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泵用機械密封沖洗方案優化措施
  脫氫氰酸塔釜液泵P-1l8,原選用PLAN11+PLAN52輔助密封沖洗方案,但是由于機封結構和沖洗回路的缺陷,密封效果不盡人意,經常出現劇毒介質外漏的情況,不僅不符合HSE相關規范,還給環境和維護人員帶來一定的安全隱患。根據實際需要和相關標準,對比國內相關裝置該位號機泵的密封沖洗方案,提出優化運行措施,解決了原來的機封機構缺陷和沖洗弊端,保證了裝置的長、穩、滿、優、安運行。
  一、前言
  某大型石化公司先后建設了多套丙烯腈裝置,成為國內主要丙烯腈生產基地。最新建設的丙烯腈裝置脫氫氰酸塔釜液泵P-l18,出口壓力0.3~0.4MPa,工作溫度75℃,輸送介質為含少量極度危害介質的劇毒丙烯腈(沸點77.3℃),介質的特殊性質決定了其零泄漏的基本工作工藝要求。
  二、故障現象
  P-118泵為國際知名流體機械公司的進口離心泵,原裝軸封選用約翰克蘭5620P型集裝機械密封,采用Plan11+PLAN52輔助密封沖洗方案(見圖1、圖2)。
  Plan11+Plan52方案,是串聯式機械密封,前一道密封靠泵送介質本身去沖洗,后一道采用密封液沖洗,當第一道密封泄漏時,會泄漏到后面一道密封中,隨之Plan52虹吸罐中液位升高,壓力也隨之升高,壓力開關隨之報警,總之Plan52就是前面Plan11一道保護性的密封,使泵運行更可靠。通過逆向工程國產化,曾用過彈簧串聯機械密封和波紋管面對面雙端面機械密封,但是使用效果都不好。
  先后曾經出現以下問題:
  (1)密封采用循環水,潔凈度不夠不管彈簧還是波紋管密封,外側密封都是軟對硬的端面配對,一旦雜質進入密封端面,會使摩擦副受損,導致密封失效。另外如果從第一道密封泄漏介質具有聚合的特性,雜質可能會加劇介質聚合,聚合物會影響機封的使用性能。
  (2)摩擦副散熱效果不好以前波紋管失效密封曾發現金屬變色問題,這應該是溫度過高所致。波紋管機封安裝的徑向尺寸太小(小腔密封),無法設計將緩沖液引向機封端面的導流及泵送循環結構,緩沖液起不到帶走摩擦熱、攪拌熱的降溫作用。
  (3)循環管路不暢,循環效果不好彈簧串聯密封的外側密封靠泵送環帶動緩沖液循環帶走熱量,泵送環產生的壓頭有限,循環管路的管徑細小產生的程阻大,會導致緩沖液循環不暢,甚至不循環,起不到給密封循環降溫的作用。
  三、優化方案
  1.采用PLAN54密封方案
  參考早期建設的同類裝置,P-l18位號泵的軸封密封采用PLAN54輔助沖洗方案,此方案為加壓雙端面密封系統,機封采用STB35A背靠背接觸式濕式波紋管密封,如圖3所示。
  該方案從外部引入四效廢水處理后的廢液作為封水。封水從機封沖洗人口進入,然后從出口回流到封水系統中,給機封提供冷卻、清潔、沖洗。封水的壓力高于內部密封所承受的壓力0.15MPa,這就會導致小部分的封水泄到被輸送的介質中去,但是此部分量很小,可以忽略不計,但是在實際的使用過程中,常常出現介質外露和封水大量內漏的情況。
  原因有兩部分造成:
  1)密封與泵腔相連的泵腔側,空間狹小,介質流速低,給介質聚合提供一定的物理環境。而聚合后的固體顆粒導致O形圈和補償機構出現故障。給機泵P-118的機封密封面帶來致命的損傷。
  2)機封沖洗水在機泵外部是個巨大封水循環系統,為所有的Plan54沖洗方案機泵提供封水,系統內有一臺離心泵P-545集中提供循環動力,這就造成供給壓力恒定,而封水系統中的其他機泵密封腔壓力卻不同,不能滿足所有的阻封液的壓力都高于內部密封所承受的壓力0.15MPa。這樣高壓密封腔內的介質常常會由于工藝波動,而串入封水系統,進而造成整個封水系統的污染和管道阻塞;低壓密封的封水內漏后,由廢水處理裝置產生的封水(非潔凈水)就會污染工藝系統。
  基于以上兩個原因的合力作用使得封水大量進入介質當中,影響介質的工藝指標和浪費大量的封水。由于封水系統的龐大,這種泄漏的發現常常之后很長時間,一旦封水管路被污染堵塞到一定程度,介質就會經過兩道密封面泄漏到大氣當中,造成環境的污染和人員中毒的安全事故。在實際的使用過程中,也經常出現介質外泄漏的情況,給維護人員帶來了很大的安全隱患。雖然在一定程度上可以比原來減少泄漏頻次,但基于以上安全環保和工藝指標要求,新建丙烯腈裝置該位號機泵不宜再采用PLAN54密封方案。
  2.采用雙端面干氣密封方案
  1)雙端面干氣密封采用工業氮氣或工藝儀表風作為阻封介質,用氣體阻塞替代傳統的液體阻塞,氣體外漏后對環境無任何污染;氣體壓力高于密封腔介質壓力0.1~0.2MPa,可保證工藝液體介質實現零泄漏。
  2)干氣密封輔助系統中過濾精度為1μm的精密過濾器,可確保通入密封腔中的氣體潔凈、無任何雜質。
  3)干氣密封為非接觸式密封,機封工作時產熱少,不需要刻意要求管線及設置循環冷卻措施給其降溫就可正常工作。
  從以上分析對比內容看,此位號機封雖然在技術上采用干氣密封比接觸式機械密封更具優勢,但是干氣密封對工藝操作要求較高,且價格比較昂貴,該密封方案不可取(見圖4)。
  3.采用PLAN21+PLAN53a密封沖洗方案
  為了避免安全事故的發生或將其降到最小。由于介質的沸點為77.3℃,而工作溫度為75℃,自沖洗液進入密封摩擦副后溫度必定高于其沸點,無法形成穩定的液膜。決定改變原始設計,將PLAN11沖洗方案其改變為PLAN21沖洗方案。
  PLAN21沖洗是介質從泵的出口通過限流孔板道、冷卻最后回到泵腔的循環過程。介質沖洗液進入泵腔靠近機械密封端面處沖洗端面,然后穿過密封腔回流到泵腔內(見圖5)。
  沖洗方案21是所有單端面密封的標準沖洗方案。在方案中,工作介質從泵的出口經過限流孔板并冷卻后被輸送到密封腔,以便對密封進行冷卻排空密封腔中的空氣和蒸汽。然后流體從密封腔流回道輸送的介質中。這種沖洗方案可以清潔機封與泵腔相鄰處的密封腔,加速此腔內本來流動量很小的介質的流動量,減小了介質聚合的可能性。
  將PALN52改為PLAN53a沖洗方式,整個密封輔助系統由緩沖罐、組封液、機封、氮氣壓力源和冷卻系統在組成。組封液從緩沖罐殼程進入機封兩個密封面間的空間,對機封進行冷卻和沖洗,保證了密封腔的潔凈度,裝在機封動環上面的螺紋環隨軸一起高速旋轉,帶阻封液在回路內建立循環,帶走機封上的熱量。緩沖罐內的換熱盤管在冷卻水的作用下又將阻封液控制最佳工作溫度。
  持續不斷供給的氮氣源在減壓閥作用后,保證緩沖罐殼程的壓力長期穩定高于被密封介質壓力0.14MPa,無論是內道密封面出現泄漏后,密封液會在壓力的作用下進入密封腔內,還是外端密封液進入大氣中,都會導致緩沖罐液位下降。當液位下降到設定值時,低液位就會報警,穩定的壓力源在這段時間內保證了密封腔的壓力,使得一段時間內介質不會泄漏,為處理機封提供了一定的反應時間;如果泄漏速率大或者氮氣泄漏,也會導致壓力報警器報警,工作人員可以立即停泵處理,這樣在介質剛接觸到第二道密封面的時候,就已經掌握其泄漏情況,而且泄漏的介質只會進入獨立的緩沖罐,不會進入空氣也不會影響其他的軸封系統。將安全隱患和環境污染的可能性降到最低。
  四、結語
  通過以上三種方案對比可知,采用PLAN21+PLAN53a密封沖洗方案,PLAN21冷卻器只需要做一個溫度套管即可,不但技術上實現容易,而且費用低廉。該位號機泵在采用第三種優化方案后,運行一年未出現泄漏,機封平均壽命達到1年以上,不但保證了裝置的長、穩、滿、優、安運行,還減少了操作和維護人員的安全隱患,降低了環境污染的可能性。
2020-07-19

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