干气密封在乙烯、丙烯轻烃泵上的应用

摘  要：目前石化行业输送乙烯、丙烯等轻烃类介质的泵，密封形式大多采用双端面机械密封。机械密封运行受介质、操作温度及操作压力影响较大。行业中轻烃泵机械密封容易泄漏，维修量大，维修费用高。干气密封是一种非接触式密封，具有密封性能可靠、功耗小及维修量小等优点。本文就干气密封在轻烃泵上的应用，简要叙述了干气密封的基本原理及相关常识，详细介绍了轻烃泵的干气密封改造方案。对改造效果进行了评价及效益分析，为同类泵的干气密封改造提供了经验。

关键词：干气密封，轻烃泵，应用

中国石油天然气股份有限辽阳石化公司烯烃厂轻烃罐区有四台轻烃泵，泵送介质分别为乙烯和丙烯。2007年投用后，泵的密封经常发生泄漏，大约每2至3个月更换一次机械密封，最短一次更换时间为7天。密封的频繁更换给正常生产造成了威胁，同时增加了检修次数，消耗了大量备件，增大了安全平稳生产的不确定因素。2008年，我们根据干气密封的工作原理，结合装置实际生产情况，对轻烃泵进行了干气密封改造。首先在丙烯泵上进行了干气密封改造，获得了成功。2010年推广到乙烯泵上，对乙烯泵也进行了干气密封改造，同样取得了良好的效果。经5年多的考核，乙烯泵、丙烯泵干气密封连续运行均超过了36个月，机泵各项运行参数正常，达到了预期效果，改造获得了成功。下面就干气密封在我单位乙烯、丙烯泵上的应用，谈谈笔者的粗浅看法。

一、 现场工况简介

1. 轻烃泵基本参数：

表1 轻烃泵基本参数表

1. 现场公用工程条件：

低压氮气：压力0.6MPa；高压氮气：压力5MPa ；  排放管线：火炬管网

冷却水：压力0.56MPa ；温度20-31℃（设计）

一、 干气密封简介

干气密封是一种新型的非接触式轴封，用于密封旋转机器中的气体或液体介质。与其它密封相比，干气密封具有泄漏量少，磨损小，寿命长，能耗低，操作简单可靠，维护量低及被密封的流体不易受到污染等特点。因此，在离心式压缩机应用领域，干气密封正逐渐替代浮环密封、迷宫密封和机械密封。近几年来，干气密封的应用逐渐扩大到泵类等旋转设备上，干气密封使用的可靠性和经济性已经被许多工程应用实例所证实。干气密封从外形结构上与机械密封相同，同样由动环 、静环 、弹簧 、密封圈以及弹簧座等组成。密封环（可以是动环，也可以是静环）的密封面经过研磨、抛光，并在其上面加工流体动压槽。干气密封非接触、无磨损的运行操作是靠稳定的气膜来保证的，稳定的气膜是由密封堰的节流效应和所开动压槽的泵送效应得到的。气体介质通过密封间隙时靠节流和阻塞的作用而被减压，从而实现气体介质的密封，几微米的密封间隙保证气体的泄漏极小。　　干气密封与普通机械密封的区别在于，干气密封动环（或静环，一般开在动环上）端面开有动压槽，动压槽深度仅有几微米。动、静环作相对旋转运动时，密封气体被吸入动压槽内，由于密封堰的节流作用，进入密封面的气体被压缩，压力升高。在该气体膜压作用下，密封面被推开，与气体静压力、弹簧力形成的闭合力达到平衡。此时，流动的气体在两个密封面间形成一层很薄的气膜，（通过大量的理论研究与实践证明，此气膜厚度一般在3微米左右），气膜厚度十分稳定，并具有良好的气膜刚度，保证密封运转稳定可靠。

二、 轻烃泵干气密封改造方案

1. 干气密封改造设计原则及选型依据

依据轻烃泵的实际工艺条件和现场公用工程条件，通过对轻烃罐区轻烃泵的结构特点及工艺条件分析，结合现场的密封气源的情况，为保证密封在任何时候介质也不向环境泄漏，提高装置的安全系数，决定采用集装串联式干气密封结构，密封气选用管网低压氮气。干气密封的改造不影响原密封安装尺寸的通用性，不改变原设备的结构和尺寸。

2．干气密封技术方案

2.1 串联式干气密封结构（见图1）

2.1.1 干气密封与接触式机械密封串联使用，机械密封为主密封，干气密封为二级密封；

2.1.2 主密封采用自冲洗，冲洗管线采用原机械密封的冲洗管线。

2.1.3 干气密封与主密封间通入氮气，压力为0.5MPa。保证主密封具有一定背压，减小主密封端面介质液膜汽化程度，极大地延长主密封的使用寿命；同时氮气也起到隔离介质和大气的作用，保证整个泵的安全运行；

2.1.4 主密封微量泄漏出的工艺介质在干气密封腔经过收集，随密封氮气排入火炬管网，工艺介质不向大气泄漏；

2.1.5 干气密封摩擦副组对为：SiC--碳石墨。主密封摩擦副组对为：SiC--碳石墨。干气密封和主密封的辅助密封圈均采用氟橡胶（丙烯泵）/丁腈橡胶（乙烯泵）；干气密封动压槽加工在SiC上，该材料具有表面硬度高、耐磨性能好、热传导系数大、比重小等优点，是目前最好的摩擦副材料之一。碳石墨材料具有强度高、自润滑性好、耐高低温等特点，这一特点保证密封在低转速下反向盘车也不会被损坏。

1.2 干气密封控制系统流程（见图2）及说明：

干气密封控制系统是干气密封的重要组成部分，它主要由密封气过滤单元和密封气泄漏监测单元组成。控制系统为干气密封长周期稳定可靠运行提供保障。此系统为一套干气密封对应一个集装式控制系统，主要流程如下：

控制系统的进气单元流程：

2.2.1 外部管网氮气进入控制系统

2.2.2 首先经过截止阀（控制管网氮气进入系统）。

2.2.3 经过过滤器（精度为2×10^-6m，为干气密封提供干净的气体）。

2.2.4 经过减压阀（即压力调节阀），减压到所需0.5 MPa，为干气密封提供稳定的密封气；

2.2.5 再经过一个单向阀（防止主密封失效后，介质反窜到氮气管网里。

2.2.6 进入干气密封和主密封形成的密封腔（形成一个带压的干气密封腔，为主密封提高背压，延长密封的使用寿命）。

控制系统的监测单元流程：

2.2.7 微量的工艺介质和氮气流出干气密封和主密封形成的密封腔；

2.2.8 经过截止阀(防止主密封失效后工艺介质大量泄漏)；

2.2.9 经过压力表（可以从现场监测主密封和辅助密封的使用情况）；

2.2.10 经过节流孔板（起节流气体作用，使密封腔能建立所需的0.5MPa的压力，同时也是对氮气的耗量进行控制）。当主密封泄漏过大时，由于节流孔板的作用，密封腔压力上升，泄漏管线上的压力表指示上升,当超过一定值时(+0.3MPa),表明主密封失效。当干气密封泄漏过大时，由于气体从密封端面泄漏，通过节流孔板的气体流量下降，泄漏管线上的压力表指示下降，当超过一定值(-0.3MPa)时，表明干气密封失效。

2.2.11 经过一个单向阀（防止火炬管网气反窜）。

2.2.12 最后经过截止阀，把氮气和主密封泄漏出来的介质排向火炬管网。

干气密封控制系统中的所有部件集装在控制面板上，现场只需将氮气管线、低压管线接口（1/2英寸内螺纹）引到控制系统面板前即可。

2.3 干气密封性能指标

2.3.1 干气密封氮气消耗：小于0.4标准立方米/小时。

2.3.2 干气密封设计使用寿命：36个月。    

一、 改造后效果

1. 设备维护方面

轻烃泵改造设计干气密封使用寿命36个月，实际运行大于36个月，完全达到了改造要求。此外，干气密封的密封气采用管网氮气，密封为集装式密封，日常使用过程中不需要任何维护；同时，干气密封寿命长，安装简单，减少了维修的工作量。在节省备件费用的同时，也减少了维修密封时介质的排空损耗。可以说，改造后轻烃泵提高了运行周期，为装置的长周期平稳运行提供了保证。

2. 安全、环保方面

干气密封采用二级串联，可以保证在主密封失效时介质不会直接泄漏到环境中，同时干气密封可以采用高压报警来监测主密封，提前发现密封泄漏，提高整个装置的安全性。同时,主密封正常微量泄漏的工艺介质可以经过干气密封腔收集排往火炬管网，装置的环保也得到提高。

3. 效益方面分析

3.1 92P01AB-SX乙烯泵(轴径55×10^-3m,轴功率42kW，按一年计算)经济效益情况分析见    表2。

表2 乙烯泵经济效益分析表

3.2  92P03AB-SX丙烯泵(轴径55×10^-3m,轴功率15 kW，按一年计算)经济效益情况分析见表3。

表3 丙烯泵经济效益分析表

经过上述对比分析，轻烃泵采用干气密封经济效益十分明显。更为重要的是，干气密封比机械密封安全性能更高，环保性能更好。干气密封在安全、环保方面间接创造的生产效益、社会效益更为突出，这也是干气密封改造的最大成果。

二、 结语：

干气密封在我单位轻烃泵上的应用获得了成功，笔者认为干气密封很适用于轻烃类（介质较干净）泵的应用，它是此类泵将来密封技术应用的发展方向。就干气密封的使用问题，笔者谈几点粗浅的看法：

5.1  干气密封是近些年才广泛应用的密封，以往都是应用在大型离心式压缩机组上，人们对其不是很了解，有一定的神秘感。我们应通过学习和应用，把它的原理、应用范围弄懂弄通，使其更好地为实际所用。

5.2  干气密封是非接触式密封，其特点是使用寿命长，可以实现零泄漏，可以消除因为密封泄漏带来的安全生产隐患，减少物料的损失，大大改善维修工人的劳动强度，减少接触危险性化学物质次数，改善生产现场的空气环境，体现了经济、节能、环保的社会效益。同时，主密封失效后，干气密封的二级密封短时间内可以起到备用密封作用，防止工艺介质向大气大量泄漏，为泵安全停修提供时间，对于输送危险介质的泵来说，在一定程度上，有安全保护作用。

5.3 应用干气密封总体上可以降低泵的运行成本。

5.4 干气密封的应用有一定的条件限制，它对设备的转速、介质的参数及现场的公用工程条件有一定的要求，应用时要选择有经验的制造商进行设计。