国内外Plan54密封冲洗方案设计理念的差异

国内外Plan54密封冲洗方案设计理念的差异国内外各石化装置中，输送易燃易爆、有毒有害等不允许泄漏到大气中的危险介质时，机泵等设备一般采用带压双端面机械密封。作为隔离液的密封油压力一定要高于介质，这样一旦内密封发生泄漏，密封油就会流入介质中，从而确保介质绝对不会外漏。配套的密封冲洗方案一般选择Plan53或Plan54。前者密封油为自循环，采用热虹吸罐或换热器进行冷却，采用外部气源或蓄能器进行保压；后者则采用独立的油泵使密封油进行强制循环，可同时满足几台甚至几十台设备的需求。图1Plan54冲洗方案示意图上海漕泾化工区中石化三井三元乙丙橡胶装置里的动设备密封冲洗方案在设计时参考了日本三井同类装置，采用的是Plan54方案。集中提供的密封油按压力分为三种：低压（0.6MPa）、中压（1.2MPa）和高压（4MPa）。每种密封油都由各自的油泵进行输送，先从油罐经过泵增压后进入冷却器降低温度、过滤器去除杂质后进入进油总管；随后分流到各台设备的密封中；冲洗后再汇集到回油总管，最后流回油罐完成循环。几乎所有用到密封油的机泵、搅拌器等都包含在这个外部循环系统中，数量达到了几十台，这在国内也是比较少见的。正是由于经验不足使得设计该冲洗方案时出现了疏漏，教训可谓深刻。现场有两台关键的P-201AB离心泵，入口压力2.1MPa，出口压力2.3MPa，串联机封，密封油压力要求控制在2.34-2.6MPa。按原设计该泵采用的也是Plan54方案，要求在泵密封油入口处加装节流孔板对高压密封油进行减压，降至要求范围后再进入密封腔。施工完成后才发现这个方案其实存在一个很大的问题：循环系统中的回油总管压力并不是想象中的常压，而是同样高达3.7MPa左右。一旦在入口处减压，密封油还能流入回油总管吗？！实际运行时，该泵的密封油必然会停滞在分流管线中无法汇入回油总管，热量积聚造成密封快速失效。经过仔细研究分析，发现之所以会出现这种情况的深层次原因其实是日本和国内的密封设计理念有所不同。国内密封厂商的通常设计思路是密封油压力要根据密封腔处的介质压力来确定，一般前者要比后者高0.1-0.4MPa左右。压差过小则无法保证内端面失效时密封油流向介质，压差过大则会使密封面及密封元件负荷加剧，影响寿命。而密封腔介质压力的大小与泵进出口压力、泵的类型和结构等因素有关。根据多年以来业内人总结的经验得到以下几点：1.对于采用单级双吸式叶轮的双支撑泵，两侧密封腔中的压力均等于泵入口压力2.对于两级双支撑泵：入口端密封腔压力=泵入口压力；出口端密封腔压力=一级叶轮出口压力=（泵入口压力+出口压力/2）；3.对于多级双支撑泵：入口侧密封腔压力=泵入口压力；出口密封腔压力，根据平衡盘和平衡管布置分析：密封腔压力有时等于入口压力，有时只是一中间级出口压力，有时是泵的出口压力；4.悬臂式单机泵，与轴向力平衡方法及叶轮和泵体的口环向间隙有关，叶轮带平衡孔的悬臂泵，当口环间隙不大时，密封腔压力基本等于泵入口压力，口环间隙大时比泵的入口压力高0.05～0.1MPa；另外也可采用经验算法：密封腔压力=进口压力+扬程/3；5.悬臂式两级离心泵：密封腔压力等于泵的入口压力。当然以上这些都只是近似算法，最可靠的做法还是在密封腔处安装压力表，在试车时进行实际测量，这样得出的结果才是最准确的。对于P-201AB这种采用开式叶轮的悬臂式单级泵，设备厂家提供的密封腔介质压力为2.2MPa，比入口压力高0.1MPa。于是密封厂家将该泵密封油压力设定为2.34-2.6MPa，这样就足以保证内端面失效时密封油会向介质侧泄漏。国内这种“够用即可”的设计理念沿用多年至今其实并无不妥，但日本的“绝对安全”设计理念则完全出人意料。与日方人员交流后，得知日本的此类设备使用的密封油压力竟然比出口压力还高！比如同样入口压力为0，出口压力2.0MPa的泵按国内设计密封油压力只要0.2-0.5MPa就足够了；而日本设计的密封油压力则至少高达2.1MPa以上，差距如此之大！之所以这么设计的原因是为了在极端工况下――比如出口压力关闭或静压试验时――也能保证介质绝对不会进入密封油。所以相似工况的设备，日本采用的机械密封材质规格和承压等级要比国内高得多，可以说为了安全不计成本。这两种设计理念用在现场就出现了截然不同的结果。以P-201AB为例，国内密封厂家按入口压力为基准，选用的密封适用的油压范围很窄，为了配合Plan54提供的高压密封油而不得不采取减压措施。却不料疏忽了回油管线压力过高的问题，造成无法顺利回油；而日本设计的密封所需油压本来就要高于出口压力，只要将密封的承压等级提高就能直接使用高压密封油。放眼于整个装置，由于各台设备的进出口压力各不相同，相差很大，但装置提供的密封油却只有三种规格。所以设备想采用Plan54方案，密封选型时适用的密封油压范围一定要广。按日本设计，出口压力范围在1.2MPa到3.9MPa左右的设备都能使用Plan54方案的高压密封油；而按国内设计，恐怕只有进口压力在3.5-3.8MPa左右的设备才能适用了，否则只能放弃改成其他冲洗方案。最终根据现场实际条件，决定将P-201AB更换成Plan53B独立冲洗方案。改造后的实际使用效果还不错，正常运行状态下2-3周才需要进行补液，符合标准。这次的突发情况可谓有惊无险，从中也获得了不少宝贵的经验。Plan54方案尽管成本低廉，维护方便，但选用时一定要注意设备密封油的压力范围，生搬硬套实不足取。（作者单位：上海高桥捷派克石化工程建设有限公司）