孟剑

摘 要：对一种BB2结构形式高温辐射进料泵的非驱动端机械密封在运行过程中的渗漏故障进行分析得出，机械密封泄漏故障的根本原因是密封腔泵送介质压力偏高，内侧密封冲洗液（P32）及外侧密封冲洗系统（P53A）隔离液压力偏小，无法满足冷却润滑密封动静环要求，导致机械密封长时间在高温、高压状态下运行失效。为消除泵运行安全隐患，对泵的降压系统进行了模型分析与优化设计，将密封腔体介质压力由原来的1.2 MPa降低至约0.3 MPa，实现了密封冲洗液对密封动静环的充分冷却和润滑，延长机械密封使用寿命，提高机组安全运行的可靠性，有效降低了运维成本。

关键词：辐射进料泵;节流套;泄压系统;泄漏量

中图分类号：TQ520.5文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）16-0047-04

Abstract： Based on the analysis of the leakage of the mechanical seal at the non drive end of a BB2 structure high temperature radiation feed pump in the process of operation， it was concluded that the root cause of the leakage of the mechanical seal was the high pressure of the pumped medium in the seal cavity， the low pressure of the internal seal flushing fluid （P32） and the external seal flushing system （p53a） isolating fluid， which could not meet the requirements of the dynamic and static rings of the cooling lubrication seal， resulting in the mechanical seal fails in high temperature and high pressure for a long time. In order to eliminate the potential dangers of pump operation ， the model analysis and optimization design of the pump's pressure reduction system were carried out， and the medium pressure of the sealing cavity was reduced from the original 1.2 MPa to about 0.3 MPa， which realized the sufficient cooling and lubrication of the moving-fix ring ， and extended the work life of the mechanical seal， improved the reliability and safety of the machine unit， reduced the cost of operation and maintenance efficiently.

Keywords： radiation feed pump;throttle sleeve;pressure relief system;leakage

延遲焦化装置中辐射进料泵，也称为加热炉进料泵，是焦化装置的关键设备，其功能是将300 ℃以上的焦化渣油从分离塔底抽出，经由燃烧炉辐射室快速升温后，送至焦炭塔反应生焦。该泵的特点是流量大、扬程高、功率消耗大，是延迟焦化装置用电大户。某炼化厂延迟焦化装置中，采用BB2结构形式的加热炉进料泵共3台，并联安装，两开一备运行，泵送出来的渣油经出口截止阀后分成8个支路进入燃烧炉升温，然后再进入焦炭塔，在8个支路上设置调节阀控制流量。3台泵自投入运行以来，泵的性能指标良好;但是，非驱动端机械密封每运行2个月左右，便出现渗漏现象，对故障机械密封解体检查后发现，两道密封的动静环均存在不同程度的磨损现象，此项指标与泵厂家所提供的维修计划中机械密封使用寿命8 000 h以上严重不符[1]。

该泵非驱动端机械密封频繁发生故障，不但额外增加了公司的运维成本，而且存在安全隐患，为了彻底解决这一隐患，经分析排查后发现，导致机械密封故障的根本原因是机械密封长时间运行在非设计工况下导致密封失效。本文将从现场实际情况出发，结合该泵的结构及现场运行情况，就如何彻底解决非驱动端机械密封频繁失效进行了相关研究，并进行了成功改造。

1 高温辐射进料泵概述

1.1 设计参数

高温辐射进料泵用于输送高温焦化渣油，主要设计参数如表1所示。

1.2 泵体结构

如图1所示，该泵为单壳体径向剖分式离心泵，3级叶轮串联，首级采用双吸叶轮，可减少轴向推力，还可有效增加泵的抗汽蚀性能，次级、末级采用单吸叶轮，设置平衡孔，用以平衡水力轴向力;泵体和叶轮口环采用骑缝螺钉固定，可提高泵的效率并维持泵的稳定性;泵的吸入、吐出口均垂直向上，与泵体整体铸造成型，采用双蜗壳结构，可有效平衡水力径向力，确保泵在全部工作范围内的稳定性;采用中心线支撑、径向剖分设计，可有效防止高温高压下变形;非驱动端设置一对角接触球轴承承受残余轴向力，径向力由驱动端深沟球轴承承受，轴承采用稀油自润滑。

1.3 非驱动端密封冲洗系统

该泵的驱动端与非驱动端采用相同型号的集装式双端面机械密封。由于泵送介质为高温焦化渣油，密封的冲洗方案采用《石油、石化和天然气工业用离心泵》（API610—2010）中的P32+P53A+P62[2]。

第一道密封采用《石油、石化和天然气工业用离心泵》（API610—2010）中的P32外冲洗系统，如图2所示，冲洗液为外部干净的不污染泵送介质的流体，冲洗液的压力、流量可进行调节。

第二道密封采用《石油、石化和天然气工业用离心泵》（API610—2010）中的P53A密封冲洗系统进行冲洗。该系统为一闭式自循环系统，循环所需的动力由机械密封内部的泵效环完成，隔离液储液罐压力（压力可调）高于密封腔室介质压力，隔离液一般选用白油，P53A密封系统如图3所示。

第三道密封P62是机械密封急冷系统。该系统的目的是阻止高温介质通过泵轴将高温传递到推力轴承处，导致轴承温度过高。该系统的冷却水由外部冷却水源供给。P62密封急冷系统如图4所示。

2 故障根本原因分析与检测

經过原因查找，初步判断非驱动端机械密封频繁故障的原因可能是密封腔室介质压力高于冲洗液压力，导致机械密封在高温、高压非设计工况下运行。为验证此故障判断的准确性，通过非驱动端密封腔室与泵入口连接的泄压管线对密封腔室压力进行现场测量，测量结果为泄压管线介质压力为1.2 MPa，该压力远超过密封冲洗液与隔离液的压力。P32冲洗液为蜡油，其温度约90 ℃，压力0.5 MPa;P53A隔离液为白油，压力0.49～0.52 MPa。

3 方案可行性分析

经过分析，提出以下两种解决方案。

第一，提高密封冲洗液的压力，使其超过密封腔室压力（1.2 MPa）。增加密封冲洗液压力：通过计算，需要将P32系统冲洗液的压力增加至约12.1 MPa，P53A系统隔离液压力增加至约12.4 MPa，即可满足密封的要求，对现场操作来讲，此方案最为简单。对该方案进行综合性评估，发现单纯地增加密封冲洗液压力将会额外增加指向驱动端的轴向力（根据该泵的结构，泵运转时，水力轴向力指向驱动端），影响转子平衡，造成推力轴承承受载荷增加，长时间运行将导致该轴承温度偏高，从而使轴承寿命降低。

第二，降低密封腔压力，使其与驱动端密封腔压力相近。降低密封腔室压力：根据该泵的结构，绘制了简易的非驱动端密封腔体降压系统，如图5所示，可通过增加节流套的降压能力（流阻）及加大泄压管线过流能力，使通过节流套泄漏的泵送介质能完全通过泄压管线回到泵入口，达到动态平衡。该方案不仅可彻底解决密封频繁故障，而且不会造成其他新的潜在故障的发生，对于泵的稳定性也有所提高。

通过分析上述两种方案的可行性，本项目采用降低非驱动端机械密封腔室压力的方案进行项目改造，以彻底解决机械密封频繁损坏的故障。

4 泵降压系统优化设计

为了得到相对准确的计算结果，在对该泵更换机械密封时，按照相应要求对其进行了局部解体，测量了节流套间隙、节流套有效长度、泵盖泄压孔、泄压管内径，测量结果如表2所示。

从以上计算结果可以得出，节流套泄漏量[q1]与泄压管线过流量[q2]基本相等，维持了动态平衡，计算结果准确，此时机械密封腔室压力[P2]=1.2 MPa。

假设将机械密封腔室压力降低至[P2]=0.35 MPa，按照现有节流套测量参数，根据公式（1）计算节流套的泄漏量[q1]=12.64 m3/h，泄漏量增加了28.6%;同时按照公式（2）计算泄压管或孔的过流量[q2]=4.49 m3/h，该数值约为节流套泄漏量的1/3，出现了严重不匹配的现象，只有将泄压管线内径增加至24 mm，此时计算[q2]=12.96m3/h，该过流流量与节流套泄漏量基本相等，维持了动态平衡。

考虑到只增加泄压管线内径，由原来的15 mm增加至24 mm，将会导致泵的内漏增大，造成泵的效率下降，本项目优化改造时应尽可能保证节流套与未改造前泄漏量（9.83 m3/h）基本保持一致，因此计划将采用如下两种方案同时进行：第一，将原节流套结构改为齿形结构，增加流阻，如图6所示;第二，适当增加泄压孔孔径，可增加过流能力。

5 轴套结构优化设计

虽然通过齿形节流套、增大泄压孔径的方案可满足降低机械密封腔室压力的要求，达到预期的效果;但是，为了增加此次项目改造的可靠性，计划再将轴套结构改为螺旋槽形式（如图7所示），这样可增加一定的流阻，进一步降低节流套泄漏量，增加方案的可靠性[5]。

为了对螺旋槽计算结果进行验证，对螺旋槽进行了三维建模以及数值模拟分析计算，计算过程如图8所示，计算结果为螺旋槽可提供的流阻是0.025 5 MPa，与理论计算结果基本相同。

6 优化方案的确定

从该泵的安全性考虑，最终采取了综合性的优化方案，即节流套采用齿形节流套、扩大泵盖泄压孔径、与节流套配合的轴套采用螺旋槽结构三个方案叠加实施，先对3台泵中的1台泵进行优化改造。

按照以上方案对泵改造后，泵运行稳定后对非驱动端机械密封腔室压力进行了测量（泄压管线上取测量点），测量结果为0.3 MPa，比预期结果偏好，项目改造非常成功。

7 结论

项目优化设计，彻底解决了非驱动端机械密封故障频发的现象，降低了公司运维成本。

优化结果表明：降低密封腔室压力的根本措施是保持节流套泄漏量与泄压管线过流能力达到动态平衡;基本参数相同的节流套，采用齿形结构的节流能力较平直结构的节流能力高约20%;螺旋密封槽的旋向根据转速进行准确判断，螺旋角的变化对密封能力影响比较敏感;密封腔室压力过大，除会导致机械密封故障频发外，还会引起轴向力偏大，导致轴承运行温度偏高，降低轴承寿命。

参考文献：

[1]陶铁梅.延迟焦化辐射进料泵节能改造[J].流体机械，2014（7）：51-54.

[2]美国石油协会.石油、石化和天然气工业用离心泵：API610-2010[S].11版.2010.

[3]关醒凡.现代泵理论与设计[M].北京：中国宇航出版社，2011.

[4]黄军宜，周丽芬，孟小松.离心泵用机械密封腔压力的确定[J].机械，2010（S1）：15-17.

[5]罗惕乾.流体力学[M].3版.北京：机械工业出版社，2007.