摘 要：延迟焦化装置高温重油泵为装置关键机泵，这些泵原机械密封均为单端面机械密封，冲洗方案为PLAN32+62。这种形式的机械密封应用在焦化装置高温重油泵上非常容易泄漏，而高温重油泄漏后极易自燃，因此必须对高温重油泵现有机械密封进行改造。分析了延迟焦化装置高温重油泵机械密封容易泄漏的原因，提出了安全可靠的改造办法，并结合现场实际情况，给出了改造和操作等的要点及难点。
中海油惠州石化有限公司(以下简称惠州石化)延迟焦化装置处理能力为4.2Mt/a，采用美国FOSTER WHEELER公司提供的前端工程设计(FEED)包，由中国石化工程建设公司(SEI)进行设计。该套装置采用两炉四塔工艺，单系列处理量比较大。目前惠州石化渣油处理手段只有延迟焦化一种，因此，延迟焦化装置长周期平稳运行直接影响到全厂的经济效益及正常生产，而装置长周期平稳运行的一个关键因素，就是高温重油泵的安全平稳无泄漏运行。
1. 高温重油泵机械密封运行的主要问题
装置投产初期，机械密封运行的主要问题是易泄漏、寿命短、所密封的介质易燃。延迟焦化高温重油泵介质主要有减压渣油、重蜡油和蜡油，这些介质相对组分较重，自燃点低。介质温度超过或接近介质燃点的高温重油泵见表1。
高温重油泵机械密封一旦严重泄漏，泵内介质漏出后与空气接触将极易发生自燃。另外，随着加工原料配比变化，组分有可能变得更重，相应的各个介质的自燃点也随之更低。
2. 高温重油泵机械密封易泄漏的原因分析
2.1 原单端面机械密封容易泄漏
改造前的高温重油泵机械密封类型都为单端面机械密封，冲洗方案为PLAN32+62。单端面机械密封结构较为简单，一般用于油、水、有机溶剂及腐蚀性介质。其典型结构如图1所示。
单端面机械密封不适用于高温、易燃易爆、带悬浮颗粒的介质，而渣油、焦化蜡油等介质正好具备以上特点。因此高温重油类泵使用单端面机械密封，比较容易发生泄漏。
2.2 介质中颗粒含量高
延迟焦化各组分中焦粉含量较多，重油组分更是如此【1】。焦粉微粒易进入机械密封的密封端面，引起密封端面持续微量泄漏;微量泄漏的介质聚集在波纹管或弹簧等零部件上，逐渐氧化结焦;结焦物降低波纹管的弹力，加剧密封端面的泄漏。如此恶性循环，机械密封很快就会失效。
图2和图3显示了蜡油产品泵一套机械密封的失效情况。
从上述失效案例中可以看到:介质从密封端面泄漏后，积聚在波纹管外侧(大气侧)并逐渐氧化结焦，结焦物导致波纹管弹性降低，端面补偿力下降，进而造成机械密封泄漏恶化。
2.3 原机械密封冷却吹扫效果差
PLAN62冷却介质一般选用的是低压蒸汽，预期作用是冲洗波纹管外侧，带走泄漏的介质，并隔绝空气，即尽可能地防止泄漏的介质氧化结焦。但是低压蒸汽易受气温、来源、疏水情况、操作等因素影响，导致其带水严重或中断，因此PLAN62方案的冲洗效果比较差。
对于高温重油泵机械密封而言，冷却吹扫的效果差，会从以下几方面影响机械密封的运行:
(1)密封端面温度升高，降低油膜稳定性，增加介质对密封端面，尤其是非金属材质的腐蚀;
(2)密封端面冷热不均，变形严重，导致摩擦加剧、泄漏量增大;
(3)机械密封静密封点温度过高，加速失效。
3. 高温重油泵机械密封改造实施情况
3.1 改造的必要性
API682中规定了机械密封的性能要求:(1)机械密封连续运行寿命不低于25000h(约为3年);(2)抑制密封在抑制密封腔的压力不高于压力开关设定的泄漏压力(表压≤0.07MPa)的条件下，连续运行寿命不低于25000h，在主密封失效时，至少连续运行8h;(3)按美国环保署方法21测量，所有密封泄漏量都应控制在1000mL/m3以内，或者满足用户当地颁布的更严标准，同时，密封连续运行寿命不低于25000h。
目前惠州石化延迟焦化装置大检修周期为4年，不论从标准或是现场实际泄漏情况来看，高温重油泵所使用的单端面机械密封和PLAN32+62的冲洗方案都不符合要求，必须进行改造。
3.2 改造内容
改造前后介质及介质参数均未发生变化，动静环、轴套、波纹管等主要部件材料没有太大变化，动环仍选择石墨材质，静环仍选择碳化硅材质。
按照API682中要求将所有单端面密封改为串联式双端面机械密封并选择合适的冲洗方案，冲洗方案选择PLAN32+53B。改造前后的冲洗方案对比如表2所示。
介质为高温蜡油、重蜡油、渣油的泵，PLAN32冲洗液由原来的焦化柴油改为焦化蜡油。原因是实际操作中发现，柴油作为上述高温重油泵的冲洗液，相对密度较小，一旦柴油带水或温度过低，极易导致高温重油泵抽空。
PLAN53B是API682第二版中新的冲洗方案，方案如图4所示。
PLAN53B方案适用于接触式湿密封。它有以下特点:
(1)外部辅助系统为辅助密封腔提供密封液，即热导油;
(2)外部辅助系统中设置蓄能器给整个辅助系统提供压力;
(3)内部热导油的流动由泵效环(泵送环)来保持;
(4)循环的热导油带走机械密封端面产生的热量，并最终由辅助系统水冷器带走;
(5)设置压力显示及压力开关，用于监测密封的使用及泄漏情况。
PLAN53B通过改善高温重油泵机械密封的运行条件，设置PI、PS、TI监控密封的泄漏情况，达到延长机械密封使用寿命，监控泄漏量的安全目标，主要表现在:
(1)热导油能有效地带走密封端面产生的热量，并经由水冷器冷却后循环，持续改善密封端面运行温度，彻底隔绝外部空气，防止泄漏的介质在波纹管积聚氧化结焦;
(2)设置TI监控密封端面摩擦情况及热导油冷却效果;
(3)设置蓄能器使辅助系统带压，压力大于主密封腔压力，如果主密封端面泄漏，高温危险介质也不会外漏;
(4)设置PI监控密封端面泄漏情况，当密封泄漏超标时，PS压力开关会向布式控制系统(DCS)报警，提示尽快处理故障。
3.3 改造注意事项
(1) 机械密封尺寸的设计
由于是改造项目，需要充分考虑改造后的机械密封尺寸，机械密封生产商应选用尽量紧凑的设计尺寸。由于受到待改造机泵机械密封端盖到轴承箱的距离限制，而且改造后的双端面机械密封一般都比原机械密封轴向尺寸要大，所以轴向尺寸要核对准确。如果需要，可以考虑PLAN32冲洗液入口重新开在泵大盖上，进而减小改造后双端面机械密封的轴向尺寸。
(2) 泵密封腔的尺寸
一般来说，原厂图纸中主密封腔的尺寸都没有标全，而改造前泵可能都在运行，没法进行测量。如果光靠图纸提供的尺寸有可能导致新机械密封安装不上，最好的办法是利用检修期间实测核对尺寸。
(3) 轴套密封点的设置
如前面所述，延迟焦化高温重油泵介质易结焦。建议在轴套近介质侧设置一个静密封点，防止介质进入轴套结焦后机械密封拆卸困难。
3.4 改造后操作要点
(1) PLAN32冲洗液的要求
PLAN32冲洗液隔绝了泵送介质中颗粒物进入密封端面，并且保持着密封端面液膜的稳定。
因此操作时要注意检查PLAN32的过滤器是否堵塞、注入管路是否通畅，以及保持冲洗液注入压力大于密封腔压力0.05—0.1MPa。
(2) PLAN53B辅助系统的投用顺序
为了确保PLAN53B系统充分发挥作用，必须正确地进行投用。每一次投用都必须保证冷却水管线和热导油管线排净气体，防止发生气阻现象，尤其是工作压力较高的热导油管线。
投用注意事项如下:
a.投用循环水流程时，注意打开水冷器的上下排空堵头，排干净空气后再打开循环水回水阀。
b.投用隔离液流程时，首先确认蓄能器已充压至规定压力;其次加注热导油至系统带压后，要再次打开油系统排空阀将空气排净，并且边排气边盘车;加注热导油完毕后，要关闭手动注油泵手阀(防止单向阀不严热导油倒窜)。
(3) PLAN53B的操作要求
工作压力是PLAN53B操作的重要指标。通过现场PI定期检查工作压力是否下降。当工作压力降低至最小值或低压报警时要重新补压，下降趋势过快或低于蓄能器压力时则需维修机械密封。内操要关注PS压力开关的报警，出现报警要立刻到现场检查确认。
另外，还需要定期通过II检查现场水冷却器出口温是否达标，从而判断水冷器的工作情况。
4. 改造效果
延迟焦化高温重油泵机械密封经过改造后，机械密封泄漏维修率大幅度降低，无其他故障的情况下可满足连续运行3年以上的要求。相比改造前的机械密封，改造后的机械密封不仅运行更加可靠，还包含PI、Ps、TI等多种监控手段，全方位监控高温重油泵机械密封的运行情况，可谓真正达到了设备本质安全的要求，值得推广。
目前，高温重油泵的双封改造工作已经推广到全公司的其他生产装置，成为保证全厂安全平稳长周期生产的有效办法。
参考文献
1.孙艳明.延迟焦化焦粉夹带的原因及应对措施[J].安全、健康和环境，2014(10):4—7.
中海油惠州石化有限公司(以下简称惠州石化)延迟焦化装置处理能力为4.2Mt/a，采用美国FOSTER WHEELER公司提供的前端工程设计(FEED)包，由中国石化工程建设公司(SEI)进行设计。该套装置采用两炉四塔工艺，单系列处理量比较大。目前惠州石化渣油处理手段只有延迟焦化一种，因此，延迟焦化装置长周期平稳运行直接影响到全厂的经济效益及正常生产，而装置长周期平稳运行的一个关键因素，就是高温重油泵的安全平稳无泄漏运行。
1. 高温重油泵机械密封运行的主要问题
装置投产初期，机械密封运行的主要问题是易泄漏、寿命短、所密封的介质易燃。延迟焦化高温重油泵介质主要有减压渣油、重蜡油和蜡油，这些介质相对组分较重，自燃点低。介质温度超过或接近介质燃点的高温重油泵见表1。
2. 高温重油泵机械密封易泄漏的原因分析
2.1 原单端面机械密封容易泄漏
改造前的高温重油泵机械密封类型都为单端面机械密封，冲洗方案为PLAN32+62。单端面机械密封结构较为简单，一般用于油、水、有机溶剂及腐蚀性介质。其典型结构如图1所示。
2.2 介质中颗粒含量高
延迟焦化各组分中焦粉含量较多，重油组分更是如此【1】。焦粉微粒易进入机械密封的密封端面，引起密封端面持续微量泄漏;微量泄漏的介质聚集在波纹管或弹簧等零部件上，逐渐氧化结焦;结焦物降低波纹管的弹力，加剧密封端面的泄漏。如此恶性循环，机械密封很快就会失效。
图2和图3显示了蜡油产品泵一套机械密封的失效情况。
2.3 原机械密封冷却吹扫效果差
PLAN62冷却介质一般选用的是低压蒸汽，预期作用是冲洗波纹管外侧，带走泄漏的介质，并隔绝空气，即尽可能地防止泄漏的介质氧化结焦。但是低压蒸汽易受气温、来源、疏水情况、操作等因素影响，导致其带水严重或中断，因此PLAN62方案的冲洗效果比较差。
对于高温重油泵机械密封而言，冷却吹扫的效果差，会从以下几方面影响机械密封的运行:
(1)密封端面温度升高，降低油膜稳定性，增加介质对密封端面，尤其是非金属材质的腐蚀;
(2)密封端面冷热不均，变形严重，导致摩擦加剧、泄漏量增大;
(3)机械密封静密封点温度过高，加速失效。
3. 高温重油泵机械密封改造实施情况
3.1 改造的必要性
API682中规定了机械密封的性能要求:(1)机械密封连续运行寿命不低于25000h(约为3年);(2)抑制密封在抑制密封腔的压力不高于压力开关设定的泄漏压力(表压≤0.07MPa)的条件下，连续运行寿命不低于25000h，在主密封失效时，至少连续运行8h;(3)按美国环保署方法21测量，所有密封泄漏量都应控制在1000mL/m3以内，或者满足用户当地颁布的更严标准，同时，密封连续运行寿命不低于25000h。
目前惠州石化延迟焦化装置大检修周期为4年，不论从标准或是现场实际泄漏情况来看，高温重油泵所使用的单端面机械密封和PLAN32+62的冲洗方案都不符合要求，必须进行改造。
3.2 改造内容
改造前后介质及介质参数均未发生变化，动静环、轴套、波纹管等主要部件材料没有太大变化，动环仍选择石墨材质，静环仍选择碳化硅材质。
按照API682中要求将所有单端面密封改为串联式双端面机械密封并选择合适的冲洗方案，冲洗方案选择PLAN32+53B。改造前后的冲洗方案对比如表2所示。
PLAN53B是API682第二版中新的冲洗方案，方案如图4所示。
(1)外部辅助系统为辅助密封腔提供密封液，即热导油;
(2)外部辅助系统中设置蓄能器给整个辅助系统提供压力;
(3)内部热导油的流动由泵效环(泵送环)来保持;
(4)循环的热导油带走机械密封端面产生的热量，并最终由辅助系统水冷器带走;
(5)设置压力显示及压力开关，用于监测密封的使用及泄漏情况。
PLAN53B通过改善高温重油泵机械密封的运行条件，设置PI、PS、TI监控密封的泄漏情况，达到延长机械密封使用寿命，监控泄漏量的安全目标，主要表现在:
(1)热导油能有效地带走密封端面产生的热量，并经由水冷器冷却后循环，持续改善密封端面运行温度，彻底隔绝外部空气，防止泄漏的介质在波纹管积聚氧化结焦;
(2)设置TI监控密封端面摩擦情况及热导油冷却效果;
(3)设置蓄能器使辅助系统带压，压力大于主密封腔压力，如果主密封端面泄漏，高温危险介质也不会外漏;
(4)设置PI监控密封端面泄漏情况，当密封泄漏超标时，PS压力开关会向布式控制系统(DCS)报警，提示尽快处理故障。
3.3 改造注意事项
(1) 机械密封尺寸的设计
由于是改造项目，需要充分考虑改造后的机械密封尺寸，机械密封生产商应选用尽量紧凑的设计尺寸。由于受到待改造机泵机械密封端盖到轴承箱的距离限制，而且改造后的双端面机械密封一般都比原机械密封轴向尺寸要大，所以轴向尺寸要核对准确。如果需要，可以考虑PLAN32冲洗液入口重新开在泵大盖上，进而减小改造后双端面机械密封的轴向尺寸。
(2) 泵密封腔的尺寸
一般来说，原厂图纸中主密封腔的尺寸都没有标全，而改造前泵可能都在运行，没法进行测量。如果光靠图纸提供的尺寸有可能导致新机械密封安装不上，最好的办法是利用检修期间实测核对尺寸。
(3) 轴套密封点的设置
如前面所述，延迟焦化高温重油泵介质易结焦。建议在轴套近介质侧设置一个静密封点，防止介质进入轴套结焦后机械密封拆卸困难。
3.4 改造后操作要点
(1) PLAN32冲洗液的要求
PLAN32冲洗液隔绝了泵送介质中颗粒物进入密封端面，并且保持着密封端面液膜的稳定。
因此操作时要注意检查PLAN32的过滤器是否堵塞、注入管路是否通畅，以及保持冲洗液注入压力大于密封腔压力0.05—0.1MPa。
(2) PLAN53B辅助系统的投用顺序
为了确保PLAN53B系统充分发挥作用，必须正确地进行投用。每一次投用都必须保证冷却水管线和热导油管线排净气体，防止发生气阻现象，尤其是工作压力较高的热导油管线。
投用注意事项如下:
a.投用循环水流程时，注意打开水冷器的上下排空堵头，排干净空气后再打开循环水回水阀。
b.投用隔离液流程时，首先确认蓄能器已充压至规定压力;其次加注热导油至系统带压后，要再次打开油系统排空阀将空气排净，并且边排气边盘车;加注热导油完毕后，要关闭手动注油泵手阀(防止单向阀不严热导油倒窜)。
(3) PLAN53B的操作要求
工作压力是PLAN53B操作的重要指标。通过现场PI定期检查工作压力是否下降。当工作压力降低至最小值或低压报警时要重新补压，下降趋势过快或低于蓄能器压力时则需维修机械密封。内操要关注PS压力开关的报警，出现报警要立刻到现场检查确认。
另外，还需要定期通过II检查现场水冷却器出口温是否达标，从而判断水冷器的工作情况。
4. 改造效果
延迟焦化高温重油泵机械密封经过改造后，机械密封泄漏维修率大幅度降低，无其他故障的情况下可满足连续运行3年以上的要求。相比改造前的机械密封，改造后的机械密封不仅运行更加可靠，还包含PI、Ps、TI等多种监控手段，全方位监控高温重油泵机械密封的运行情况，可谓真正达到了设备本质安全的要求，值得推广。
目前，高温重油泵的双封改造工作已经推广到全公司的其他生产装置，成为保证全厂安全平稳长周期生产的有效办法。
参考文献
1.孙艳明.延迟焦化焦粉夹带的原因及应对措施[J].安全、健康和环境，2014(10):4—7.
出处《石油化工技术与经济》 2018年第4期
