任寶杰，王彬，王民中，郝木明

（1.東營(yíng)海森密封技術(shù)有限責(zé)任公司，山東東營(yíng) 257000；2.中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司，山東青島 266071；3.中海油石化工程有限公司，山東青島 266101；4.中國(guó)石油大學(xué)（華東）密封技術(shù)研究所，山東青島 266580）

API 682標(biāo)準(zhǔn)自1994年由美國(guó)石油協(xié)會(huì)（API）推出以來，在全球石油化工行業(yè)以離心泵為主的旋轉(zhuǎn)泵類用機(jī)械密封及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)收等方面逐漸被廣泛應(yīng)用，尤其是第四版，針對(duì)泵用密封提供的各種沖洗系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了石油化工各類泵使用工況的全覆蓋，幾乎臻于完善，目前已成為國(guó)內(nèi)石油化工行業(yè)的“金標(biāo)準(zhǔn)”，國(guó)內(nèi)大部分標(biāo)準(zhǔn)、書籍等均對(duì)其直接引用、推廣普及[1-4]。

但在國(guó)內(nèi)各類石油化工裝置泵群密封實(shí)際應(yīng)用過程中，由于裝置建造時(shí)間早晚、資金投入多少、用戶使用偏好、泵及密封廠家水平高低等原因，導(dǎo)致諸多參照API 682標(biāo)準(zhǔn)選用的泵用密封沖洗系統(tǒng)不能有效解決現(xiàn)場(chǎng)問題[5-7]。本文針對(duì)石化裝置常見的泵用濕封沖洗系統(tǒng)選用及優(yōu)化進(jìn)行探討，總結(jié)出基于API 682標(biāo)準(zhǔn)沖洗方案的具體應(yīng)用要點(diǎn)。

1 沖洗系統(tǒng)方案具體應(yīng)用要點(diǎn)

沖洗系統(tǒng)方案是指對(duì)密封進(jìn)行直接冷卻、沖洗的方式，沖洗流體直接與介質(zhì)相連通。在石化裝置中常用的典型方案有Plan 11、Plan 21、Plan 23、Plan 31和Plan 32。

1.1 Plan 11 正向旁通自沖洗

Plan 11方案沖洗液進(jìn)入密封腔靠近機(jī)械密封端面處沖洗端面，然后穿過密封腔回流到泵腔體內(nèi)，是默認(rèn)的單封或雙封內(nèi)側(cè)密封沖洗方案。選取時(shí)需注意：對(duì)于高揚(yáng)程泵需要根據(jù)沖洗量和汽化裕量，計(jì)算確定合適的孔板個(gè)數(shù)、直徑以及喉口襯套間隙，不能簡(jiǎn)單地選取孔徑3 mm的單孔板；對(duì)于較低揚(yáng)程泵，需要詳細(xì)核算流程阻力，避免出現(xiàn)沖洗量不足的情況，如有必要，可在密封旋轉(zhuǎn)件上增加軸向泵送裝置以提高沖洗量；在易汽化介質(zhì)或摩擦熱較多的高PV值場(chǎng)合應(yīng)該采用多孔沖洗。

1.2 Plan 21 帶換熱器正向自沖洗

Plan 21方案從泵出口引入沖洗液，經(jīng)換熱器進(jìn)入密封腔靠近機(jī)械密封端面處沖洗端面，然后穿過密封腔回流到泵腔體內(nèi)。選取時(shí)需注意：換熱器管程為工藝介質(zhì)，殼程為冷卻水；換熱器常用水冷盤管換熱器，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品多為立式安裝，國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品多為臥式安裝，一般來講區(qū)別不大，但是如果臥式安裝采用蛇形盤管方式可以實(shí)現(xiàn)管程的高點(diǎn)排空、低點(diǎn)排凝；冷卻器可采用風(fēng)冷型式，有條件時(shí)增加強(qiáng)制風(fēng)冷裝置；需保證冷卻后液體溫度，太高不利于冷卻，太低可能會(huì)導(dǎo)致晶體析出或黏度變大，尤其是高揚(yáng)程泵，可在管路上增加API 682標(biāo)準(zhǔn)中未提及的閥門和壓力表，在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)期間通過操作閥門觀測(cè)壓力表讀數(shù)，確定出較為準(zhǔn)確的沖洗量并調(diào)節(jié)；使用時(shí)需要先通冷卻水，避免熱介質(zhì)進(jìn)入換熱器產(chǎn)生熱應(yīng)力；對(duì)于高溫泵停車期間可能存在熱虹吸產(chǎn)生的沖洗流動(dòng)，此現(xiàn)象為正?，F(xiàn)象，可不予處理。

圖1 改進(jìn)后的Plan 21 流程圖Fig.1 Flow chart of improved Plan 21

1.3 Plan 23 介質(zhì)循環(huán)沖洗

Plan 23方案是從密封腔內(nèi)的泵送環(huán)通過冷卻器回到密封腔的循環(huán)。選取時(shí)需注意：該方案更適用于較低黏度介質(zhì)，高溫原油、油漿、渣油、蠟油等工況慎用；設(shè)計(jì)時(shí)建議參考泵裝置特性圖H-Q及h-Q曲線，制定Plan 23系統(tǒng)專用H/h-Q曲線并按照其進(jìn)行泵送環(huán)和管路設(shè)計(jì)，保證使用時(shí)能夠到達(dá)所需沖洗流量；H-Q和h-Q曲線可采用試驗(yàn)測(cè)試擬合得出；啟動(dòng)前必須頂端排氣，若介質(zhì)屬于易汽化介質(zhì)，應(yīng)增大冷卻水量并保證比較小的喉口襯套間隙；冷卻水要求采用軟化水，流速控制在1.5～2.5 m/s之間，最高進(jìn)口溫度不超過32℃，最高出口溫度不超過49℃，以免結(jié)垢。

圖2 用于Plan 23方案的H/h-Q曲線示例Fig.2 Example graph of H/h-Q for Plan 23

1.4 Plan 31 帶旋液分離器正向自沖洗

Plan 31方案是從泵的出口通過旋液分離器把潔凈的液體輸送到密封腔的循環(huán)過程，固體顆粒被送到泵的入口管線。該方案并不能有效地防止固體顆粒對(duì)密封的影響，更多時(shí)候是工程公司在新項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)為開車運(yùn)行期間所做的臨時(shí)措施而被采用。

1.5 Plan 32 注入式?jīng)_洗

Plan 32方案是將沖洗液從外部引入，沖洗密封端面后，進(jìn)入泵腔體。選取時(shí)需注意：沖洗流量除滿足冷卻需求以外，還應(yīng)根據(jù)喉口襯套間隙計(jì)算間隙中流速，流速一般不低于1 m/s，避免泵內(nèi)介質(zhì)竄入密封腔；API 682中將壓力表作為必選項(xiàng)，流量計(jì)作為可選項(xiàng)，在實(shí)際使用過程中流量計(jì)的作用更大于壓力表，建議在方案選取時(shí)將流量計(jì)作為必選，以便直觀監(jiān)測(cè)流量大小，避免過大造成浪費(fèi)，過小無法滿足正常需求；目前大部分石化企業(yè)多采用散件供貨，建議設(shè)計(jì)時(shí)可將Plan 32 集裝式供貨，現(xiàn)場(chǎng)安裝、操作更為簡(jiǎn)便、整潔。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)集裝式供貨的Plan 32系統(tǒng)圖Fig.3 System diagram Plan 32 for integrated supply

1.6 密封腔壓力估算

沖洗系統(tǒng)因與密封腔之間相連，故密封腔壓力與系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)息息相關(guān)，本文提供了一種較符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況的密封腔壓力估算方法，可供設(shè)計(jì)時(shí)參考，具體計(jì)算方法見表1。

表1 密封腔壓力估算表Tab.1 Estimation table of seal chamber pressure

2 循環(huán)沖洗系統(tǒng)方案具體應(yīng)用要點(diǎn)

循環(huán)沖洗系統(tǒng)方案是指配套于雙端面密封之間的沖洗方式，沖洗流體與介質(zhì)由內(nèi)側(cè)密封隔開。在石化裝置中常用的典型方案有Plan 52、Plan 53A、Plan 53B、Plan 54。

2.1 Plan 52儲(chǔ)罐緩沖液循環(huán)沖洗

Plan 52方案中外部?jī)?chǔ)液罐為布置方式2 密封提供緩沖液。選取時(shí)需注意：API 682中要求系統(tǒng)頂部閥常開，管線排空或者接入火炬管網(wǎng)，但在實(shí)際使用過程中部分客戶將頂部閥門關(guān)死，內(nèi)側(cè)密封一旦存在泄漏，罐內(nèi)壓力將持續(xù)上漲，雖不推薦如此使用，但多數(shù)情況下壓力達(dá)到某一數(shù)值后能夠保持穩(wěn)定，需要注意的是雖然工程上常將Plan 52 稱之為無壓罐，但實(shí)際上仍應(yīng)按照帶壓容器和管道進(jìn)行設(shè)計(jì)制造；壓力變送器和液位變送器也可用壓力開關(guān)和液位開關(guān)代替，壓力一般可取0.1 MPa 高報(bào)，液位一般只設(shè)置低報(bào)，根據(jù)客戶要求可設(shè)置高報(bào)。

2.2 Plan 53A儲(chǔ)罐阻塞液循環(huán)沖洗

Plan 53A方案外設(shè)加壓隔離液儲(chǔ)罐為布置方式3 密封提供潔凈的液體。選取時(shí)需注意：一般氮?dú)鈮毫Σ怀^1 MPa，避免氮?dú)庠谟偷娜芙舛冗^大；API 682中頂部?jī)H設(shè)置一個(gè)通斷閥門，而實(shí)際應(yīng)用中客戶所提供的氮?dú)鈮毫εc所需壓力常不匹配，因此頂部管線上設(shè)置氣體減壓閥應(yīng)作為一個(gè)必選項(xiàng)；在部分低轉(zhuǎn)速、小軸徑泵配套Plan 52系統(tǒng)上未接冷卻水，僅靠管線和罐體散熱，實(shí)際應(yīng)用中也能滿足正常需求，因此在不具備冷卻水現(xiàn)場(chǎng)，可仔細(xì)核算密封發(fā)熱量，并考慮在管線增加翅片等方式滿足使用需求；壓力變送器和液位變送器也可用壓力開關(guān)和液位開關(guān)代替，壓力一般可取密封腔壓力+0.14 MPa 低報(bào)，液位一般只設(shè)置低報(bào)。

圖4 建議的Plan 53A 流程圖Fig.4 Flow chart of improved Plan 53A

2.3 Plan 53B儲(chǔ)罐阻塞液循環(huán)沖洗

Plan 53B方案預(yù)先加壓的氣囊儲(chǔ)壓器提供壓力給循環(huán)系統(tǒng)，用于布置方式3的密封。選取時(shí)需注意：API 682 附錄F 提供了充氣壓力和隔離液充注壓力的計(jì)算方法，如果完全按照該推薦方法進(jìn)行計(jì)算，密封腔壓力較高時(shí)會(huì)存在外側(cè)密封承壓較高的問題，圖5給出了密封腔壓力為2 MPa的算例，隔離液壓力達(dá)到了3.6 MPa，因此給外側(cè)密封增加了很大負(fù)擔(dān)，結(jié)合多年工程經(jīng)驗(yàn)，建議密封腔壓力高于0.5 MPa時(shí)不推薦采用標(biāo)準(zhǔn)中的算法進(jìn)行計(jì)算；當(dāng)密封腔壓力較高時(shí)，本文提供一種簡(jiǎn)便的計(jì)算方法：0℃時(shí)預(yù)充氣壓力為0.8倍密封腔壓力，25℃時(shí)預(yù)充氣壓力為0.87倍密封腔壓力，其余溫度下預(yù)充氣壓力可利用插值法計(jì)算得到，固定報(bào)警壓力取密封腔壓力+0.14 MPa，隔離液壓力取1.2倍固定報(bào)警壓力+0.05 MPa，該方案在壓力較低時(shí)使用，會(huì)存在囊式蓄能器有效容積浪費(fèi)的問題；尤其是在新項(xiàng)目開車前補(bǔ)液時(shí)，若用手動(dòng)補(bǔ)液泵補(bǔ)液，效率非常低，而且可能會(huì)消耗其使用壽命，因此補(bǔ)液泵管線上建議增加補(bǔ)液車接口；雖然存在囊式蓄能器內(nèi)幾乎無液，突然內(nèi)側(cè)密封失效，介質(zhì)竄入囊式蓄能器內(nèi)損傷橡膠的可能，但這種事件概率極低，在正常設(shè)計(jì)過程中可不予考慮，因此對(duì)于冷卻器的安裝位置并無特殊要求。

表2 按照附錄F 計(jì)算的Plan 53B系統(tǒng)相關(guān)壓力Tab.2 Pressure of Plan 53B according to appendix F

2.4 Plan 54外加系統(tǒng)阻塞液循環(huán)沖洗

Plan 54方案是由外部加壓和循環(huán)系統(tǒng)提供潔凈液體給布置方式3的密封，其與Plan 55類似，僅是加壓壓力比密封腔壓力高或低的區(qū)別。選取時(shí)需注意：Plan 54方案有著比Plan 53系列更好的沖洗冷卻性能，因此在僅考慮密封效果而言，優(yōu)先推薦Plan 54方案，通常為一帶多，但該方案存在不同泵所需沖洗量不一致，一臺(tái)泵內(nèi)側(cè)密封泄漏后不易判斷等問題，本文建議采用如圖5所示流程，流量計(jì)準(zhǔn)確顯示每臺(tái)密封的沖洗量，如果發(fā)現(xiàn)油站液位不正常下降，可通過關(guān)閉每臺(tái)密封進(jìn)出口閥門觀察壓力表示數(shù)值變化來進(jìn)行判斷。

圖5 建議的Plan 54 流程Fig.5 Flow chart of improved Plan 54

2.5 換熱器面積的確定

在Plan 53B、Plan 23、Plan 21方案中一般均配有水冷換熱器，API 682中給出了一些計(jì)算條件。本文根據(jù)多年工程經(jīng)驗(yàn)，給出了根據(jù)介質(zhì)溫度和軸徑選用換熱器面積的圖表，如圖6和圖7所示，可供工程設(shè)計(jì)參考。

圖6 適用于Plan 21的換熱器面積選擇圖Fig.6 Heat exchanger selection chart of Plan 21

圖7 適用于Plan 23和Plan 53B的換熱器面積選擇圖Fig.7 Heat exchanger selection chart of Plan 23 and Plan 53B

3 冷卻沖洗系統(tǒng)方案具體應(yīng)用要點(diǎn)

冷卻沖洗系統(tǒng)方案是指用于機(jī)械密封與大氣之間的沖洗方式，會(huì)有少量沖洗流體排入大氣環(huán)境。在石化裝置中典型方案是Plan 62，該方案在高溫泵密封上最為常見，能夠有效延長(zhǎng)整個(gè)密封的使用壽命。由于外側(cè)僅靠碳環(huán)等節(jié)流密封進(jìn)行封堵，存在少量冷卻水排到現(xiàn)場(chǎng)的情況，目前有被各個(gè)石化企業(yè)逐漸放棄的趨勢(shì)。但從保證密封效果而言，建議保留Plan 62系統(tǒng)，若軸向空間足夠，可將碳環(huán)節(jié)流密封替換為短型機(jī)械密封組件。

4 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械密封沖洗方案的合理選擇與正確調(diào)整對(duì)泵用密封長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，但各石化裝置公用條件、泵工況等復(fù)雜多變，各廠家設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)水平不同，想要對(duì)每一臺(tái)密封選配最優(yōu)的沖洗方案不能僅依靠滿足API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，應(yīng)具備相當(dāng)豐富的工程經(jīng)驗(yàn)和扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，并做到因時(shí)制宜、因地制宜。本文對(duì)常用的沖洗方案給出了一些關(guān)鍵的常用的經(jīng)驗(yàn)，并給出了一些依據(jù)API 682標(biāo)準(zhǔn)做出的優(yōu)化調(diào)整方案，希望能給工程設(shè)計(jì)人員提供一些有益參考。