中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司

我國(guó)西南地區(qū)天然氣資源豐富，但開采出的天然氣中H2S（硫化氫）含量高、危害大、腐蝕性強(qiáng)。為降低含H2S天然氣對(duì)輸送管道及設(shè)備的腐蝕，減少環(huán)境污染，避免天然氣泄漏危及生命安全，需要對(duì)開采出的含硫天然氣進(jìn)行脫硫處理。

西南地區(qū)某氣田含硫天然氣采用絡(luò)合鐵脫硫工藝裝置進(jìn)行凈化處理。脫硫劑貧液循環(huán)泵是脫硫裝置中的關(guān)鍵設(shè)備，其軸封采用機(jī)械密封型式。在脫硫裝置投產(chǎn)過(guò)程中，貧液循環(huán)泵的機(jī)械密封多次出現(xiàn)故障、頻繁失效，導(dǎo)致脫硫劑泄漏，嚴(yán)重影響脫硫裝置的正常運(yùn)行，進(jìn)而影響生產(chǎn)單位的正常運(yùn)營(yíng)。為防止貧液循環(huán)泵脫硫劑泄漏，提高機(jī)械密封的穩(wěn)定性與可靠性，保證脫硫裝置正常運(yùn)行，本文結(jié)合天然氣絡(luò)合鐵脫硫與再生工藝，分析研究了脫硫裝置貧液循環(huán)泵機(jī)械密封的失效原因，并針對(duì)貧液循環(huán)泵的運(yùn)行工況，進(jìn)行了合理的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 天然氣絡(luò)合鐵脫硫工藝

絡(luò)合鐵脫硫工藝是采用含氧化劑的堿性溶液脫除天然氣中H2S，并將H2S氧化為單質(zhì)硫的一種脫硫方法，目前在國(guó)內(nèi)外天然氣脫硫裝置中得到廣泛應(yīng)用。

1.1 絡(luò)合鐵脫硫原理

絡(luò)合鐵脫硫是一種以鐵離子為氧化劑的濕式氧化還原脫除天然氣中H2S的方法[1]，采用堿性水溶液吸收天然氣中的H2S，H2S與堿液反應(yīng)生成HS-，堿性水溶液中的Fe3+將HS-氧化成單質(zhì)硫S，F(xiàn)e3+被還原成Fe2+，再向溶液中加注化學(xué)藥劑，使單質(zhì)硫在溶液中聚集沉淀析出。絡(luò)合鐵溶液再生，是利用空氣中的氧氣將Fe2+氧化成Fe3+，使絡(luò)合鐵溶液恢復(fù)氧化性，重復(fù)循環(huán)利用絡(luò)合鐵溶液進(jìn)行天然氣脫硫。其主要反應(yīng)如下：

堿性水溶液吸收H2S：

析硫過(guò)程：

再生反應(yīng)：

1.2 絡(luò)合鐵脫硫工藝流程

天然氣脫硫和脫硫劑再生是脫硫裝置的兩個(gè)主要工藝流程（圖1）。

（1）天然氣脫硫流程。首先是來(lái)自井口的含H2S天然氣進(jìn)入原料氣分離器進(jìn)行氣液分離，再經(jīng)過(guò)濾分離器去除大的液滴后，從底端進(jìn)入吸收塔，含H2S天然氣與塔頂流入的絡(luò)合鐵脫硫溶液（貧液）進(jìn)行充分接觸、脫硫，再經(jīng)過(guò)凈化氣分離器，分離掉氣體中夾帶的霧沫，得到凈化天然氣，接入外輸管網(wǎng)進(jìn)行天然氣外輸[2]。

（2）脫硫劑再生流程。在吸收塔中，脫除天然氣中H2S的絡(luò)合鐵溶液由貧液變?yōu)楦灰?，生成的單質(zhì)硫懸浮在絡(luò)合鐵富液中，富液經(jīng)閃蒸罐閃蒸出溶解在富液中的少量天然氣（少量天然氣進(jìn)入燃料氣系統(tǒng)用作加熱爐燃料氣）后，進(jìn)入再生塔。在再生塔中，加注化學(xué)藥劑使單質(zhì)硫聚集沉淀析出，進(jìn)入硫泡沫槽、硫磺過(guò)濾機(jī)進(jìn)行硫磺回收；另外，向再生塔中鼓入空氣，將絡(luò)合鐵富液進(jìn)行氧化生成貧液，再經(jīng)貧液循環(huán)泵增壓進(jìn)入吸收塔脫硫。

2 貧液循環(huán)泵機(jī)械密封失效問(wèn)題

2.1 貧液循環(huán)泵結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

圖1 絡(luò)合鐵脫硫工藝流程Fig.1 Process flow of complex iron desulfurization

天然氣脫硫裝置中絡(luò)合鐵脫硫劑貧液循環(huán)泵流量為120 m3/h，揚(yáng)程為175 m；泵結(jié)構(gòu)型式為BB1型（兩端支撐式），泵殼為軸向剖分，采用兩級(jí)葉輪增壓，閉式葉輪，首級(jí)葉輪為單吸式；運(yùn)行方式為連續(xù)運(yùn)行，采用內(nèi)裝式單端面大彈簧機(jī)械密封為軸封，采用自沖洗（Plan11[3]）方案。機(jī)械密封面材質(zhì)為碳化硅（動(dòng)環(huán)）對(duì)石墨（靜環(huán)），其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 貧液循環(huán)泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)Fig.2 Mechanical seal structure of lean liquid circulating pump

2.2 機(jī)械密封故障描述

天然氣脫硫裝置自投產(chǎn)以來(lái)，貧液循環(huán)泵頻繁出現(xiàn)機(jī)械密封失效故障，導(dǎo)致絡(luò)合鐵脫硫劑貧液泄漏，嚴(yán)重影響了脫硫裝置的正常運(yùn)行。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)貧液循環(huán)泵機(jī)械密封失效主要包括兩種工況：一是處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)的貧液循環(huán)泵，其機(jī)械密封通常使用1周到1個(gè)月左右就出現(xiàn)損壞而泄漏；二是備用泵啟動(dòng)后機(jī)械密封會(huì)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)泄漏?，F(xiàn)場(chǎng)機(jī)械密封實(shí)際使用時(shí)間遠(yuǎn)低于要求連續(xù)運(yùn)行8 000 h（1年）的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

3 貧液循環(huán)泵機(jī)械密封失效的原因分析

通常情況下，貧液循環(huán)泵軸封失效的主要原因有產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題、裝配問(wèn)題及配套設(shè)備與工藝流程問(wèn)題[4]。本裝置貧液循環(huán)泵軸封采用的是知名品牌機(jī)械密封，在其他泵類設(shè)備上運(yùn)行平穩(wěn)，使用壽命滿足設(shè)計(jì)要求；但用在本裝置貧液循環(huán)泵上多次出現(xiàn)故障，且使用壽命較短。通過(guò)對(duì)比分析，初步判斷現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況對(duì)貧液循環(huán)泵機(jī)械密封使用影響較大，以此作為分析機(jī)械密封失效原因的出發(fā)點(diǎn)。

3.1 脫硫工藝流程分析

絡(luò)合鐵氧化還原法脫硫過(guò)程中貧液循環(huán)泵輸送介質(zhì)為絡(luò)合鐵貧液。由絡(luò)合鐵脫硫工藝可知，在吸收塔吸收完H2S的絡(luò)合鐵富液中含有單質(zhì)硫，富液在再生塔中進(jìn)行貧液再生；同時(shí)向再生塔中加注化學(xué)藥劑（表面活性劑）將富液中懸浮單質(zhì)硫聚集沉淀，進(jìn)行硫磺回收。由于兩個(gè)過(guò)程是在再生塔中同時(shí)進(jìn)行，加上絡(luò)合鐵脫硫劑連續(xù)不斷流動(dòng)，造成脫硫劑中未沉淀的單質(zhì)硫伴隨著貧液進(jìn)入循環(huán)泵。此外，在硫磺回收過(guò)程中，經(jīng)過(guò)濾機(jī)過(guò)濾后的貧液將進(jìn)入貧液儲(chǔ)罐，該貧液中也可能含有部分單質(zhì)硫。

在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)絡(luò)合鐵貧液進(jìn)行取樣檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)貧液中含有單質(zhì)硫，難溶于絡(luò)合鐵溶液，以懸濁液形式存在，長(zhǎng)時(shí)間放置器皿中將有固體顆粒析出。通過(guò)上述分析及驗(yàn)證，貧液循環(huán)泵輸送的絡(luò)合鐵貧液中含有單質(zhì)硫，并存在單質(zhì)硫固體顆粒。

3.2 貧液循環(huán)泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)分析

貧液循環(huán)泵軸封采用的是內(nèi)裝式單端面大彈簧機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，機(jī)械密封沖洗采用自沖洗（Plan11）方式。

3.2.1 單質(zhì)硫加劇機(jī)械密封端面的磨損

機(jī)械密封正常運(yùn)行時(shí)，需要密封冷卻液（泵送介質(zhì)或外部清潔水）沖洗、冷卻機(jī)械密封，使動(dòng)、靜環(huán)密封面處于邊界潤(rùn)滑或半液體潤(rùn)滑狀態(tài)，密封面被液膜分開，起到密封介質(zhì)的作用[5]；當(dāng)有固體顆粒進(jìn)入密封面時(shí)，破壞密封面間密封液膜的形成，將加劇密封面的磨損，縮短機(jī)械密封使用壽命，導(dǎo)致機(jī)械密封失效，造成輸送介質(zhì)的泄漏[6]。貧液循環(huán)泵機(jī)械密封面材質(zhì)采用的是碳化硅（動(dòng)環(huán)）對(duì)石墨（靜環(huán)），泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)絡(luò)合鐵溶液中的單質(zhì)硫進(jìn)入密封端面，破壞密封面間液膜的形成，加劇軟密封面（石墨）的磨損[5]，使機(jī)械密封端面損壞，造成連續(xù)運(yùn)行的貧液循環(huán)泵機(jī)械密封出現(xiàn)泄漏。

另外，根據(jù)文獻(xiàn)[5]，當(dāng)介質(zhì)中固體顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)5%時(shí)，石墨不宜作為單端面密封的組對(duì)材料，否則密封端面會(huì)出現(xiàn)高度磨損。根據(jù)絡(luò)合鐵溶液的檢測(cè)分析結(jié)果，單質(zhì)硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.53%，接近上述限值5%，這是引起機(jī)械密封面磨損的潛在原因。

3.2.2 單質(zhì)硫阻止機(jī)械密封滑動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)移動(dòng)

機(jī)械密封靠密封端面起到密封作用，正常運(yùn)行時(shí)密封面會(huì)有磨損量，為防止密封面間隙過(guò)大引起泄漏，機(jī)械密封設(shè)有滑動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)（由密封彈性元件驅(qū)動(dòng)），使密封面始終保持緊密貼合狀態(tài)。停機(jī)后，引自泵出口的機(jī)械密封冷卻液將停止沖洗密封面，密封腔內(nèi)的冷卻液逐漸停止流動(dòng)，懸浮在溶液中的單質(zhì)硫沉淀、堆積在機(jī)械密封彈性元件上，使彈性元件的伸縮性受阻礙，最終失去彈性，導(dǎo)致機(jī)械密封密封面磨損量無(wú)法得到補(bǔ)償。

再次啟泵后，密封冷卻液在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法沖去沉積在彈簧內(nèi)的單質(zhì)硫，密封彈性元件不能恢復(fù)彈性，滑動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)不能軸向移動(dòng)，無(wú)法補(bǔ)償密封面磨損量，當(dāng)密封面的間隙過(guò)大時(shí)，泵內(nèi)絡(luò)合鐵貧液經(jīng)機(jī)械密封外泄。這是貧液循環(huán)泵備用泵啟動(dòng)后，短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)機(jī)械密封故障的主要原因。

4 機(jī)械密封（系統(tǒng)）結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

機(jī)械密封的可靠性與使用壽命取決于泵的運(yùn)行工況與外部環(huán)境，可通過(guò)對(duì)機(jī)械密封系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，來(lái)提高機(jī)械密封的可靠性和使用壽命，其主要措施包括密封冷卻液中的固體過(guò)濾分離及采用清潔的沖洗液注入密封面[4]。通過(guò)對(duì)上述貧液循環(huán)泵機(jī)械密封失效原因分析，結(jié)合絡(luò)合鐵溶液的介質(zhì)特性，從機(jī)械密封沖洗方案和機(jī)械密封結(jié)構(gòu)兩方面對(duì)機(jī)械密封（系統(tǒng)）優(yōu)化設(shè)計(jì)，并確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

4.1 機(jī)械密封沖洗方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1.1 改用沖洗液固液分離的沖洗方案

現(xiàn)場(chǎng)貧液循環(huán)泵機(jī)械密封采用自沖洗方案Plan11，將泵送介質(zhì)從泵出口引至密封腔進(jìn)行沖洗并冷卻機(jī)械密封。由于未對(duì)輸送介質(zhì)中的單質(zhì)硫進(jìn)行分離，長(zhǎng)時(shí)間沖洗密封腔將造成單質(zhì)硫沉積在密封腔內(nèi)。為減少絡(luò)合鐵溶液中的單質(zhì)硫進(jìn)入密封腔，在機(jī)械密封沖洗管線上增設(shè)分離器，將單質(zhì)硫分離，過(guò)濾后的絡(luò)合鐵溶液進(jìn)入密封腔，沖洗冷卻機(jī)械密封，即將沖洗方案Plan11改成Plan31[4]。如圖3所示，密封沖洗液先經(jīng)過(guò)分離器，將單質(zhì)硫從密封沖洗液中分離出來(lái)并重新輸送至泵入口，潔凈的沖洗液對(duì)機(jī)械密封進(jìn)行沖洗與冷卻。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，由于絡(luò)合鐵溶液中單質(zhì)硫含量較高，機(jī)械密封沖洗管線上的分離器及后面管線極易發(fā)生堵塞[7-8]，故不選用該方案。

圖3 機(jī)械密封自沖洗方案Plan31Fig.3 Mechanical seal self-flushing scheme 31

4.1.2 機(jī)械密封自沖洗方案改為外沖洗方案

機(jī)械密封外沖洗，是利用外部潔凈水源作為密封沖洗液，適用于泵送介質(zhì)中含有固體顆粒等不適合作為密封沖洗液的工況。常用的機(jī)械密封外沖洗方案為Plan32[4]。如圖4所示，在停泵、泵運(yùn)行時(shí)，外部沖洗液均可注入密封腔。停泵時(shí)，外部沖洗液注入密封腔，阻止單質(zhì)硫沉淀堆積在密封彈性元件上；泵運(yùn)行時(shí)，利用外部沖洗液沖洗密封面，阻止單質(zhì)硫侵入密封面間。但是如果采用外沖洗方案Plan32，沖洗液將進(jìn)入泵體內(nèi)，與絡(luò)合鐵脫硫劑混合，會(huì)稀釋絡(luò)合鐵溶液，降低脫硫效果，故不選用該方案。

圖4 機(jī)械密封外沖洗方案Plan32Fig.4 Mechanical seal external flushing scheme 32

4.2 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于機(jī)械密封沖洗方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)不適用于現(xiàn)有的運(yùn)行工況，因此只能考慮對(duì)絡(luò)合鐵貧液循環(huán)泵原有的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。改進(jìn)前，貧液循環(huán)泵軸封采用的是內(nèi)裝式單端面大彈簧機(jī)械密封，密封面材質(zhì)為碳化硅（動(dòng)環(huán)）對(duì)石墨（靜環(huán)）。機(jī)械密封彈性元件與介質(zhì)接觸，彈性元件上易沉積單質(zhì)硫。機(jī)械密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)的出發(fā)點(diǎn)是采取有效結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)防止絡(luò)合鐵溶液與機(jī)械密封彈性元件接觸，避免單質(zhì)硫進(jìn)入機(jī)械密封面。

為防止彈性元件與介質(zhì)接觸，在機(jī)械密封彈性元件外加隔離套，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。此外，將密封面材質(zhì)硬-軟組合改為硬-硬組合[9]，動(dòng)、靜環(huán)材質(zhì)選用硬質(zhì)合金，且動(dòng)環(huán)端的密封面設(shè)計(jì)有銳邊。動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，密封面的銳邊帶動(dòng)密封面周圍的沖洗液流動(dòng)，能夠有效地阻止固體顆粒進(jìn)入密封面。此外，硬質(zhì)合金具有硬度高、耐磨性強(qiáng)等特點(diǎn)[10]，適用于輸送介質(zhì)中含有固體顆粒的工況。將機(jī)械密封按上述方式改造，在停泵、泵運(yùn)行的工況下，均能降低絡(luò)合鐵溶液中單質(zhì)硫?qū)C(jī)械密封的影響。

圖5 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的機(jī)械密封機(jī)構(gòu)Fig.5 Mechanical seal structure after optimization design

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

根據(jù)上述優(yōu)化方案，重新設(shè)計(jì)機(jī)械密封，并將新設(shè)計(jì)的機(jī)械密封安裝到脫硫裝置的1臺(tái)貧液循環(huán)泵上，與原有機(jī)械密封進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)周期為3個(gè)月。在試驗(yàn)周期內(nèi)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的機(jī)械密封使用可靠，未出現(xiàn)泄漏故障；延長(zhǎng)時(shí)間繼續(xù)試驗(yàn)，最終改進(jìn)后的機(jī)械密封使用壽命達(dá)到了12個(gè)月，滿足了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)絡(luò)合鐵脫硫工藝和貧液循環(huán)泵機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)機(jī)械密封失效原因進(jìn)行全面分析，重新優(yōu)化設(shè)計(jì)了機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的機(jī)械密封運(yùn)行可靠，使用壽命長(zhǎng)，保證了脫硫裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，大大降低了生產(chǎn)單位的運(yùn)行成本。該種密封結(jié)構(gòu)型式可在今后類似裝置貧液循環(huán)泵上推廣應(yīng)用。