炼油装置中几种典型泵用机械密封及系统选型分析

王彬　程旼
（中国石油工程建设公司华东设计分公司）

摘　要：结合设计经验以及对API 682标准的研究，对泵用机械密封的选型要点进行了分析，主要包括密封类型、密封形式、布置方式、冲洗方案等。进而对炼油装置中的高温热油泵、高温热水泵以及强酸强碱泵机械密封及辅助系统的选型提出了合理化建议，对API 682中的PLAN53B和PLAN23进行了改进，使之更好地为机械密封服务，有利于机械密封长期稳定运行。
由于机械密封具有密封性能好、工作可靠、泄漏量小、功率消耗少等特点，因而在国内外炼油化工生产的旋转设备中得到了广泛的应用，已经成为泵、 压缩机、反应釜、搅拌器等工艺设备能否正常运转的关键部件。
随着环境保护和人类健康要求的提高，炼油装置中对泵用机械密封的要求也在不断提高。据统计， 炼油装置中机泵故障的40% 以上是由于机械密封发生泄漏而引起的。造成这一现象的原因，一是作为机泵中的动密封其本身所处的工作条件、起的作用所决定；二是许多国内设计单位以及工程公司认为机械密封及系统的选用是泵厂和密封厂的责任，往往对密封的类型、布置方式、冲洗方案了解不深，难以制定机械密封的选配方案，造成部分密封选型不当。 
在密封方案的选择中，除了密封本身安全可靠的设计外，密封的工作环境对密封寿命的影响更加重要， 往往是由于密封工作环境的变化导致了密封的失效。因此密封系统的选择应更加受到重视。
本文结合自身设计经验以及通过与用户交流所得到的现场使用经验，对炼油装置中几种典型泵用机械密封及系统的选型进行了分析[1-8]。
01　泵用机械密封选型要点
美国石油协会API 682(Pumps-Shaft Sealing Systems for Centrifugal and Rotary Pumps)标准中对机械密封的类别(Categories)、类型(Types)、布置方式(Arrangements)、冲洗方案(Flush plans)等进行了分类，在工程应用中机械密封的选型也应注重以上要点进行分析。
另外，机械密封的 pV 值是选择、使用和设计机械密封的重要参数，功耗、磨损与温升都与该值有关。pV 值越高，机械密封的技术水平及难度系数越高。
1.1 机械密封类别(Categories)的选择
API 682 中规定了三种密封类别，一类密封(Category 1)用于非API 610 尺寸密封腔，且密封腔温度为-40~260 °C，密封腔压力≤ 2.2 MPa(A)的场合，炼油行业大多采用API 610 标准的泵，因此不建议采用此类密封。
二类密封(Category 2)用于满足API 610 尺寸要求的密封腔，且密封腔温度为-40~400 °C，密封腔压力≤ 4.2 MPa(A)的场合，此类密封在炼油厂中应用最多，大多数烃类介质应用该类密封。
三类密封(Category 3)的温度、压力范围与2 类相同，但对密封的认证试验以及图纸资料的要求更加严格，另外三类密封需要采用多孔均匀冲洗系统以及节流衬套需采用浮动石墨衬圈的形式。目前国内密封厂家不具备严格意义上的三类密封生产能力，因此仅建议在采用进口密封且应用场合要求极高的情况下选用。
1.2 密封类型选择
A 型密封(Type A)采用多弹簧，止推环式补偿结构，补偿装置为旋转式，辅助密封圈为弹性O 形圈;B 型密封(Type B)采用无止推环，波纹管补偿结构，补偿装置为旋转式，辅助密封圈为弹性O 形圈; C 型密封(Type C)采用无止推环，波纹管补偿结构， 补偿装置为静止式，辅助密封件为柔性石墨。
除以上3 种标准密封形式之外，API 682 还规定了4 种替代密封，分别是静止式A(B)型密封、单弹簧式A 型密封、旋转式C 型密封。
1.2.1 静止式与旋转式机械密封的选择
在同一轴径下，采用静止式密封的径向尺寸要比采用旋转式大一个等级，因此旋转式密封具有径向尺寸小、安装方便的特点，一般情况下均采用旋转式密封。当密封端面线速度不小于23 m/s 时，弹簧及其他旋转部件产生的离心力较大，动平衡要求较高， 同时消耗搅拌功率，产生搅拌热，此时应采用静止式密封。
1.2.2 单弹簧与多弹簧机械密封的选择
单弹簧式机械密封结构简单，一般用于较小轴径的情况。
多弹簧式机械密封适用于较大轴径，其轴向尺寸小、轴向力均匀，适用于高速机械密封。但多弹簧的弹簧丝径小，因腐蚀或结晶颗粒积聚易引起弹簧失效或卡滞，此时应采用单弹簧式密封或采用合理的布置方式避免弹簧与介质接触，当采用单弹簧式机械密封时应采取一定措施使弹簧力分布更加均匀，进而避免因弹簧力分布不均而导致密封本体的失效。
1.2.3 弹簧式与波纹管式机械密封的选择
弹簧式机械密封追随性及补偿能力好，且能适应高压力场合，一般情况下应用较多。但由于弹簧式密封受辅助密封圈耐温限制，不能用于温度较高的场合，一般应低于200 °C。
波纹管式机械密封可分为橡胶波纹管、聚四氟乙烯波纹管和焊接金属波纹管三大类。前两种波纹管由于弹力较小，均需加辅助弹簧，因而使用受到一定限制;现场应用较多的为金属波纹管，其具有较好的耐低、高温性能，温度范围可在-40~400 °C。
1.3 布置方式的选择
布置1(Arrangement 1)每套集装式密封中有一对摩擦副，分为带固定节流衬套(1CW-FX)和浮动节流衬套(1CW-FL)两种配置。布置2(Arrangement 2)每套集装式密封中有两对摩擦副，且缓冲流体压力低于密封腔压力，分为双接触式湿密封(2CW- CW)、接触式湿内密封(2CW-CS)和非接触式内密封(2NC-CS) 三种配置。布置3(Arrangement 3) 每套集装式密封中有两对摩擦副，且隔离液体压力高于密封腔压力，分为面对面(3CW-FF/3NC-FF)、面对背(3CW-FB/3NC-FB)和背对背(3CW-BB/3NC-BB) 六种配置。
布置1 主要适用于常温、无毒、无危害的介质; 布置2 主要适用于轻烃类、易汽化介质，当介质有毒时不推荐选用;布置3 主要适用于高温、有毒、有害的介质以及不允许有介质泄漏的场合。
1.4 冲洗方案的选择
API 682 规定了25 种冲洗方案，在炼油行业常用的有PLAN11、21、23、32、52、53、54、72、75、76 等。
对于主密封温度小于80 °C时可采用PLAN11 自冲洗;温度在80~300 °C之间时可采用PLAN21 或PLAN23 ;温度高于300 °C且有外冲洗条件的情况下建议采用PLAN32 ;当介质含有固体颗粒时，无论温度高低建议采用PLAN32。
在API 682 的密封冲洗方案选择中推荐的是PLAN23，因为该冲洗方案可以降低冷却器负荷，对密封腔介质起到比较好的冷却效果，但是在介质比较脏或黏度较大时尽量采用PLAN21，可保证冲洗液能更好地在回路里循环，防止被堵塞。欢迎关注泵友圈微信公众号。
在某些高温且无外冲洗条件的场合，可以用特殊设计的高温波纹管密封来提高密封本身的耐温性能，而用PLAN21 或23 代替PLAN32，以节省投资。
次级密封冲洗方案的选择与介质的物理特性有很大关系，PLAN53、PLAN54 、PLAN72+75 主要适用于介质有毒有害且不允许泄漏的场合，PLAN53B 受气囊耐温性的限制，不能应用于温度特别高的场合(300 °C以下)，此时可用PLAN53A 代替; PLAN52、PLAN72+76 适合用轻烃类易气化的场合， 当PLAN52 用于非气化场合时建议增加高液位报警， 以防止泄漏出的介质充满缓冲罐。
1.5 内装与外装机械密封的选择
内装式机械密封端面比压随介质压力增加而增加，介质泄漏方向与离心力方向相反，密封性能好， 泄漏量小，因此内装式机械密封得到了广泛的应用。外装式机械密封受力较差，端面比压随介质压力增加而减小，会出现压力波动时密封端面突然打开的现象，且介质泄漏方向与离心力方向相同，因而泄漏量大。
但外装式机械密封弹性元件与介质不接触，在强腐蚀、含颗粒或易结晶介质中多采用外装式，可以避免弹簧因腐蚀或卡滞而失效。外装式机械密封应增加PLAN62 对密封背面冲洗，可以在一定程度上对泄漏介质进行稀释。
02　典型泵用机械密封选型分析
2.1 高温热油泵
对于炼油装置中有一部分泵的介质温度均在200°C以上，有的甚至超过300 °C，此时若机械密封冲洗方案的选择为PLAN53B，应多加考虑PLAN53B 系统中蓄能器皮囊的耐温问题。通常情况下，蓄能器皮囊若为普通橡胶材质，耐温不超过120 °C，即使是氟橡胶耐温也不超过200 °C。
API 682 中PLAN53B 系统的布置方式如图1 所示，从图中可以看出高温的密封隔离液从密封腔直接经过蓄能器，然后再经过冷却器，最后再回到密封腔。此种布置方式在隔离液温度升高之后，可能会导致蓄能器内介质温度升高，致使皮囊失效。

 

图1 标准PLAN53B系统图

图2 中对标准的PLAN53B 系统进行了改进，将密封冷却器放到了蓄能器的前端，使从密封腔出来后的隔离液先经过了冷却，使其温度下降到蓄能器皮囊耐温值以下，确保蓄能器皮囊在允许的条件下安全可靠地使用，进而保证密封系统能够正常运行。对于温度特别高的场合， 应以极端温度来选择合适的冷却器，以保证系统在较好的环境下可靠运行。

图2 改进后PLAN53B系统图

2.2 高温热水泵
高温热水泵一般为介质温度高于100 °C，在密封突然失效泄漏之后会喷出大量蒸汽，对人体造成伤害。主要为锅炉给水泵、循环水泵、凝结水泵等。
为了不因选用串联密封而增加成本，又能使高温热水泵安全可靠运行，建议选用单端面机械密封， 冲洗方案可以选择PLAN23+62。PLAN62 所通急冷液直接从23 冷却器后引旁路连接至密封急冷口，具体流程见图3 所示。可以看出，通过此种布置方式， PLAN62 不需要额外的配管将循环水引入密封急冷口，又能起到在密封失效时降低介质温度，从而避免对人员的伤害，对系统加以保护。

图3 改进后的PLAN23+62系统图

2.3 强酸强碱泵
强酸强碱介质具有较强的腐蚀性，且易结晶， 为了防止介质对密封弹性元件的腐蚀，应使弹性元件与介质隔离，采用外装结构，第3 种布置方式(背靠背或面对面)。O 形圈材料选用耐腐蚀的氟橡胶或全氟橡胶。动静环选用硬对硬(碳化钨或碳化硅)配置。
强酸强碱泵现场大多采用单端面密封，因而密封背面大多出现结晶结垢，对设备造成腐蚀等现象。为了避免该现象发生，使现场更加清洁，可直接选用PLAN54(见图4)。炼油装置中大多数酸泵或碱泵的入口压力较低，基本为常压，因此PLAN54 的冲洗源可直接用循环水。该方案虽然选用了双端面密封， 但从经济角度考虑仅增加了一对摩擦副，没有另外增加辅助系统，既节约了投资成本又满足了现场要求。

图4 强酸强碱泵用PLAN54系统图

03　结束语
机械密封结构形式、材料及辅助系统的合理选择对泵的长周期稳定运行至关重要，炼油装置中泵的工况错综复杂，运行参数千变万化，要想对每一台泵都选择到最合理的密封方案，需要具有较丰富的工程经验以及对标准更加深刻透彻的理解。本文仅对几种典型泵的密封方案进行了选型分析，并对API 682 做了适当改进，使之更加合理，延长机封使用寿命。
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来源：《化工设备与管道》2015年第4期