崔钟续，张旭亮，王志辉，刘传云，应汶静

（中化泉州石化有限公司，福建 泉州 362103）

某40万t/a高密度聚乙烯（HDPE）装置采用Chevron-Phillips和MARTECH技术，双环管反应器可生产双峰/单峰产品，由2台轴流泵为反应器提供循环动力。轴流泵为HDPE装置的核心设备，其运行状况直接影响装置效益[1-2]。轴流泵型号24*28AFH9500，设计体积流量10 636 m3/h，扬程59.8 m，转速 1 820 r/min，电机功率 2 000 kW。 常见牌号反应器控制参数为，温度96～110℃、压力4.2～4.7 MPa、固相质量分数30%～47%。该轴流泵试车过程中出现机械密封温度高、高压气囊意外磨损的情况，文中对轴流泵机械密封产生的问题进行排查分析，指出了轴流泵长周期运行的注意事项。

1 HDPE装置轴流泵机械密封系统

该HDPE装置轴流泵机械密封正常操作压力4.5 MPa，介质为异丁烷和聚乙烯颗粒，一旦介质发生泄漏有较大安全隐患，所以密封安全性尤为重要[3-6]。现场采用的轴流泵机械密封安全性较高，其冲洗方案为PLAN32+PLAN53C+PLAN52+高压气囊，即PLAN32系统是采用5.0 MPa异丁烷冲洗至第一级摩擦副[7]，异丁烷另外分支连接PLAN53C活塞缸底部，活塞缸上部使用食品级68#白油作为隔离液。利用PLAN53C上、下活塞面积差，最终使活塞上部压力高于活塞下部压力。使用PLAN53C的优点是能够及时根据密封腔压力自动调整隔离液压力。由于整套机械密封长度较长，因此在初级密封PLAN53C密封腔内部设置有1套支撑轴承，用于支撑泵轴及叶轮。轴流泵机械密封初级密封结构见图1。

图1 轴流泵机械密封初级密封结构示图

在PLAN52外侧设置有高压气囊，这是近几年的新增设计，是机械密封最后一道防护。在极端情况，即PLAN53C失效异丁烷大量泄漏且PLAN52同时失效情况下，可远程停泵，检测PLAN52放空压力和泵轴转速，若同时满足PLAN52放空压力高高和泵轴转速为0这2个条件，则触发高压气囊联锁条件，气动阀自动打开，8 MPa氮气充入气囊，气囊膨胀后360°完全贴紧泵轴，从而达到防止介质继续外漏的目的。轴流泵机械密封安全密封结构见图2。

图2 轴流泵机械密封安全密封结构示图

2 轴流泵试车过程中存在问题

2.1 机械密封温度偏高

不同于常规离心泵，轴流泵的密封冲洗方案较为复杂。为避免前期安装问题导致机械密封无法满足运行要求，反应器倒空造成介质浪费，一般在更换机械密封或大修后先进行一次轴流泵空负荷试运。通过轴流泵试运5 min测试机械密封安装及运行情况，主要检查设备运转情况、机械密封泄漏情况、各级密封油运行温度等。现场共有2台轴流泵，A泵试运5 min后机械密封各级密封油温度见表1。

表1 轴流泵A泵试运5 min后机械密封各级密封油温度 ℃

由表1可见，试运5 min后，轴流泵A泵PLAN53C密封油温升达35℃，PLAN52冷却器后温度达85℃，机械密封整体运行温度偏高。试运B泵时同样出现了机械密封温度偏高问题，势必会影响机械密封的长周期运行。

之后进行的负荷试车中，2台轴流泵机械密封温度仍然较高。当介质温度为95℃时，PLAN53C密封出口温度最高达到了98℃，密封冷却器后温度为53℃，密封温升达到45℃。

2.2 高压气囊磨损

在轴流泵B泵负荷试机时发现电流波动，现场泵基础晃动。试运转1 min果断停泵，转子静止前在机械密封位置有橡胶味道，现场判断为高压气囊磨损所致。

2.3 机械密封泄漏

2台轴流泵启动之后，发现PLAN53C液位有所下降（大约 2 L/d）、PLAN52罐液位上涨 2.2%（0.66 L/d）、PLAN52 外漏 7 滴（约 0.28 L/d）。说明3个密封面均有不同程度的泄漏，即PLAN53C向介质侧泄漏、向PLAN52侧泄漏，同时PLAN52向外泄漏。

3 轴流泵机械密封存在问题排查[8-10]

3.1 机械密封温度偏高

3.1.1 循环水体积流量不足

对比PLAN52系统中冷却器，PLAN53C系统中的冷却器降温效果明显。现场打开PLAN52冷却器循环水回水导淋，增大冷却水流量，但PLAN52冷却器降温效果不明显。使用超声流量检测仪测得循环水体积流量为25 L/min，所以排除循环水体积流量不足问题。

3.1.2 密封油循环问题

使用超声流量检测仪测得密封油体积流量约20 L/min，而厂家计算数据指出密封油循环量超过16 L/min即可满足取热，所以排除泵效环故障和密封油循环问题。

3.1.3 机械密封发热量大

从图样上看，PLAN52动、静环轴径约180 mm，超出API 682—2014《离心泵和转子泵用轴封系统》[11]范围。计算密封腔流体热量需要考虑多个条件[12]，厂家使用有限元软件 Web Calcs计算得出密封腔流体发热量为0.703 3 kW，机械密封温升基本稳定，可排除机械密封发热量大问题。

3.1.4 冷却器换热面积小

查看图样，冷却器换热面积为0.27 m2。在换热面积相同情况下，其他装置同型号轴流泵要么运行转速比这台泵低，要么轴径比这台泵小。为验证冷却器换热面积小引起机械密封温度偏高的推测，在冷却器外侧浇水，冷却器后温度下降至77℃，效果明显。之后更换了0.66 m2水冷器盘管，投用后冷却器后温度降至72℃，基本解决了机械密封温度偏高的问题。

3.2 高压气囊磨损

负荷试车前确认气囊高压氮气并未投用，整个高压氮气流程（图3）中有3道阀门，经过现场排查，3道阀门均存在轻微内漏的情况。在其他应用现场也发生过气囊磨损问题，所以一般厂家不建议投用此系统。

图3 高压氮气流程示图

研究分析高压氮气流程，认为流程设计没有问题，多个阀门内漏是小概率事件。正常情况下可以通过安全放空位置泄压，现场调试气动三通阀，在联锁未触发时保证密封接入位置与安全放空相连。但经现场确认，放空位置有盲板，阀门泄漏的气体无法正常排出，也就导致了高压气囊存在压力。之后拆除了此位置盲板，压力可以随时排出，确保不会出现气囊异常磨损的情况。

3.3 机械密封泄漏

该轴流泵的轴径为145.8 mm，密封腔压力为4.6 MPa，均超出 API 682—2014范围，所以其泄漏量不按API 682—2014的规定执行。生产厂家采用软件Web Calcs计算出机械密封理论泄漏量大于原设计泄漏量，原因是计算结果中没有考虑密封面在热量和压力情况下的变形。以PLAN53C外侧密封为例，采用有限元分析软件，模拟其在温度、压力等综合因素影响下正常运行时密封环的状态，结果示意见图4。经过1 a运行观察，该轴流泵没有出现泄漏量增加的情况，与软件模拟情况结果一致。

图4 运行工况下PLAN53C外侧密封有限元模拟结果

其他装置轴流泵上曾出现过密封油窜入介质的情况[7]，密封油需要经常置换和化验，但过多的操作会增加运行风险。该轴流泵约15 d泄漏的密封油量可以把密封系统油置换1次，权衡考虑，少量稳定的密封油泄漏是可以接受的。

该轴流泵机械密封中既有摩擦副又有滚动轴承，因此设计中推荐采用清洁度更好的紫皇冠FDA910密封油，但其采购周期较长，而且价格较高。而该轴流泵每天都有一定的内漏量，反而不用考虑长时间使用密封油的清洁度问题。经过慎重考虑和综合研究分析，将密封油更换为某品牌68#食品级白油，2种密封油相容性试验合格。而68#食品级白油价格仅约为紫皇冠FDA910密封油价格的1/5。经过1 a的使用，轴流泵运行稳定。

4 轴流泵长周期运行探讨[13-14]

4.1 轴流泵安装注意事项

AFH9500型轴流泵出、入口法兰安装同心度要求不大于1.6 mm，法兰不平行偏差要求不大于1.6 mm。泵出、入口法兰尺寸较大，在焊接配对法兰时，多个法兰现场焊接后无法达到泵安装要求，导致出现反复焊接的情况，可采取以下措施保证轴流泵安装质量。

4.1.1 以泵轴水平为基准

正常对中以泵法兰为基准，但轴流泵基础较长，在焊接、运输及安装过程无法避免底座变形[15]。以泵轴水平为基准不但可以排除底座变形对对中数据的影响，而且可以消除泵法兰本身尺寸偏差的影响。

为防止底座变形，轴流泵现场安装就位后，在轴流泵底座下每隔1.5 m增加支撑点，避免钢结构变形。

4.1.2 焊接质量控制

环管反应器结构特殊，轴流泵入口段管线无支撑，这样加大了入口法兰的焊接难度，需考虑焊接收缩现象。具体焊接质量控制方法为，焊接前首先保证泵轴水平，完成电机—增速箱—泵的对中。根据厂家经验，建议使用2.5 mm垫代替正式垫安装泵入口配对法兰，螺栓安装，用正常力矩紧固。在泵联轴器位置增加3块百分表，观察焊接过程中水平、垂直及轴向数据变化。焊接过程要控制电流、层间温度，并且保证2人对向焊接。当任意方向偏差大于0.5 mm时，需及时调整焊接位置和速度，从而保证整体焊接质量。

4.1.3 弹簧调节

轴流泵不同于其他泵，泵体连接在环管反应器上，环管在升、降温过程中，长度会有很大变化，所以轴流泵基座上设有多个弹簧用于支撑泵体，同时弹簧还有减振的作用。

为保证弹簧能够均匀受力，建议在安装最后阶段把垫铁撤掉，使用弹簧支撑整个泵基础时，在泵基础上架设百分表，确保由垫铁转到弹簧期间基础位置稳定。当确认泵基础有小幅上升时，则开始紧固下一组弹簧，最终确认弹簧高度在图样要求规范之内即可。

4.2 轴流泵初次投用注意事项

4.2.1 密封初次投用

机械密封初次投用前，需检查并落实密封流程是否正确、各密封接口是否正确、密封定位销是否取掉、密封旋向是否正确、密封内部是否吹扫干净、是否为带压密封、无压密封排空是否畅通、带压密封冲油是否排气以及密封静态保压是否合格等事项。

4.2.2 首次试车

润滑油在管线中循环正常，联锁调试合格后即可准备试车。带PLAN32系统的一定先启动PLAN32冲洗，然后再向反应器充装介质，避免密封出现反压情况。

充装介质时需要多次在多个位置排气，如果未充分排气，泵运转后会产生周期性振动[16]，可根据泵流量推算周期性振动时间。

5 结语

轴流泵能否长周期稳定运转将影响整个HDPE装置乃至全厂的物料平衡。对HDPE装置轴流泵试车过程中出现的机械密封问题进行了排查，经反复研究分析，最终在开工前消除了隐患，提高了机械密封使用安全性和寿命。影响轴流泵长周期稳定运行的因素不单是机械密封，轴流泵的安装、操作、联锁设置等同样重要。在试车初期，必须从安装开始逐一确认关键点，排除机械故障，消除机械密封的瓶颈问题，才能保证轴流泵长周期运行。