發(fā)表時間： 2026-07-10 17:09:33
作者： 石油化工設(shè)備維護與檢修網(wǎng)
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摘 要： 乙二醇裝置環(huán)氧乙烷介質(zhì)泵屬于高危介質(zhì)泵,其機械密封泄漏可能造成著火爆炸、人員傷亡、環(huán)境污染等事故。文章通過分析環(huán)氧乙烷介質(zhì)泵機械密封存在的問題和安全隱患,對泵機械密封的結(jié)構(gòu)、沖洗方案、密封圈材質(zhì)進行了改造,消除了隱患,提高了泵的安全可靠性。
關(guān)鍵詞： 環(huán)氧乙烷 密封圈 機械密封 沖洗方案 改造
機械密封是石化行業(yè)旋轉(zhuǎn)機械主要的軸封形式,具有泄漏量少、使用壽命長及功率損失小等優(yōu)點。隨著企業(yè)對安全生產(chǎn)和環(huán)境保護的重視不斷提升,對機械密封的可靠性和安全性的要求也日趨嚴格。
環(huán)氧乙烷通常呈液態(tài),毒性危害程度為極度危害(Ⅰ級),易燃易爆,在空氣中的爆炸極限是3%～100%,具有非常高的危險性,出現(xiàn)泄漏就很有可能造成著火爆炸、人員傷亡、環(huán)境污染等事故。環(huán)氧乙烷沸點為10.7 ℃,揮發(fā)性特別強,一旦泄漏就很容易揮發(fā)。某乙二醇裝置有多臺輸送介質(zhì)為不同濃度的環(huán)氧乙烷溶液的泵,分別為汽提塔回流泵、再吸收塔釜泵、精制塔加料泵,這些高危介質(zhì)泵建成投用至今已有30余年,其在制造時的機械密封設(shè)計要求不高,因此在安全和環(huán)保方面存在很多問題。為了保證裝置的安全穩(wěn)定長周期生產(chǎn),有必要對這些泵機械密封存在的問題進行分析和處理。
1 機械密封存在的問題和隱患
文章主要對乙二醇裝置的汽提塔回流泵、再吸收塔釜泵、精制塔加料泵進行分析改造,這些泵的基本概況如表1所示。
表1 環(huán)氧乙烷介質(zhì)泵基本概況
1.1 機械密封結(jié)構(gòu)
表1中的6臺環(huán)氧乙烷介質(zhì)泵的機械密封都是單端面結(jié)構(gòu)型式,機械密封沖洗方案都是API PLAN31沖洗方案,常用于含有固體顆粒的介質(zhì)。沖洗液由泵的出口出來,經(jīng)過孔板到達旋液分離器,經(jīng)分離器分離后,清潔的沖洗液送入密封腔,固體顆粒物送回泵入口。
單端面機械密封是由一對摩擦副構(gòu)成的機械密封,密封結(jié)構(gòu)比較簡單,通常用于允許介質(zhì)有微量泄漏的情況,但環(huán)氧乙烷介質(zhì)的高危特性決定了其零泄漏的要求,因此需對這些泵的機械密封結(jié)構(gòu)進行改造。
1.2 密封圈
環(huán)氧乙烷溶液是一種對彈性體密封件具有強腐蝕性的化學物質(zhì),因此普通氟橡膠不適用于含環(huán)氧乙烷介質(zhì)的場合,需使用全氟醚橡膠[1]。全氟醚橡膠是全氟(甲基乙烯基)醚、全氟烯醚和四氟乙烯的三元共聚物[2],具有十分優(yōu)秀的彈性、化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性,其出色的耐化學腐蝕性和熱穩(wěn)定性歸功于全氟鏈中碳氟結(jié)合的強度。
該乙二醇裝置環(huán)氧乙烷介質(zhì)泵使用的密封圈材質(zhì)是杜邦公司生產(chǎn)的Kalrez 6375全氟醚橡膠。在使用過程中發(fā)現(xiàn),密封圈在環(huán)氧乙烷介質(zhì)中的抗化學腐蝕性與穩(wěn)定性明顯比普通氟橡膠密封圈好,但是使用時間長了也會出現(xiàn)溶脹、開裂現(xiàn)象,導致密封圈損壞,造成機械密封泄漏,存在一定的安全隱患。文章對一個在質(zhì)量分數(shù)為9%的環(huán)氧乙烷水溶液中,使用了6個月的Kalrez 6375全氟醚密型圈進行分析。
(1)密封圈宏觀形貌分析
密封圈左邊、頂部、右邊均出現(xiàn)了不同程度的外表面裂紋,裂紋的深淺和長度不一,有的較為細小,有的較為顯著。從截面看,裂紋不僅存在于密封圈的外表面,還深入到其內(nèi)部。
(2)密封圈掃描電子顯微鏡分析
用電子顯微鏡對該密封圈進行掃描,從掃描結(jié)果可以看出:密封圈表面變得很粗糙,表面和內(nèi)部都出現(xiàn)了裂紋。從表面裂痕和內(nèi)部裂紋來看,這些損害應該是由化學攻擊引起的,環(huán)氧乙烷溶液會攻擊該密封圈并使之變脆弱,產(chǎn)生較多的裂痕,最終導致密封圈破損。因此需要對密封圈材質(zhì)進行升級。
2 機械密封改造
2.1 機械密封結(jié)構(gòu)改造
(1)布置方式選擇。根據(jù)機械密封技術(shù)標準(API 682),機械密封的布置方式有單端面密封、無壓雙端面密封和加壓雙端面密封[3]。單端面密封在高危介質(zhì)中不適用,且環(huán)氧乙烷溶液容易發(fā)生聚合的特性決定了不能選用無壓雙端面密封,為了避免環(huán)氧乙烷泄漏到大氣中,需要選擇安全系數(shù)高的加壓型雙端面密封[4]。加壓雙端面密封對有毒有害、易燃易爆的高危介質(zhì)具有雙重保護作用,一旦介質(zhì)側(cè)密封失效,大氣側(cè)密封可短時間內(nèi)起到介質(zhì)側(cè)密封的作用,配合輔助系統(tǒng),機械密封的失效情況可以實時掌握,從而實現(xiàn)高危介質(zhì)的零泄漏。
(2)加壓雙端面密封形式選擇。接觸濕式加壓型雙端面密封的端面組合方式有3種:串聯(lián)式結(jié)構(gòu)(3CW-FB)、面對面結(jié)構(gòu)(3CW-FF)、背靠背結(jié)構(gòu)(3CW-BB)。面對面和背靠背的型式更緊湊,但串聯(lián)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點更突出:密封腔內(nèi)的雜質(zhì)會在離心力作用下向外甩出,對密封影響較小,且在隔離液壓力為零的情況下,密封還能像無壓雙端面機械密封那樣工作,增加了使用安全性。再結(jié)合現(xiàn)場泵腔結(jié)構(gòu)和介質(zhì)性質(zhì),選擇介質(zhì)側(cè)密封和大氣側(cè)密封串聯(lián)的雙端面結(jié)構(gòu)(3CW-FB)。
(3)密封類型選擇。根據(jù)API 682的規(guī)定,機械密封的密封類型共分3種:彈簧式機械密封(A型),帶O形圈的金屬波紋管機械密封(B型),帶柔性石墨的金屬波紋管機械密封(C型)。石化行業(yè)的泵大多采用A型,C型用于高溫介質(zhì)泵,B型和C型使用的波紋管價格較貴,A型和B型使用溫度低于176 ℃,而原密封的類型是A型。綜上,內(nèi)外側(cè)密封類型都選擇A型。
2.2 機械密封沖洗方案選擇
改造后的加壓雙端面密封介質(zhì)側(cè)密封的沖洗方案仍采用單端面密封的自沖洗方案PLAN31。根據(jù)API 682的規(guī)定,外側(cè)大氣側(cè)的沖洗方案可供選擇的有PLAN53A、PLAN53B、PLAN53C、PLAN54,下面對這些方案進行比較。
(1)PLAN53A的沖洗系統(tǒng)由儲液罐、連接管道、儲液罐液位、壓力報警儀表等組成。該方案通過外部氣源加壓隔離液儲罐,使隔離液壓力高于密封腔的壓力。當介質(zhì)側(cè)機械密封失效時,隔離液會壓入被輸送介質(zhì)中,可避免被輸送介質(zhì)向外泄漏。儲液罐是由惰性氣體加壓的,一般使用氮氣。泵運行時,隔離液不斷循環(huán)流動帶走密封端面摩擦產(chǎn)生的熱量;儲液罐內(nèi)置冷卻盤管,使用循環(huán)水冷卻隔離液;機械密封的性能主要通過儲罐內(nèi)隔離液的液位進行監(jiān)測。
(2)PLAN53B的沖洗系統(tǒng)主要由散熱器、蓄能器、管路、壓力和溫度指示等部分組成。該方案利用囊式蓄能器來保持隔離液的壓力,無需時刻補充氮氣或者其他外部壓力;密封的性能主要通過壓降監(jiān)測,內(nèi)外密封泄漏會使隔離液壓力下降。該方案適用于較高壓力場合,價格比PLAN53A方案高。
(3)PLAN53C采用活塞式蓄壓器對隔離液進行加壓,使隔離液的壓力高于密封腔壓力,隨著系統(tǒng)波動壓力也隨之發(fā)生變化。該方案多用于系統(tǒng)壓力波動較大的場合[5],價格高于PLAN53A和PLAN53B。
(4)在PLAN54方案中,來自外部的加壓隔離液系統(tǒng)為密封腔提供清潔隔離液,隔離液循環(huán)一般使用外部泵或壓力系統(tǒng)來完成,使隔離液的壓力高于密封腔壓力,介質(zhì)側(cè)密封一旦失效,隔離液就會壓注入泵送介質(zhì)中。該方案常用于溫度較高的流體或含有固體顆粒的場合,價格較高。
綜合考慮環(huán)氧乙烷特性、密封腔壓力、現(xiàn)場情況和價格等因素,選擇沖洗方案PLAN53A為改造后的機械密封外側(cè)沖洗方案。該方案使用比較方便,外部管路系統(tǒng)相對簡單,裝置現(xiàn)場有充足的中壓氮氣,適合作為該方案儲罐的加壓惰性氣體。該方案設(shè)有壓力、液位等報警指示儀表,如果密封發(fā)生泄漏可第一時間提醒。因此改造后的雙端面機械密封的沖洗方案選擇為PLAN31+53A。
2.3 密封輔助系統(tǒng)隔離液選擇
使用加壓雙端面密封,介質(zhì)側(cè)密封發(fā)生泄漏時,隔離液被壓注入泵送介質(zhì)中;大氣側(cè)機械密封發(fā)生泄漏時,隔離液會向外泄漏至大氣中。隔離液的選擇要考慮以下幾個條件:隔離液必須與環(huán)氧乙烷溶液具有相容性且不污染環(huán)氧乙烷溶液;隔離液與密封及輔助系統(tǒng)的金屬、橡膠密封圈和其他材料也具有相容性;低溫情況下不會凝固;具有潤滑性,且能將密封端面熱量帶走;長時間不氧化或變質(zhì);潔凈、毒性小,對人體健康無傷害;非易燃易爆物;容易得到,且價格相對便宜。
API 682規(guī)定,對于輸送水混合物的流體,可用乙二醇、丙二醇等作為隔離流體。乙二醇常溫下是無色無臭、透明的黏稠狀液體,其揮發(fā)性小,閃點高,毒性小,冬季不易凝固,能以任意比例與水混溶,也能以任意比例與環(huán)氧乙烷溶液混溶,不會污染環(huán)氧乙烷溶液。因此選擇乙二醇溶液作為環(huán)氧乙烷介質(zhì)泵的機械密封隔離液。
2.4 密封圈材質(zhì)改型
環(huán)氧乙烷溶液對彈性體密封件具有強腐蝕性,因此需要謹慎選擇密封圈材質(zhì)。目前使用的杜邦Kalrez 6375型密封圈經(jīng)長時間使用后情況不佳。對各種密封材質(zhì)進行比較和分析,最終將機械密封的密封圈材質(zhì)由Kalrez 6375改為Kalrez 6380。對兩種全氟醚橡膠圈進行實驗測試,Kalrez 6380型全氟醚密封圈在環(huán)氧乙烷與水質(zhì)量比為1∶9和4∶6的溶液中,體積膨脹和硬度變化比Kalrez 6375型全氟醚密封圈更低,耐環(huán)氧乙烷性能和穩(wěn)定性優(yōu)于Kalrez 6375型密封圈。因此選擇耐環(huán)氧乙烷溶液性能更好的Kalrez 6380型全氟醚橡膠密封圈。
2.5 安裝和使用注意事項
為了提高加壓雙端面機械密封的使用壽命和可靠性,在安裝和使用中需要做到以下幾點。
(1)機械密封輔助系統(tǒng)的輔液儲罐應豎直安裝在靠近泵的支架上,儲罐隔離液的標準液位應高于泵壓蓋中心線至少1 m,以適應流量、壓力的要求;應盡量減少與儲罐相連管道的長度和附件數(shù)量,轉(zhuǎn)彎應采用大半徑圓滑過渡,以減小管路壓力降損失。
(2)泵首次啟動前,儲罐加入隔離液后必須進行盤車,將緩沖液帶入密封腔。在首次啟動或檢修后,由于隔離液還沒有充滿密封腔,在泵起動時容易發(fā)生干摩擦,從而損壞大氣側(cè)密封。
(3)儲液罐內(nèi)的隔離液要經(jīng)常檢查和更換。儲罐內(nèi)的隔離液除消耗外,還有可能混入一些雜質(zhì),導致機械密封的使用壽命降低。
(4)隔離液儲罐的氮氣壓力值應謹慎設(shè)定。壓力過小,無法保證介質(zhì)側(cè)密封失效時隔離液壓向泵介質(zhì)側(cè);壓力過大,則會使密封面及密封部件負荷加大,易造成損壞,使機械密封失效。根據(jù)API 682規(guī)定,儲液罐的氮氣壓力應設(shè)為大于密封腔壓力0.14～0.41 MPa,建議設(shè)中間值,避免壓力波動時超限。
(5)定期檢查密封及輔助系統(tǒng),檢查管路是否泄漏,還要檢查儲罐的壓力、溫度、玻璃窗液位是否正常。當出現(xiàn)異常時,應及時進行維護。
2.6 改造效果
6臺環(huán)氧乙烷介質(zhì)泵的機械密封均在2016年8月進行了改造,更換了機械密封,安裝了密封輔助系統(tǒng),沖洗方案由PLAN31單端面機械密封改造為PLAN31+53A的加壓雙端面機械密封,機械密封的全氟醚密型圈由Kalrez 6375改型為Kalrez 6380。改造后其機械密封運行情況良好,穩(wěn)定運行超過5年,未出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象,4臺泵在機械密封使用5年后主動進行了預防性檢修。泵用機械密封標準API 682規(guī)定的使用壽命為3年,因此機械密封的改造較為成功。
3 結(jié)語
環(huán)氧乙烷介質(zhì)泵機械密封結(jié)構(gòu)和輔助系統(tǒng)的改造,有效解決了環(huán)氧乙烷泵機械密封泄漏的安全隱患,降低了環(huán)氧乙烷泄漏引發(fā)安全事故的概率,消除了機械密封泄漏引起的揮發(fā)性有機物排放問題。通過此次改造可以看出,加壓雙端面機械密封適合應用在環(huán)氧乙烷介質(zhì)泵上,能夠保障泵的安全性和穩(wěn)定性,Kalrez 6380型全氟醚密封圈在環(huán)氧乙烷溶液中具有很好的化學穩(wěn)定性和抗腐蝕性,適合作為乙二醇裝置環(huán)氧乙烷介質(zhì)泵的機械密封密型圈材質(zhì)。
葉水青
中國石化上海石油化工股份有限公司
來源：超級石化
