焦化輻射進料泵機封故障分析與解決
2022-05-18狄劍杰
（中石化股份有限公司金陵分公司）
摘 要：針對延遲焦化裝置輻射進料泵串聯機械密封故障率高的情況，對進料泵機封腔與機械密封結構分別進行分析。結合介質溫度高、黏度大的特點，通過技術改造解決了進口輻射進料泵機械密封運行壽命短的問題，保證裝置安全、穩定運行。
關鍵詞：輻射進料泵；機封故障；機封腔；結構分析
前言
輻射進料泵是金陵石化公司185kt/a焦化裝置的核心設備。常減壓裝置的減壓塔底部抽出的渣油，經過換熱器換熱至320℃，由輻射進料泵輸送至燃燒爐輻射室，再加熱輸送至焦炭塔。輻射進料泵自機封型式由單端面改為串聯后，運行中泵出口側機封道密封頻繁出現泄漏故障，機封的使用壽命不超過3000h。由于介質黏度大、溫度高，機封一旦出現泄漏故障，會污染裝置現場且存在較大安全隱患，增加檢維修費。
1.機泵結構及機封改造歷史
輻射進料泵型號RON-D8X16，流量322m3/h，揚程400m，入口壓力(0.15~0.42)MPa(表壓)；兩級葉輪，首級葉輪為雙吸結構，出口葉輪為封閉式單吸葉輪;機封腔設置有平衡管，接泵入口減壓。
該泵出廠時機封為單端面波紋管機封，使用PLAN32+62沖洗方案。2012年，為滿足中石化高溫熱油泵管理要求，提高機封的安全性及可靠性，改為串聯式波紋管機械密封，使用PLAN32+53A沖洗方案。
2.密封失效原因分析
機封改為PLAN32+53A串聯密封后，使用不到3000h，道密封泄漏，壓力罐液位降低，故障出現在泵出口端側密封，入口端未出現問題。解體失效機封，發現密封端面受損，有明顯磨損痕跡。
在機泵運行中觀察到，密封沖洗油壓力表波動頻繁，正常使用0.6MPa密封沖洗油，會間斷性上升至(0.8-0.9)MPa，證明機封腔壓力存在波動，導致封油壓力低于機封腔壓力，沖洗油無法注入機封腔，機封腔內無法穩定形成潔凈、低溫運行工況。端面在高溫、粘稠、含焦粉等環境下運行，加劇機封損壞，使密封過早失效。
（1）機封結構分析
改造前機泵原裝密封為約翰克蘭的單端面波紋管機械密封，設計為PLAN32+PLAN62的沖洗方案，沖洗液壓力為裝置內80℃蠟油，壓力為0.8MPa；PLAN62方案中靜環座提供背冷的介質為160℃蒸汽(圖1)。
機封腔壓力平衡設計有平衡孔與平衡管：一是機封腔上方設計有平衡管與泵入口相連；二是通過二級葉輪入口部位通過喉部襯套與泵體的徑向節流作用，降低密封腔壓力，保證沖洗液有一定流量進入機封腔，達到沖洗雜質、降低端面溫度的目的。
改造后機封為串聯式帶壓機封結構(圖2)，采用PLAN32+53A的沖洗方案。一級密封PLAN32在介質側密封引入蠟油沖洗，給密封腔降溫的同時防止高溫介質中的焦粉進入密封端面。
二級密封PLAN53A方案在儲罐內之間加入46#白油，儲罐用中壓氮氣加壓，保持儲罐內隔離液壓力高于密封腔壓力(0.14~0.41)MP，隔離液通過熱虹吸及二級機封泵送裝置建立循環，通過儲罐的冷卻盤管從而抑制二級密封的溫升[1]。
改造后串聯式帶壓機封結構優點是：一旦一級密封失效發生泄漏，隔離液壓力高于介質壓力，隔離液會流向泵內，密封變為單端面密封，儲罐低液位或低壓報警，操作員有足夠時間判斷密封失效、采取措施；如果二級失效泄漏，隔離液泄漏到大氣中，密封變為承受反壓的單端面機封，不會發生介質泄漏。這時儲罐低液位或壓力報警，給操作員足夠時間停泵切換。
密封改造后有以下區別：一是PLAN32+53A機封設計結構為內側機封承受儲罐內封液壓力高于密封腔壓力，不能承受密封腔壓力高于儲罐封液壓力;二是考慮到在高溫工況更加穩定，使用靜止型波紋管機封，級端面距離沖洗液較單端面機封更遠。
（2）離心泵結構影響分析
1）喉部襯套檢查情況
首先要排除喉部襯套磨損導致機封腔壓力過高的情況。因為介質經喉部襯套節流后壓力依然較高，將直接導致密封腔壓力過高，超過沖洗壓力后渣油將倒竄人沖洗管路，沖洗液發揮不了沖洗冷卻作用。檢修時測量喉部襯套外徑95.48mm，泵體內徑96.05mm，間隙為0.57mm，均在標準范圍內，且肉眼觀察磨痕很少，所以排除喉部襯套磨損導致機封腔壓力變高的因素(圖3)。
2）離心泵機封腔結構分析
輻射進料泵為兩級葉輪，首級葉輪為雙吸結構，機封腔設置有平衡管回人口減壓。機泵大修時檢查機封腔發現，機封腔有一平衡沖洗孔由二級人口至機封腔，尺寸Φ5mm(圖4)，且平衡管開口在機封腔的正上方（圖5）。
通過綜合分析，得出以下結論：
改造后的機封道密封端面在平衡管開口的正下方，導致PLAN32注入的沖洗液直接從平衡管排走，起不到沖洗與降溫作用，且機封腔平衡孔大量的渣油進入 機封腔從平衡管循環流動，導致道密封運行環境非常惡劣，同時由于機泵運行工藝參數波動，大大影響道密封的運行壓力，甚至導致反壓(圖6)。
而未改造前的單端面密封，由于密封較短、機封端面靠外側遠離高溫介質，PLAN32沖洗不受平衡管處流體的影響，且單端面機封對機封腔壓力變化不敏感，在保證沖洗通暢的基礎上，機封運行良好。
3.機封改造方案
分析認為，故障主要原因是改造后機封與原機封腔不匹配、導致機封運行環境惡劣。因此，要從保證PLAN32沖洗液順暢入手，保證道密封端面的運行環境。因為機泵機封腔平衡孔位置無法更改，只能改進機封設計，來保證道密封運行在設計環境下。
（1）機封增加節流環
道機封處增加節流環，以使得平衡管與PLAN32液體分離(圖7)，使得PLAN32沖洗液不受上方平衡管開口流體的影響，保證道密封的運行環境。為保證節流環對沖洗液沒有節流效果，對節流環的尺寸進行了核算，保證道密封的沖洗液的流量。
PLAN32沖洗液F孔尺寸Φ10mm；面積78.5mm2;F孔處腰形狀分布孔面積113.04mm2；節流環內徑Φ129.5mm；密封動環座外徑Φ128mm。故Z小環帶面積為303.2mm2。
根據以上計算，從沖洗液F孔Φ10mm開始，面積逐漸增大，所以不存在節流情況。節流環設計可以保證沖洗液通暢流動。
（2）改變輔助系統參數
由原機封設計圖紙機封腔壓力波動范圍為(0.15~0.8)MPa，因此適當提高PLA)32封油壓力至0.9MPa，保證機封端面不受反壓，增加53A氮氣壓力較沖洗液壓力大(0.2~0.4)MPa。同時為更好地監控沖洗流量，保證沖洗正常，更換原沖洗液流量計，使得運行有效監控。
4.結語
研究機封失效現象，從機封結構與機泵構造2個方面進行原因分析，得出機封失效的根本原因。通過技術改造增加機封節流環，改造后沖洗蠟油能完全通過節流環對機封端面進行沖洗，保證密封端面在清潔、溫度適宜的設計工況下運行。不僅延長了密封的使用壽命，有效緩解機封故障，而且提高平時操作和維護的安全系數，減輕對周圍環境的污染，保證裝置安穩長運行。
參考文獻
[1]顧永泉.機械密封實用技術[M].北京:機械工業出版社，2001.
來源：《設備管理與維修》2018年
