同时，应对越来越严格的环保要求[1-4]。API 682 附录G 列出了用于离心泵轴端密封典型的密封冲洗方案布置图。根据密封摩擦副之间外加气/液的情况，密封可分为湿式密封和干气密封。

过去的几十年，众多国内外学者从密封材料、结构分析等多个角度围绕着密封本身开展了研究。朱振国[5]和于鸣泉[6]等人分析了不同石墨材料的摩擦磨损性能，Dante[7]和郝励[8]等人研究了陶瓷和碳陶材料的摩擦磨损性能，并指出了各自适应的应用场景；得益于数值模拟技术的广泛应用，密封端面的温度场[9-10]、端面变形、应力分布[11]等方面也取得大量研究成果，对深入了解密封面工作状态以及对密封的选用具有指导意义。冲洗系统选择方面，任宝杰[12]和张锦[13]等人对常用的冲洗方案选型要点进行了归纳总结，并对使用过程中易出现的问题提出了有效的解决方案。

不同的应用场景，需根据不同要求选择合适的密封冲洗方案。某些时候，有多种冲洗方案可选，就要从操作维护便利性、环境友好性、使用寿命、能耗及造价等方面进行比较，选择最合适的方案。本文将对某石化装置中，离心泵轴端密封可批量采用的53B冲洗系统或74 冲洗系统进行详细比较，探讨两种方案在使用中的优劣势。

1 两种冲洗方案原理

1.1 冲洗方案53B原理

53B 冲洗系统的密封包含两对密封面的密封，是典型的带压湿式密封。该系统将外部隔离液引入到两对密封端面间，使隔离液压力高于密封腔压力，属于API 685 中定义的Arrangement 3 密封，即带压密封。该密封完全消除了泵送流体向外界环境的泄漏，因此适用于泵送危险或有毒液体的工况，也可应用于泵送高饱和蒸汽压力的液体、轻烃、导热流体、不干净液体、带研磨性液体、易聚合液体等场合[14-17]。

典型的53B 冲洗方案布置如图1 所示。囊式蓄能器为密封腔提供加压的隔离液，隔离液应与泵送介质相容，且工艺流程应允许微量的隔离液进入泵送流体中。蓄能器中的气囊将加压气体与隔离液分开以达到加压的目的，同时也避免加压气体溶于隔离液。现场压力表或带有远传作用的压力变送器可以实现对密封工作情况的监测，压力异常降低时，需检查密封是否发生了泄漏。

图1 53B 冲洗方案布置图Fig.1 53B flushing scheme layout

1.2 冲洗方案74原理

冲洗方案74 的密封同样是包含两对密封端面的带压密封，冲洗方案74 是典型的干气密封冲洗方案。通过加压隔离气体控制系统引入高于密封腔压力的隔离气，也属于Arrangement 3 密封，适用于泵送危险或有毒液体、高饱和蒸气压液体、轻烃、清洁的非聚合液体、温度适应的液体等。氮气是最常使用的隔离气，密封腔的最高压力受制于氮气源的压力。由于隔离介质是气体，该密封还可应用于立式泵。

典型的74 冲洗方案布置如图2 所示。压力控制阀保证隔离气压力一直高于密封腔压力。当隔离气压力偏离允许范围时，压力变送器将报警；同时，如果通过流量变送器的流量异常增大，流量变送器也会报 警。

图2 74 冲洗方案布置图Fig.2 74 flushing scheme layout

2 两种方案应用情况对比

2.1 某石化装置泵操作条件概况

该石化装置工艺流程长，中间产物多，所涉及介质种类繁多，其中90%以上为易燃易爆介质。根据GB 50160 《石油化工企业设计防火标准》中火灾危险性分类，涉及种类包括甲A、甲B、乙A、乙B、丙A、丙B 的液化烃或可燃液体；毒性等级多为轻度危害或中度危害，个别介质为高度危害甚至极度危害；泵送介质较清洁，无腐蚀或磨蚀的情况，且不存在易聚合的液体；操作温度多为100 ℃以下，部分泵送温度在100 ～ 250 ℃；操作压力范围：入口压力0 ～ 0.9 MP，出口压力0.2 ～ 5.5 MP。

根据第1 节的介绍，该石化装置中的泵用密封既可采用53B 冲洗系统的湿式密封，也可采用74 冲洗系统的干气密封。下面进一步探究这两种方案的优劣势。

2.2 方案对比

2.2.1 操作维护便利性

冲洗方案53B 在设计、安装中，需额外关注管路的布置情况，在保证系统高度的前提下，应尽量减少管路长度、弯头个数等。此外，当使用水冷或风冷时，冷却效果对密封的使用效果也有影响。这些都可能成为冲洗方案53B 的故障点。在该石化装置中，53B 隔离液选用该工艺流程中的常见液体X（X为易燃，甲B 类液体，高度危害），根据本文1.1 对53B 原理的描述，每隔一段时间（操作规程通常要求3 个月）需要对系统进行补液，补液方式为使用补液小车逐个手动对系统进行补液、加压，比较繁琐。

冲洗方案74 在设计、安装中，系统简单，没有换热要求，管路布置对密封效果没有影响。选用常用气体氮气作为隔离气，隔离气氮气则从全厂氮气管网连接取用，根据所需的氮气压力选择高、中、低压氮气，使用压力控制阀进一步调压，其操作简便、控制简单。

总体来说，冲洗方案53B 相比于冲洗方案74，操作维护上更为复杂。

2.2.2 环境友好性

两种方案作为典型的带压密封，其向大气中的微量泄漏是隔离液/气，冲洗方案53B 泄漏的是液体X，对环境有污染，严重时有滴漏等情况；冲洗方案74 泄漏的只是微量的氮气，其现场整洁，没有异味，符合“双碳目标”的要求。

2.2.3 使用寿命

工程应用中，对密封寿命的普遍要求是25 000 h。实际使用中，74 系统密封，一旦正常投入使用，作为非接触式密封，密封面没有磨损，其寿命远高于要求使用寿命。

2.2.4 能耗及造价

冲洗方案53B 除基本的仪表配置外还包含换热器和蓄能器，造价远高于74 方案，大约是后者的2 ～ 3 倍，备品备件也更多。

2.2.5 泵操作参数影响

冲洗方案74 在泵送流量较小时，大量的隔离气进入泵腔可能产生“气缚”，对工艺流程产生影响，通常认为，流量小于5 m3/h 时，不推荐使用冲洗方案74。相比之下，53B 在正确选择隔离液后，则没有对泵送流量的限制；隔离气压力根据API 682，应至少高于密封腔0.17 MPa，当密封腔压力较高时，则受到现场已有气源压力的限制，也可能无法采用冲洗方案74。而53B 方案使用系统自带的蓄能器，其压力适用范围更大。

汇总对比情况见表1。

表1 密封方案对比Table 1 Comparison of sealing schemes

3 两种方案动静环的热-结构耦合分析

通过对密封面的温度场、变形情况进行数值模拟，来侧面反映两种冲洗方案的使用情况。本节给出了分析流程及结果。

分析采用当前使用广泛的有限元分析软件ANSYS Workbench，其分析流程包含前处理（几何模型建立、材料赋予、网格划分、加载边界条件）求解和后处理（结果提取）三步。

3.1 前处理和求解

根据密封面的实际尺寸，建立密封的几何模型。密封面示意图如图3。将动静环材料属性（密度、弹性模量、泊松比、线膨胀系数、热导率、比热容）赋予给相应的几何结构。划分网格如图4 所示。

图3 密封面示意图Fig.3 Schematic diagram of sealing surface

图4 网格划分示意图Fig.4 Schematic diagram of meshing

在实际工作中，密封面的工作状态十分复杂，为了分析的可行性，对模型进行以下简化[14]。密封面通常加工有各种形式的槽，尤其是干气密封的密封端面，本文将密封端面简化为平面；密封结构中存在的圆角、倒角对温度、应力和应变分析影响不大，不予考虑；泵操作过程中存在多种工况，本文仅考虑在理想运行状态下密封的转动情况；热传导相比于热对流占比较小，为了分析方便，不考虑热传导的影响；密封腔内密封液/气均匀分布，不考虑密封介质的重力影响。

基本热边界参数设置如下：

泵送介质温度为75 ℃，53B 方案隔离液和74 方案隔离气温度为20 ℃，压力为1 MPa，大气环境是25 ℃。

除动静环接触面外，其他面的热边界为与密封介质、密封隔离液或大气的对流换热，具体对流换热计算公式如下[9，18-20]：动环的对流换热可表示为：

其中，Re1=ρω/μ，Re2远小于Re1，可忽略。Pr为介质的普朗特数。λ为介质热导率、Do为密封环外径。

静环与工艺介质、隔离液之间的对流换热可表示为：

式中Ta——泰勒数；

δ——密封与腔体之间的间隙。

静环与大气间的自然对流换热可表示为

其中，Re3= 2Vcδ/μ，εJ取2。

现有研究中对于密封面的热边界普遍按照动静环在对磨时的摩擦功率考虑[21-22]。然而实际运行中，在密封动静环端面之间通常形成气膜/液膜。为更合理地模拟泵在理论工作状态下的热边界条件，密封面将考虑流体摩擦热（也称为剪切热）和搅拌热。

结构分析中，结构边界条件，考虑了大气压力、密封腔压力、隔离液压力。允许动环轴向移动，静环相对密封腔静止。

边界条件确定后，则可以通过Workbench 一键求解。

3.2 后处理及结果分析

求解完成后，提取相应结果如下。

温度场分析结果如图4 所示。从图中可以看出，同种冲洗方案介质侧和大气侧的温度分布差异较大，介质侧动静环温度分布受介质温度影响，明显高于大气侧动静环温度。实际密封选用时，根据密封腔温度，建议增加冲洗方案11 或冲洗方案23，以降低介质侧密封面温度。密封面相较其他部分温度最高，与理论结果吻合。比较两种冲洗方案，53B 方案的动静环最高温度低于冲洗方案74 动静环最高温度；大气侧动静环温度分布主要受流体摩擦热和搅拌热影响，冲洗方案74 密封较低。两种冲洗方面动静环温度分布均可以满足影响密封工作温度的O 形圈许用温度（300 ℃以下）。

变形云图如图5 所示。可以明显看出，温度对变形的影响大于结构载荷对变形的影响。同样地，介质侧密封受密封介质温度影响，相比于大气侧密封变形较大；总变形量数值非常小。从数值模拟结果来看，两种密封在该工况下均适用。

图5 温度分布图Fig.5 Temperature pattern

图6 整体变形图Fig.6 Overall deformation diagram

4 结论

（1）对密封的稳态温度场数值模拟结果表明，应根据密封腔温度增加冲洗方案11 或23；温度场结果可为密封选用做参考；冲洗方案74 密封相较于53B 密封，在不增加其他冲洗方案的情况下，适用于温度不高的工艺介质密封。

（2）冲洗方案74 相比于冲洗方案53B，在实际使用中操作维护更为便利，环境更友好，使用寿命长，能耗和造价也更低。

（3）在该石化装置中，考虑工艺流程中泵的操作条件，冲洗方案53B 和冲洗方案74 虽均可用于离心泵轴端密封的冲洗，在泵操作参数合适范围内，综合考虑操作维护便利性、环境友好性、使用寿命、能耗及造价等因素，74 密封是更优的方案；但当操作参数中流量过小或密封腔压力较大时，应选择53B方案。