炼油装置中几种典型泵用机械密封及系统选型分析

第 52 卷第 4 期2015 年 8 月化　工　设　备　与　管　道PROCESS EQUIPMENT & PIPING V ol. 52　No. 4Aug. 2015

炼油装置中几种典型泵用机械密封及系统选型分析

王彬，程

（中国石油工程建设公司华东设计分公司，山东 青岛 266071）

摘 要：结合设计经验以及对API 682标准的研究，对泵用机械密封的选型要点进行了分析，主要包括密封类型、密封形式、布置方式、冲洗方案等。进而对炼油装置中的高温热油泵、高温热水泵以及强酸强碱泵机械密封及辅助系统的选型提出了合理化建议，对API 682中的PLAN53B 和PLAN23进行了改进，使之更好地为机械密封服务，有利于机械密封长期稳定运行。关键词：机械密封及系统；炼油；选型；泵

中图分类号：TQ 050.3； TH 136 文献标识码：A 文章编号：1009-3281（2015）04-0044-004

收稿日期：2014-11-12

作者简介： 王彬（1982—），男，河北保定市人，工程师。主要从

事旋转机械的设计选型工作。

由于机械密封具有密封性能好、工作可靠、泄漏量小、功率消耗少等特点，因而在国内外炼油化工生产的旋转设备中得到了广泛的应用，已经成为泵、压缩机、反应釜、搅拌器等工艺设备能否正常运转的关键部件。

随着环境保护和人类健康要求的提高，炼油装置中对泵用机械密封的要求也在不断提高。据统计，炼油装置中机泵故障的40%以上是由于机械密封发生泄漏而引起的。造成这一现象的原因，一是作为机泵中的动密封其本身所处的工作条件、起的作用所决定；二是许多国内设计单位以及工程公司认为机械密封及系统的选用是泵厂和密封厂的责任，往往对密封的类型、布置方式、冲洗方案了解不深，难以制定机械密封的选配方案，造成部分密封选型不当。在密封方案的选择中，除了密封本身安全可靠的设计外，密封的工作环境对密封寿命的影响更加重要，往往是由于密封工作环境的变化导致了密封的失效。因此密封系统的选择应更加受到重视。

本文结合自身设计经验以及通过与用户交流所得到的现场使用经验，对炼油装置中几种典型泵用机械密封及系统的选型进行了分析[1-8]。

1 泵用机械密封选型要点

美国石油协会API 682（Pumps-Shaft Sealing Systems for Centrifugal and Rotary Pumps ）标准中对机械密封的类别（Categories ）、类型（Types ）、布置

方式（Arrangements ）、冲洗方案（Flush plans ）等进行了分类，在工程应用中机械密封的选型也应注重以上要点进行分析。

另外，机械密封的pV 值是选择、使用和设计机械密封的重要参数，功耗、磨损与温升都与该值有关。pV 值越高，机械密封的技术水平及难度系数越高。1.1 机械密封类别（Categories ）的选择

API 682中规定了三种密封类别，一类密封（Category 1）用于非API 610尺寸密封腔，且密封腔温度为-40~260 ℃，密封腔压力≤2.2 MPa （A ）的场合，炼油行业大多采用API 610标准的泵，因此不建议采用此类密封。

二类密封（Category 2）用于满足API 610尺寸要求的密封腔，且密封腔温度为-40~400 ℃，密封腔压力≤4.2 MPa （A ）的场合，此类密封在炼油厂中应用最多，大多数烃类介质应用该类密封。

三类密封（Category 3）的温度、压力范围与2类相同，但对密封的认证试验以及图纸资料的要求更加严格，另外三类密封需要采用多孔均匀冲洗系统以及节流衬套需采用浮动石墨衬圈的形式。目前国内密封厂家不具备严格意义上的三类密封生产能力，因此仅建议在采用进口密封且应用场合要求极高的情况下选用。

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1.2密封类型选择

A型密封（Type A）采用多弹簧，止推环式补偿结构，补偿装置为旋转式，辅助密封圈为弹性O形圈；B型密封（Type B）采用无止推环，波纹管补偿结构，补偿装置为旋转式，辅助密封圈为弹性O形圈；C型密封（Type C）采用无止推环，波纹管补偿结构，补偿装置为静止式，辅助密封件为柔性石墨。

除以上3种标准密封形式之外，API 682还规定了4种替代密封，分别是静止式A（B）型密封、单弹簧式A型密封、旋转式C型密封。

1.2.1 静止式与旋转式机械密封的选择

在同一轴径下，采用静止式密封的径向尺寸要比采用旋转式大一个等级，因此旋转式密封具有径向尺寸小、安装方便的特点，一般情况下均采用旋转式密封。当密封端面线速度不小于23 m/s时，弹簧及其他旋转部件产生的离心力较大，动平衡要求较高，同时消耗搅拌功率，产生搅拌热，此时应采用静止式密封。

1.2.2 单弹簧与多弹簧机械密封的选择

单弹簧式机械密封结构简单，一般用于较小轴径的情况。

多弹簧式机械密封适用于较大轴径，其轴向尺寸小、轴向力均匀，适用于高速机械密封。但多弹簧的弹簧丝径小，因腐蚀或结晶颗粒积聚易引起弹簧失效或卡滞，此时应采用单弹簧式密封或采用合理的布置方式避免弹簧与介质接触，当采用单弹簧式机械密封时应采取一定措施使弹簧力分布更加均匀，进而避免因弹簧力分布不均而导致密封本体的失效。

1.2.3 弹簧式与波纹管式机械密封的选择

弹簧式机械密封追随性及补偿能力好，且能适应高压力场合，一般情况下应用较多。但由于弹簧式密封受辅助密封圈耐温限制，不能用于温度较高的场合，一般应低于200 ℃。

波纹管式机械密封可分为橡胶波纹管、聚四氟乙烯波纹管和焊接金属波纹管三大类。前两种波纹管由于弹力较小，均需加辅助弹簧，因而使用受到一定限制；现场应用较多的为金属波纹管，其具有较好的耐低、高温性能，温度范围可在-40~400 ℃。

1.3布置方式的选择

布置1（Arrangement 1）每套集装式密封中有一对摩擦副，分为带固定节流衬套（1CW-FX）和浮动节流衬套（1CW-FL）两种配置。布置2（Arrangement 2）每套集装式密封中有两对摩擦副，且缓冲流体压力低于密封腔压力，分为双接触式湿密封（2CW-CW）、接触式湿内密封（2CW-CS）和非接触式内密封（2NC-CS）三种配置。布置3（Arrangement 3）每套集装式密封中有两对摩擦副，且隔离液体压力高于密封腔压力，分为面对面（3CW-FF/3NC-FF）、面对背（3CW-FB/3NC-FB）和背对背（3CW-BB/3NC-BB）六种配置。

布置1主要适用于常温、无毒、无危害的介质；布置2主要适用于轻烃类、易汽化介质，当介质有毒时不推荐选用；布置3主要适用于高温、有毒、有害的介质以及不允许有介质泄漏的场合。

1.4冲洗方案的选择

API 682规定了25种冲洗方案，在炼油行业常用的有PLAN11、21、23、32、52、53、54、72、75、76等。

对于主密封温度小于80 ℃时可采用PLAN11自冲洗；温度在80~300 ℃之间时可采用PLAN21或PLAN23；温度高于300 ℃且有外冲洗条件的情况下建议采用PLAN32；当介质含有固体颗粒时，无论温度高低建议采用PLAN32。

在API 682的密封冲洗方案选择中推荐的是PLAN23，因为该冲洗方案可以降低冷却器负荷，对密封腔介质起到比较好的冷却效果，但是在介质比较脏或黏度较大时尽量采用 PLAN21，可保证冲洗液能更好地在回路里循环，防止被堵塞。

在某些高温且无外冲洗条件的场合，可以用特殊设计的高温波纹管密封来提高密封本身的耐温性能，而用PLAN21或23代替PLAN32，以节省投资。

次级密封冲洗方案的选择与介质的物理特性有很大关系，PLAN53、PLAN54 、PLAN72+75主要适用于介质有毒有害且不允许泄漏的场合，PLAN53B 受气囊耐温性的限制，不能应用于温度特别高的场合（300 ℃以下），此时可用PLAN53A代替；PLAN52、PLAN72+76适合用轻烃类易气化的场合，当PLAN52用于非气化场合时建议增加高液位报警，以防止泄漏出的介质充满缓冲罐。

1.5内装与外装机械密封的选择

内装式机械密封端面比压随介质压力增加而增加，介质泄漏方向与离心力方向相反，密封性能好，泄漏量小，因此内装式机械密封得到了广泛的应用。外装式机械密封受力较差，端面比压随介质压力增

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