摘 要： 乙二醇装置环氧乙烷介质泵属于高危介质泵,其机械密封泄漏可能造成着火爆炸、人员伤亡、环境污染等事故。文章通过分析环氧乙烷介质泵机械密封存在的问题和安全隐患,对泵机械密封的结构、冲洗方案、密封圈材质进行了改造,消除了隐患,提高了泵的安全可靠性。

关键词： 环氧乙烷 密封圈 机械密封 冲洗方案 改造

机械密封是石化行业旋转机械主要的轴封形式,具有泄漏量少、使用寿命长及功率损失小等优点。随着企业对安全生产和环境保护的重视不断提升,对机械密封的可靠性和安全性的要求也日趋严格。

环氧乙烷通常呈液态,毒性危害程度为极度危害(Ⅰ级),易燃易爆,在空气中的爆炸极限是3%～100%,具有非常高的危险性,出现泄漏就很有可能造成着火爆炸、人员伤亡、环境污染等事故。环氧乙烷沸点为10.7 ℃,挥发性特别强,一旦泄漏就很容易挥发。某乙二醇装置有多台输送介质为不同浓度的环氧乙烷溶液的泵,分别为汽提塔回流泵、再吸收塔釜泵、精制塔加料泵,这些高危介质泵建成投用至今已有30余年,其在制造时的机械密封设计要求不高,因此在安全和环保方面存在很多问题。为了保证装置的安全稳定长周期生产,有必要对这些泵机械密封存在的问题进行分析和处理。

1 机械密封存在的问题和隐患

文章主要对乙二醇装置的汽提塔回流泵、再吸收塔釜泵、精制塔加料泵进行分析改造,这些泵的基本概况如表1所示。

表1 环氧乙烷介质泵基本概况

1.1 机械密封结构

表1中的6台环氧乙烷介质泵的机械密封都是单端面结构型式,机械密封冲洗方案都是API PLAN31冲洗方案,常用于含有固体颗粒的介质。冲洗液由泵的出口出来,经过孔板到达旋液分离器,经分离器分离后,清洁的冲洗液送入密封腔,固体颗粒物送回泵入口。

单端面机械密封是由一对摩擦副构成的机械密封,密封结构比较简单,通常用于允许介质有微量泄漏的情况,但环氧乙烷介质的高危特性决定了其零泄漏的要求,因此需对这些泵的机械密封结构进行改造。

1.2 密封圈

环氧乙烷溶液是一种对弹性体密封件具有强腐蚀性的化学物质,因此普通氟橡胶不适用于含环氧乙烷介质的场合,需使用全氟醚橡胶[1]。全氟醚橡胶是全氟(甲基乙烯基)醚、全氟烯醚和四氟乙烯的三元共聚物[2],具有十分优秀的弹性、化学稳定性和热稳定性,其出色的耐化学腐蚀性和热稳定性归功于全氟链中碳氟结合的强度。

该乙二醇装置环氧乙烷介质泵使用的密封圈材质是杜邦公司生产的Kalrez 6375全氟醚橡胶。在使用过程中发现,密封圈在环氧乙烷介质中的抗化学腐蚀性与稳定性明显比普通氟橡胶密封圈好,但是使用时间长了也会出现溶胀、开裂现象,导致密封圈损坏,造成机械密封泄漏,存在一定的安全隐患。文章对一个在质量分数为9%的环氧乙烷水溶液中,使用了6个月的Kalrez 6375全氟醚密型圈进行分析。

(1)密封圈宏观形貌分析

密封圈左边、顶部、右边均出现了不同程度的外表面裂纹,裂纹的深浅和长度不一,有的较为细小,有的较为显著。从截面看,裂纹不仅存在于密封圈的外表面,还深入到其内部。

(2)密封圈扫描电子显微镜分析

用电子显微镜对该密封圈进行扫描,从扫描结果可以看出:密封圈表面变得很粗糙,表面和内部都出现了裂纹。从表面裂痕和内部裂纹来看,这些损害应该是由化学攻击引起的,环氧乙烷溶液会攻击该密封圈并使之变脆弱,产生较多的裂痕,最终导致密封圈破损。因此需要对密封圈材质进行升级。

2 机械密封改造

2.1 机械密封结构改造

(1)布置方式选择。根据机械密封技术标准(API 682),机械密封的布置方式有单端面密封、无压双端面密封和加压双端面密封[3]。单端面密封在高危介质中不适用,且环氧乙烷溶液容易发生聚合的特性决定了不能选用无压双端面密封,为了避免环氧乙烷泄漏到大气中,需要选择安全系数高的加压型双端面密封[4]。加压双端面密封对有毒有害、易燃易爆的高危介质具有双重保护作用,一旦介质侧密封失效,大气侧密封可短时间内起到介质侧密封的作用,配合辅助系统,机械密封的失效情况可以实时掌握,从而实现高危介质的零泄漏。

(2)加压双端面密封形式选择。接触湿式加压型双端面密封的端面组合方式有3种:串联式结构(3CW-FB)、面对面结构(3CW-FF)、背靠背结构(3CW-BB)。面对面和背靠背的型式更紧凑,但串联结构的优点更突出:密封腔内的杂质会在离心力作用下向外甩出,对密封影响较小,且在隔离液压力为零的情况下,密封还能像无压双端面机械密封那样工作,增加了使用安全性。再结合现场泵腔结构和介质性质,选择介质侧密封和大气侧密封串联的双端面结构(3CW-FB)。

(3)密封类型选择。根据API 682的规定,机械密封的密封类型共分3种:弹簧式机械密封(A型),带O形圈的金属波纹管机械密封(B型),带柔性石墨的金属波纹管机械密封(C型)。石化行业的泵大多采用A型,C型用于高温介质泵,B型和C型使用的波纹管价格较贵,A型和B型使用温度低于176 ℃,而原密封的类型是A型。综上,内外侧密封类型都选择A型。

2.2 机械密封冲洗方案选择

改造后的加压双端面密封介质侧密封的冲洗方案仍采用单端面密封的自冲洗方案PLAN31。根据API 682的规定,外侧大气侧的冲洗方案可供选择的有PLAN53A、PLAN53B、PLAN53C、PLAN54,下面对这些方案进行比较。

(1)PLAN53A的冲洗系统由储液罐、连接管道、储液罐液位、压力报警仪表等组成。该方案通过外部气源加压隔离液储罐,使隔离液压力高于密封腔的压力。当介质侧机械密封失效时,隔离液会压入被输送介质中,可避免被输送介质向外泄漏。储液罐是由惰性气体加压的,一般使用氮气。泵运行时,隔离液不断循环流动带走密封端面摩擦产生的热量;储液罐内置冷却盘管,使用循环水冷却隔离液;机械密封的性能主要通过储罐内隔离液的液位进行监测。

(2)PLAN53B的冲洗系统主要由散热器、蓄能器、管路、压力和温度指示等部分组成。该方案利用囊式蓄能器来保持隔离液的压力,无需时刻补充氮气或者其他外部压力;密封的性能主要通过压降监测,内外密封泄漏会使隔离液压力下降。该方案适用于较高压力场合,价格比PLAN53A方案高。

(3)PLAN53C采用活塞式蓄压器对隔离液进行加压,使隔离液的压力高于密封腔压力,随着系统波动压力也随之发生变化。该方案多用于系统压力波动较大的场合[5],价格高于PLAN53A和PLAN53B。

(4)在PLAN54方案中,来自外部的加压隔离液系统为密封腔提供清洁隔离液,隔离液循环一般使用外部泵或压力系统来完成,使隔离液的压力高于密封腔压力,介质侧密封一旦失效,隔离液就会压注入泵送介质中。该方案常用于温度较高的流体或含有固体颗粒的场合,价格较高。

综合考虑环氧乙烷特性、密封腔压力、现场情况和价格等因素,选择冲洗方案PLAN53A为改造后的机械密封外侧冲洗方案。该方案使用比较方便,外部管路系统相对简单,装置现场有充足的中压氮气,适合作为该方案储罐的加压惰性气体。该方案设有压力、液位等报警指示仪表,如果密封发生泄漏可第一时间提醒。因此改造后的双端面机械密封的冲洗方案选择为PLAN31+53A。

2.3 密封辅助系统隔离液选择

使用加压双端面密封,介质侧密封发生泄漏时,隔离液被压注入泵送介质中;大气侧机械密封发生泄漏时,隔离液会向外泄漏至大气中。隔离液的选择要考虑以下几个条件:隔离液必须与环氧乙烷溶液具有相容性且不污染环氧乙烷溶液;隔离液与密封及辅助系统的金属、橡胶密封圈和其他材料也具有相容性;低温情况下不会凝固;具有润滑性,且能将密封端面热量带走;长时间不氧化或变质;洁净、毒性小,对人体健康无伤害;非易燃易爆物;容易得到,且价格相对便宜。

API 682规定,对于输送水混合物的流体,可用乙二醇、丙二醇等作为隔离流体。乙二醇常温下是无色无臭、透明的黏稠状液体,其挥发性小,闪点高,毒性小,冬季不易凝固,能以任意比例与水混溶,也能以任意比例与环氧乙烷溶液混溶,不会污染环氧乙烷溶液。因此选择乙二醇溶液作为环氧乙烷介质泵的机械密封隔离液。

2.4 密封圈材质改型

环氧乙烷溶液对弹性体密封件具有强腐蚀性,因此需要谨慎选择密封圈材质。目前使用的杜邦Kalrez 6375型密封圈经长时间使用后情况不佳。对各种密封材质进行比较和分析,最终将机械密封的密封圈材质由Kalrez 6375改为Kalrez 6380。对两种全氟醚橡胶圈进行实验测试,Kalrez 6380型全氟醚密封圈在环氧乙烷与水质量比为1∶9和4∶6的溶液中,体积膨胀和硬度变化比Kalrez 6375型全氟醚密封圈更低,耐环氧乙烷性能和稳定性优于Kalrez 6375型密封圈。因此选择耐环氧乙烷溶液性能更好的Kalrez 6380型全氟醚橡胶密封圈。

2.5 安装和使用注意事项

为了提高加压双端面机械密封的使用寿命和可靠性,在安装和使用中需要做到以下几点。

(1)机械密封辅助系统的辅液储罐应竖直安装在靠近泵的支架上,储罐隔离液的标准液位应高于泵压盖中心线至少1 m,以适应流量、压力的要求;应尽量减少与储罐相连管道的长度和附件数量,转弯应采用大半径圆滑过渡,以减小管路压力降损失。

(2)泵首次启动前,储罐加入隔离液后必须进行盘车,将缓冲液带入密封腔。在首次启动或检修后,由于隔离液还没有充满密封腔,在泵起动时容易发生干摩擦,从而损坏大气侧密封。

(3)储液罐内的隔离液要经常检查和更换。储罐内的隔离液除消耗外,还有可能混入一些杂质,导致机械密封的使用寿命降低。

(4)隔离液储罐的氮气压力值应谨慎设定。压力过小,无法保证介质侧密封失效时隔离液压向泵介质侧;压力过大,则会使密封面及密封部件负荷加大,易造成损坏,使机械密封失效。根据API 682规定,储液罐的氮气压力应设为大于密封腔压力0.14～0.41 MPa,建议设中间值,避免压力波动时超限。

(5)定期检查密封及辅助系统,检查管路是否泄漏,还要检查储罐的压力、温度、玻璃窗液位是否正常。当出现异常时,应及时进行维护。

2.6 改造效果

6台环氧乙烷介质泵的机械密封均在2016年8月进行了改造,更换了机械密封,安装了密封辅助系统,冲洗方案由PLAN31单端面机械密封改造为PLAN31+53A的加压双端面机械密封,机械密封的全氟醚密型圈由Kalrez 6375改型为Kalrez 6380。改造后其机械密封运行情况良好,稳定运行超过5年,未出现泄漏现象,4台泵在机械密封使用5年后主动进行了预防性检修。泵用机械密封标准API 682规定的使用寿命为3年,因此机械密封的改造较为成功。

3 结语

环氧乙烷介质泵机械密封结构和辅助系统的改造,有效解决了环氧乙烷泵机械密封泄漏的安全隐患,降低了环氧乙烷泄漏引发安全事故的概率,消除了机械密封泄漏引起的挥发性有机物排放问题。通过此次改造可以看出,加压双端面机械密封适合应用在环氧乙烷介质泵上,能够保障泵的安全性和稳定性,Kalrez 6380型全氟醚密封圈在环氧乙烷溶液中具有很好的化学稳定性和抗腐蚀性,适合作为乙二醇装置环氧乙烷介质泵的机械密封密型圈材质。

叶水青

中国石化上海石油化工股份有限公司

来源：超级石化