低温乙烯泵泵用干气密封改进设计

刘阳 黄海鹏

摘要：延安能源化工有限责任公司轻油加工装置是目前国内首套轻油催化裂化制乙烯、丙烯装置。其采用催化裂化流化床反应技术生产乙烯、丙烯等高附加值产品，改变了过去高温蒸汽裂解工艺路线，降低了能耗和CO2排放。其中，冷分单元低温乙烯泵工况条件苛刻，工程过程中改进优化的密封能够适用并能够满足API运行要求。

关键词：轻油加工装置;冷分单元;低温乙烯泵;密封

背景：延安能源化工有限责任公司轻油加工装置采用美国KBR公司工艺包，由北京石油化工工程有限公司设计总包。作为该工艺包国际首套成功商业化运行装置，其工艺难度复杂，运行操作难度极大。其中，该装置冷分单元的低温乙烯泵（位号：P544A/B），是目前国内已知密封同类介质中，工况条件最为苛刻的。该泵为大连深蓝泵业制造有限公司设计制造的立式筒带泵，泵用密封由四川日机密封件股份有限公司（2019年12月改为中密控股股份有限公司）设计制造。作为关键设备，低温乙烯泵运行状态的好坏，将直接影响冷分单元乃至整个轻油加工装置安全平稳运行，其中，密封设计成为低温乙烯泵设计的重点。从2018年下半年试车至2019年上半年，该泵用密封多次出现大漏，给现场操作及装置安全稳定运行带来极大挑战，2019年3月，四川日机密封件股份有限公司对密封改型后，目前已连续平稳运行超过1年。

一、泵用密封初始设计方案

设计输入——介质：C2乙烯;运行温度：零下40摄氏度;入口压力：0.41兆帕;出口压力：1.216兆帕;轴径：65毫米;转速：2950转每分钟。密封初始设计方案：

乙烯作为易挥发介质，且在如此低温、低压力状态下，如何保证乙烯作为液态、如何选择耐低温的密封材质将是设计的重点。

（1）密封基本结构形式采用机械密封+干气密封串联的结构形式，冲洗方案采用14+72+76;

（2）一级密封选用载荷系数较大（载荷系数达0.75）的窄端面配对结构形式，以此降低密封端面的摩擦热，增加散热效果[1]，尽可能的保证密封介质的物理状态为液相;

（3）一级密封动环材质选用物理性质更佳的浸金属石墨（浸金属石墨弹性模量E更大，更适用润滑性能较差的轻烃介质[2]），一级密封静环材质选用SIC。石墨+SIC配对，能够让动静环密封端面更好的形成“液膜”，能够更好的润滑密封断面，减小摩擦，从而减少摩擦热增加寿命;

（4）二级密封采用刻槽的干气密封结构形式，该结构密封端面通过形成“气膜”，从而较少密封端面摩擦，增加寿命;

（5）一级密封动环密封圈选用耐低温的C形圈（316弹簧+PTFE），一级密封静环密封圈选用耐低温的氢化丁腈橡胶，二级密封圈选用耐低温的氢化丁腈橡胶，轴套O圈选用耐低温的氢化丁腈橡胶。

二、初始设计密封的工程使用状况

2018年12月至2019年03月，现场试车、开车阶段，冷泵、运行状态下，该低温乙烯泵密封多次出现泄漏，主要表现在：

（1）火炬管线泄漏压力值正常，数值为0.02MPa，火炬管线未结冰。介质从密封轴套和轴之间泄漏至大气环境，低温乙烯在大气环境中迅速气化并带有强烈的刺激性气味;

（2）一级密封泄漏，泄漏的介质通过火炬管线排放、燃烧，一级密封泄漏的低温介质导致火炬管线结冰，火炬管线压力表压力值超标甚至超过压力表量程;

（3）一级密封泄漏一段时间后（火炬管线结冰，火炬管线压力表压力值超标），二级密封泄漏，导致介质通过二级密封泄漏至大气环境，低温乙烯在大气环境中迅速气化并带有强烈的刺激性气味;

（4）密封运行不稳定，现场发生泄漏后，几个小时后泄漏量转小至标准要求范围内，但一段时间后，密封又发生泄漏。

三、初始设计密封泄漏原因分析

该泵作为轻油加工装置工艺线上的关键设备，且乙烯作为危险介质。现场是不允许密封频繁泄漏而导致频繁的停泵、切泵，更不允许因此而导致整个装置的停车，密封的改进设计需要对密封的泄漏原因全面进行分析.

通过详细检查现场实际工况后，发现实际工况与设计参数稍有误差。实际工况——介质：C2乙烯;运行温度：-58摄氏度;极限运行温度：-70多摄氏度;入口压力：0.35兆帕;出口压力：1.216兆帕，轴径：65毫米，转速：2950r/min。

（1）-58摄氏度超过氢化丁腈橡胶-40摄氏度的耐温极限，该实际低温状态下，导致氢化丁腈橡胶硬化，密封效果不稳定、变差;

（2）入口压力0.35MPa，入口压力比较低。由于乙烯的饱和蒸气压很低，容易气化，再加上密封运行产生的摩擦热，该低泵腔压力下，导致乙烯有可能是气液两相的状态[3]，气相乙烯增大了密封难度;

（3）一级动环密封圈C形圈设计为316材质弹簧+较厚的PTFE，低温情况下，316材质弹簧的弹性特性变差。弹性特性变差的弹簧和低密封腔压力，无法完全撑开较厚PTFE的C形圈，从而导致原始的C形圈密封性变差;

（4）现场调取工艺曲线发现，压力、温度等工艺参数并不十分稳定。工况条件的不稳定，增加了密封难度和密封运行稳定性变差;

（5）现场操作灌泵时间过短，排气不充分，导致起泵后泵腔中存在气体，从而导致密封难度加大。

四、密封改进设计方案

针对密封泄漏原因的分析，对密封进行了针对性优化：

（1）由于氢化丁腈橡胶耐温极限为零下40摄氏度，将直接接触介质的轴套密封圈改为更耐低温的C形圈;

（2）将轴套C形圈和一级动环C形圈优化设计，将316材质弹簧+较厚PTFE的普通C形圈改為游丝合金材质弹簧+较薄PTFE的特殊C形圈。游丝合金更耐低温，且低温下弹性特性更佳，弹性特性更佳的弹簧和变薄的PTFE变薄保证低密封腔压力下C形圈能够完全撑开，从而增加密封性能;

（3）一级密封冲洗孔往下移动，防止冲洗孔冷却、润滑介质对着一级密封面冲洗，以此增加“液膜”的形成。并在冲洗孔增加补液环，使冲洗更加均匀，散热效果更加;

（4）内压盖处焊接节流环，使动环座和压盖间隙变小，从而增加密封腔压力、介质液相稳定性 ;

（5）一级动环改为材质更佳的石墨，增强自润滑性，从而增加“液膜”形成的能力;

（6）现场冷泵时间更长、排气的充分性，冷泵阶段多次重新拧紧螺栓，从而排除误操作导致的密封泄漏。

5密封改进后使用效果

密封改进设计后，2019年3月安装于现场乙烯泵并顺利起泵运行。该乙烯泵运行至今已超过一年，现场使用状况良好，未出现密封泄漏状况。

六、结论

（1）改进后的密封在实际工况下能够良好运行;

（2）针对温度低、压力低的轻烃介质，密封设计可借鉴该工程方案。

参考文献：

[1]  顾永泉.机械密封实用技术.机械工业出版社，2001.7.

[2]  顾永泉.机械密封实用技术.机械工业出版社，2001.7.

[3]  美国石油学会使用手册.