聚酯装置导生循环泵机械密封系统的改造

导生循环泵是聚酯(PET)装置供热系统的关键设备，我公司原为3台进口KSB泵。泵运行参数：流量1 050 m3/h，扬程73 m，温度331 ℃，出口压力9.63 kg/cm2，转速1 485 r/min，介质导生(联苯和联苯醚混合物)。

在投入运行后机械密封频繁泄漏，最短使用周期仅仅1周时间，导生循环泵频繁检修，影响装置的正常生产，增加检修成本，导致导生的浪费，存在环境及安全隐患。为消除隐患，对该类泵的机械密封系统进行分析并提出了改造措施，改造后机械密封运行周期得到了延长，确保了装置的平稳、可靠、长周期运行。

1 机械密封系统失效原因分析

1.1 机械密封系统介绍

我公司导生循环泵采用串联双端面波纹管式机械密封，型号为770(AQ2GFG/AQ2T3FG)，结构见图1。该机械密封静环材质为碳化硅(SiC)，动环材质为浸锑石墨，动环辅助密封圈材质为柔性石墨，其余材料为不锈钢。

图1 波纹管集装式机械密封结构示意图
1. 金属波纹管动环组件(大气侧)；2. 静环；5. 带散热片的壳体；7. 导流套；10. 金属波纹管动环组件(介质侧)；11. 泵环

由于金属波纹管机械密封具有浮动、追随性好，补偿、缓冲性强的双重特点；金属波纹管与动环可一起随轴旋转，而不必考虑旋转方向。经合理选材，特别适合于高温、高压、高真空、低温、强腐蚀介质的密封。

根据API682的要求，无论是无压还是有压，串联机械密封应设计成当主密封(介质侧)失效后，密封腔介质窜入阻隔液系统，安全密封(大气侧)可有效地阻止高温流体向大气中泄漏，且能在短时间内起到主密封的作用；此外安全密封失效后，主密封也不应立即损坏，两级密封是完全互相备用的关系。

机械密封辅助系统：主密封采用空气自然冷却，无冷却冲洗；大气侧安全密封冲洗方案：PLAN52，密封冲洗液为导生。

PLAN52(带无压储液罐的串联式密封)方案：外部储液罐为大气侧密封提供阻隔液，正常操作时，由内部泵送环保持循环，储液罐连续排放蒸汽至蒸汽回收系统，并保持比密封腔压力低。密封阻隔液经冷却后温度较低，能及时带走摩擦热，同时冲走密封腔内的杂质及结焦物，保证密封腔洁净并冷却、润滑摩擦副。

1.2 机械密封使用情况

机械密封在运行一段时间后，会出现尖锐的摩擦声，判断摩擦副发生干摩擦。

导生循环泵的机械密封辅助系统的阻隔液罐顶部装有压力指示表、中部装有液位玻璃视镜。在该泵运行时，通过玻璃视镜可以看到连续的气泡，压力表的指示有压力存在。由此可推断主密封已失效。不久出现机械密封滴漏现象，严重时会呈烟雾状泄漏，判断安全密封失效。

通过对失效机械密封的解体检查，发现固定在机械密封波纹管上的泵送环沟槽和表面积满碳化物(鉴于存在碳化物微粒，将动环材质改为WC硬质合金)，机械密封波纹管被碳化物卡住，动静环摩擦副表面有较深磨痕和径向热裂纹，同时动静环摩擦副脱离接触，导致机械密封失效泄漏(见图2)。清理冲洗液循环管路时发现管道内壁有碳化物积聚。

故障出现时间无规律，时间有长有短，多则几周少则一周。

图2 机械密封组件碳化物堆积

1.3 机械密封失效原因分析

对以上现象进行分析，原因如下：

1) 主密封冷却设计有问题

原设计采用自然风冷却，在实际运行过程中根本不起作用。主密封摩擦副在摩擦热和搅拌热的共同作用下温度升高，使导生逐渐碳化成微小颗粒，因无冷却冲洗，碳化物在密封腔内积聚，并吸附在波纹管的缝隙中，导致其波纹管不能进行轴向拉伸压缩而失去弹性。这样，波纹管就无法提供随介质压力变化的轴向作用力，且不起补偿作用，使端面液膜压力减小，液膜闪蒸汽化。密封端面在被液膜汽化压力推开后，动环不能恢复与静环的接触状态，保持开启，大量液体经密封端面泄漏，主密封失效。

2) 阻隔液储罐冷却能力不足

原设计阻隔液储罐容积12 L，内置盘管冷却，由于主密封没有冷却冲洗，阻隔液需同时冷却主密封和安全密封。在实际运行中发现阻隔液储罐表面温度接近80 ℃，有时会超过100 ℃。此时阻隔液流通管线在泵接口处已积碳堵死，阻隔液不再流通。这种情况，一旦启泵运行，即破坏密封摩擦副液膜，导致机械密封泄漏。

要求阻隔液温度≤60 ℃，储液罐内阻隔液实际温度与要求值相差较大。

3) 安全密封腔泵送环设计能力不足

由于泵的转速偏低(尤其对于转速低于1 000 r/min的泵情况更严重)，泵送环不能提供足够的循环压力(泵送环产生高于密封腔0.1～0.2 MPa的压力)，并且输送阻隔液流量不足，不能充分带走运转过程中产生的热量和导生碳化产生的微粒。随着密封腔热量积聚，摩擦副密封端面温度升高，润滑膜闪蒸而造成密封端面干摩擦，从而加剧磨损，同时致使温度进一步升高，最终导致导生碳化。

4) 循环冷却水积垢

原设计采用循环水冷却，循环水在80 ℃时已经开始积垢，同时循环水采用碳钢管，存在水锈积聚，导致换热效果进一步下降，半年后拆洗时，发现冷却水管已堵死不通。

2 机械密封冲洗系统改造方案

通过以上分析，导生循环泵机械密封泄漏频繁、使用寿命短的原因是机械密封在运行过程中，会产生一定的摩擦热和搅拌热，摩擦热集中在密封端面，热量不能被及时带走，使密封端面温度升高，当达到介质汽化温度时，发生汽化，液膜破坏，形成干摩擦加剧端面磨损，导致密封失效。

解决故障的关键在于增大冲洗液流通压力和降低冲洗液温度。

对于高温油泵机械密封，API682中推荐冲洗方案为P32+53A、P32+53B、P32+54和P32+52方案；对于不允许采用外冲洗(P32)的高温泵，可采用P21方案或P23方案替代P32方案；采用P23方案，应考虑强制循环装置(如泵送环)对密封介质的泵送能力。通过对以上故障原因分析，由于泵转速较低，泵送环不足以产生需要的循环压力，且受密封腔尺寸限制，外冲洗(P32)和P23方案不适合，故选择P21+P54方案。

2.1 改造方案

1) 主密封增加PLAN 21密封冲洗方案

鉴于原设计主密封采用的是空气自然冷却，运行中未发挥冷却效果。为主密封增加一套冲洗方案，采用PLAN 21密封冲洗方案。

冲洗方案PLAN 21对密封提供了一种带有冷却器的冲洗方案。再循环液由泵的出口引出，经由一个流量控制孔口(通常为孔板)和冷却器，经冷却器冷却后，然后进入主密封腔内，对主密封进行冲洗和冷却。

按照美国石油学会标准API682《离心泵及回转泵轴封系统》的要求，对于用于温度≥80 ℃的工况,机械密封必须采取冷却降温措施，以维持密封端面压力使之高于介质的汽化压力。故温度控制在(70±5) ℃。

冲洗方案PLAN 21的优点是能提供具有足够压差与流量的、经冷却的冲洗液；降低密封腔的温度，提高冲洗液的汽化温度裕量、克服辅助密封件的温度限制、减少焦化或聚合、提高润滑性。为机械密封提供适宜的运行环境，防止机械密封部件高温变形或失效，从而达到提高密封效果和延长使用寿命的目的。

2) 安全密封改用PLAN 54冲洗方案(自制密封油站)

鉴于离心泵密封腔的实际情况，无法再通过增加泵送环长度来提高泵送压力。我们将安全密封辅助系统由PLAN 52改为PLAN 54(采用外引密封液)方案。

PLAN 54方案：外设加压隔离液储罐或系统提供清洁的液体给密封腔，循环用外部泵或压力系统来完成，储液罐压力大于被密封的工艺介质压力。

我公司共有3台KSB导生循环泵，统一考虑，为3台导生循环泵增设一套PLAN 54辅助系统—密封油站。为此增加外置储液罐，为安全密封提供阻隔冲洗液，增设外置循环油泵，提供冲洗液的循环动力；同时增大内置冷却盘管换热面积，降低阻隔液温度。

辅助系统包括：1只储罐，2台外置齿轮油泵(可以在线切换，同时增设USP电源，防止突然断电)、内置式冷却盘管、压力表、温度表、压力变送器(低液位报警、高液位报警)等，增设齿轮油泵停泵报警。要求系统主要零部件均采用SS316材料制作。

密封油站设计首先应计算冲洗冷却流量，根据冲洗流量来确定油箱容积，油箱容积一般为流量数值的8～10倍，容积允许尽量做大些，我公司自制储油箱规格φ600 mm×1 200 mm，填充系数0.5，操作容积160 L，内置冷却盘管，冷却面积增至原始冷却面积5倍。

阻隔冲洗液经油泵增压后，送至各个高温油泵机械密封，系统的供液压力通过自力式调节阀(PCV1)调节，回油压力通过自力式调节阀(PCV2)保证；进入每个密封腔的密封油压力通过支路手阀进行调节，流程示意图见图3。

图3 密封油站流程示意
PI. 压力计；TI. 温度计；LI. 液位计；PCV1、2. 调节阀

通常密封油压力至少比最高吸入压力下的泵密封腔内压力高0.2 MPa。这种方案的优势在于，阻隔液循环量较大，温度降低，密封运行环境得到进一步改善。但密封油系统造价较高，对于单台高温油泵来说性价比不高，可适用于高温油泵群的密封阻隔液集中供给。

3) 扩大冲洗通道

将安全密封冲洗通道孔径由原φ5 mm扩大至φ8 mm，主密封密封腔开φ8 mm冲洗孔。一方面改用外置循环装置后冲洗液流量加大，增大冲洗通道孔径可以避免流速增加对摩擦副端面的侵蚀磨损；另一方面可使冲洗液流动更畅通，避免碳化物微粒粘结堵塞通道，及时带走摩擦热，防止端面过热，保证机械密封长期、稳定运行。

4) 冷却器改用脱盐水冷却

原冷却器由循环水冷却，由于温度高，会有水垢析出，影响冷却效果。现改为脱盐水冷却，同时所有流通管改由SS316材料制作。改造后，经冷却器冷却后的冲洗液温度稳定在40 ℃。

通过以上改造后，3台KSB导生循环泵密封辅助系统装置为：P21+P54(自制)。

2.2 密封冲洗冷却相关计算

双端面机械密封要正常运行，必须使密封内部达到热平衡，保持密封腔体在最低温度水平，才能使密封端面液膜稳定。机械密封热源包括热传导、搅拌热、密封端面摩擦热、外冲洗热等，降温导热措施为PLAN 21冲洗、密封法兰空冷散热及PLAN 54外循环系统导热等。

改造前后密封冲洗方案对照见图4。

(a) 改造前密封冲洗方案P52

(b) 改造后密封冲洗方案P21+P54

图4 改造前后密封冲洗方案对照

F. 冲洗；LBI. 缓冲液入口；LBO. 缓冲液出口；V. 排气口(可选)；3. 放空口;6. 储液罐

2.2.1 密封端面摩擦热计算

密封轴向推力及功耗计算结果见表1，计算过程依据文献[1]。

表1 密封轴向推力及功耗

2.2.2 主密封腔体热量计算

PLAN 21方案采用冷却器对密封提供冷却冲洗，因而可以提高密封腔的饱和蒸汽压力裕量，满足辅助密封元件的温度限制要求，减少流体结焦和积聚的可能性，尤其对于主密封侧。

计算时预设P21降温△Ths为20 ℃(68 ℉)，计算热传导功率[1]。

Phs =(U×A)×Db×△Ths

=0.000 25×85×20

=0.425(kW)

2.2.3 主密封腔体冲洗流量计算

(1)

Q为密封端面产生的热量，为0.425 kW；冲洗液注入温度40 ℃，冲洗液温升△Tinj为20 ℃；查导生生产厂家技术资料：ρ为密封液(导热油)在331 ℃时的比重，约为0.8；Cp为泵在331 ℃时的导热油的比热，查表Cp=2 373 J/(kg·K)。

代入公式1得q1=0.67 L/min

上式计算的最小冲洗液流量，为保证密封端面导走摩擦热及液膜的稳定，故其冲洗流量至少要采用n=2的设计安全系数。则需冲洗流量为1.72 L/min。

2.2.4 安全密封所需冲洗流量

泵体温度为331 ℃，要求的密封腔温度为70 ℃，则温降△Ths=331-70=261，带入Phs=(U×A)×Db×△Ths，计算热传导功率为5.55 kW。

对于高温密封，计算时设定阻隔液注入温度为40 ℃，温升为30 ℃，最后乘以安全系数2，保证密封端面导走摩擦热及液膜的稳定。

PLAN 54所需基本密封液循环流量q2根据式1，Q为P+Phs=0.25+5.55=5.8 kW；△Tinj为30 ℃，331 ℃时的导生比重0.8、比热Cp=2 373 J/(kg·K)。代入公式1得q2=6.11 L/min。

考虑引入安全系数2，则需冷却流量为12.22 L/min。

3 改造效果

2011年实施机械密封辅助冷却系统的改造，控制阻隔冲洗液循环流量为(12±1) L/min，降低了机械密封阻隔冲洗液的温度(回流温度约50～55 ℃)，改善了机械密封运行环境，导生循环泵稳定运行3年以上，达到API682对机械密封使用寿命要求。

可靠的机械密封辅助冷却系统是机械密封长周期、稳定、可靠运行的重要保证。API 682强调当转速≤1 800 r/min要仔细选择内部循环装置。实践也证明转速低(≤1 500 r/min，4级异步电机)时，应用在高温、危险介质循环泵上的内置泵送环使用效果不佳。对于多台热油泵组最佳方案是共用一套外置循环装置。PLAN 54密封冲洗方案及密封油站的配套应用，对解决聚酯装置高温油泵群机械密封冲洗冷却问题是一个经济、可靠的选择，值得推广。