焦化辐射进料泵机封故障分析与解决
2022-05-18狄剑杰
（中石化股份有限公司金陵分公司）
摘 要：针对延迟焦化装置辐射进料泵串联机械密封故障率高的情况，对进料泵机封腔与机械密封结构分别进行分析。结合介质温度高、黏度大的特点，通过技术改造解决了进口辐射进料泵机械密封运行寿命短的问题，保证装置安全、稳定运行。
关键词：辐射进料泵；机封故障；机封腔；结构分析
前言
辐射进料泵是金陵石化公司185kt/a焦化装置的核心设备。常减压装置的减压塔底部抽出的渣油，经过换热器换热至320℃，由辐射进料泵输送至燃烧炉辐射室，再加热输送至焦炭塔。辐射进料泵自机封型式由单端面改为串联后，运行中泵出口侧机封道密封频繁出现泄漏故障，机封的使用寿命不超过3000h。由于介质黏度大、温度高，机封一旦出现泄漏故障，会污染装置现场且存在较大安全隐患，增加检维修费。
1.机泵结构及机封改造历史
辐射进料泵型号RON-D8X16，流量322m3/h，扬程400m，入口压力(0.15~0.42)MPa(表压)；两级叶轮，首级叶轮为双吸结构，出口叶轮为封闭式单吸叶轮;机封腔设置有平衡管，接泵入口减压。
该泵出厂时机封为单端面波纹管机封，使用PLAN32+62冲洗方案。2012年，为满足中石化高温热油泵管理要求，提高机封的安全性及可靠性，改为串联式波纹管机械密封，使用PLAN32+53A冲洗方案。
2.密封失效原因分析
机封改为PLAN32+53A串联密封后，使用不到3000h，道密封泄漏，压力罐液位降低，故障出现在泵出口端侧密封，入口端未出现问题。解体失效机封，发现密封端面受损，有明显磨损痕迹。
在机泵运行中观察到，密封冲洗油压力表波动频繁，正常使用0.6MPa密封冲洗油，会间断性上升至(0.8-0.9)MPa，证明机封腔压力存在波动，导致封油压力低于机封腔压力，冲洗油无法注入机封腔，机封腔内无法稳定形成洁净、低温运行工况。端面在高温、粘稠、含焦粉等环境下运行，加剧机封损坏，使密封过早失效。
（1）机封结构分析
改造前机泵原装密封为约翰克兰的单端面波纹管机械密封，设计为PLAN32+PLAN62的冲洗方案，冲洗液压力为装置内80℃蜡油，压力为0.8MPa；PLAN62方案中静环座提供背冷的介质为160℃蒸汽(图1)。
机封腔压力平衡设计有平衡孔与平衡管：一是机封腔上方设计有平衡管与泵入口相连；二是通过二级叶轮入口部位通过喉部衬套与泵体的径向节流作用，降低密封腔压力，保证冲洗液有一定流量进入机封腔，达到冲洗杂质、降低端面温度的目的。
改造后机封为串联式带压机封结构(图2)，采用PLAN32+53A的冲洗方案。一级密封PLAN32在介质侧密封引入蜡油冲洗，给密封腔降温的同时防止高温介质中的焦粉进入密封端面。
二级密封PLAN53A方案在储罐内之间加入46#白油，储罐用中压氮气加压，保持储罐内隔离液压力高于密封腔压力(0.14~0.41)MP，隔离液通过热虹吸及二级机封泵送装置建立循环，通过储罐的冷却盘管从而抑制二级密封的温升[1]。
改造后串联式带压机封结构优点是：一旦一级密封失效发生泄漏，隔离液压力高于介质压力，隔离液会流向泵内，密封变为单端面密封，储罐低液位或低压报警，操作员有足够时间判断密封失效、采取措施；如果二级失效泄漏，隔离液泄漏到大气中，密封变为承受反压的单端面机封，不会发生介质泄漏。这时储罐低液位或压力报警，给操作员足够时间停泵切换。
密封改造后有以下区别：一是PLAN32+53A机封设计结构为内侧机封承受储罐内封液压力高于密封腔压力，不能承受密封腔压力高于储罐封液压力;二是考虑到在高温工况更加稳定，使用静止型波纹管机封，级端面距离冲洗液较单端面机封更远。
（2）离心泵结构影响分析
1）喉部衬套检查情况
首先要排除喉部衬套磨损导致机封腔压力过高的情况。因为介质经喉部衬套节流后压力依然较高，将直接导致密封腔压力过高，超过冲洗压力后渣油将倒窜人冲洗管路，冲洗液发挥不了冲洗冷却作用。检修时测量喉部衬套外径95.48mm，泵体内径96.05mm，间隙为0.57mm，均在标准范围内，且肉眼观察磨痕很少，所以排除喉部衬套磨损导致机封腔压力变高的因素(图3)。
2）离心泵机封腔结构分析
辐射进料泵为两级叶轮，首级叶轮为双吸结构，机封腔设置有平衡管回人口减压。机泵大修时检查机封腔发现，机封腔有一平衡冲洗孔由二级人口至机封腔，尺寸Φ5mm(图4)，且平衡管开口在机封腔的正上方（图5）。
通过综合分析，得出以下结论：
改造后的机封道密封端面在平衡管开口的正下方，导致PLAN32注入的冲洗液直接从平衡管排走，起不到冲洗与降温作用，且机封腔平衡孔大量的渣油进入 机封腔从平衡管循环流动，导致道密封运行环境非常恶劣，同时由于机泵运行工艺参数波动，大大影响道密封的运行压力，甚至导致反压(图6)。
而未改造前的单端面密封，由于密封较短、机封端面靠外侧远离高温介质，PLAN32冲洗不受平衡管处流体的影响，且单端面机封对机封腔压力变化不敏感，在保证冲洗通畅的基础上，机封运行良好。
3.机封改造方案
分析认为，故障主要原因是改造后机封与原机封腔不匹配、导致机封运行环境恶劣。因此，要从保证PLAN32冲洗液顺畅入手，保证道密封端面的运行环境。因为机泵机封腔平衡孔位置无法更改，只能改进机封设计，来保证道密封运行在设计环境下。
（1）机封增加节流环
道机封处增加节流环，以使得平衡管与PLAN32液体分离(图7)，使得PLAN32冲洗液不受上方平衡管开口流体的影响，保证道密封的运行环境。为保证节流环对冲洗液没有节流效果，对节流环的尺寸进行了核算，保证道密封的冲洗液的流量。
PLAN32冲洗液F孔尺寸Φ10mm；面积78.5mm2;F孔处腰形状分布孔面积113.04mm2；节流环内径Φ129.5mm；密封动环座外径Φ128mm。故Z小环带面积为303.2mm2。
根据以上计算，从冲洗液F孔Φ10mm开始，面积逐渐增大，所以不存在节流情况。节流环设计可以保证冲洗液通畅流动。
（2）改变辅助系统参数
由原机封设计图纸机封腔压力波动范围为(0.15~0.8)MPa，因此适当提高PLA)32封油压力至0.9MPa，保证机封端面不受反压，增加53A氮气压力较冲洗液压力大(0.2~0.4)MPa。同时为更好地监控冲洗流量，保证冲洗正常，更换原冲洗液流量计，使得运行有效监控。
4.结语
研究机封失效现象，从机封结构与机泵构造2个方面进行原因分析，得出机封失效的根本原因。通过技术改造增加机封节流环，改造后冲洗蜡油能完全通过节流环对机封端面进行冲洗，保证密封端面在清洁、温度适宜的设计工况下运行。不仅延长了密封的使用寿命，有效缓解机封故障，而且提高平时操作和维护的安全系数，减轻对周围环境的污染，保证装置安稳长运行。
参考文献
[1]顾永泉.机械密封实用技术[M].北京:机械工业出版社，2001.
来源：《设备管理与维修》2018年
