- ▸Насосы нижнего отбора атмосферно-вакуумной перегонки перекачивают остаточное масло при 350-380℃; обычный углеродный графит с пропиткой смолой карбонизируется и выходит из строя выше 300℃, поэтому требуется графит с металлической пропиткой сурьмой (рассчитанный на 500℃)
- ▸При высоких температурах жидкостная пленка на торцах легко испаряется; для снижения температуры в камере уплотнения ниже 200℃ необходимы схема API 682 План 23 (самоочищающаяся циркуляция с охлаждением) или комбинация План 21+23
- ▸Конструкция с балансировкой (коэффициент нагрузки B=0,7-0,8) снижает удельное давление на торцы; в сочетании с SiC в качестве материала сопряжения ресурс достигает 12000-16000 часов
- ▸Huahao Sealing увеличила срок службы уплотнений с 4000 до 14000 часов при модернизации атмосферно-вакуумного блока Sinopec с производительностью 8 млн тонн в год
- ▸Три фактора выбора: градиент температуры среды, содержание твердых частиц и частота пусков-остановок — вместе определяют тип пропитки и комбинацию схемы промывки
Насосы нижнего отбора перекачивают остаток при 350–380℃, а углеродный графит с пропиткой смолой карбонизируется выше 300℃ — поэтому материал для уплотнений горячего масляного насоса практически единственный: графит с пропиткой сурьмой. Но материал — лишь треть решения: жидкостная пленка на торцах при высокой температуре легко испаряется, поэтому для снижения температуры в камере уплотнения необходима схема самоочищающейся циркуляции API 682 План 23, а балансировочная конструкция контролирует давление на торцы. В статье поэтапно рассматриваются материал, конструкция и схема промывки с примерами из нефтеперерабатывающих заводов.
1. Условия эксплуатации и механизмы отказов
1.1 Проблемы уплотнения при высокотемпературном остатке
Среда насосов нижнего отбора атмосферно-вакуумной перегонки характеризуется «тремя высокими и одним содержащим»: высокая температура (350-380℃), высокая вязкость (100-500 мм²/с), высокое давление насыщенного пара (склонность к испарению) и наличие твердых частиц (кокс, ржавчина). Высокая температура карбонизирует пропиточную смолу обычного углеродного графита выше 300℃; высокая вязкость увеличивает крутящий момент трения на торцах, вызывая термическое растрескивание; перепад давления на торцах вызывает испарение, разрушающее пленочное смазывание; частицы кокса, попадая на торцы, ускоряют износ.
1.2 Типичные режимы отказов
Статистика с объектов показывает, что 70% отказов торцевых уплотнений высокотемпературных масляных насосов приходится на три категории: термическое растрескивание поверхности графитового кольца (35%), карбонизация пропитки (22%) и заклинивание пружины из-за усталости (13%). Первые два напрямую связаны с выбором материала углеродного графита.
2. Выбор материала: углеродный графит с металлической пропиткой сурьмой
2.1 Почему не пропитка смолой
Углеродный графит с термореактивной пропиткой смолами (фенольной, фурановой) имеет предельную рабочую температуру 200-220℃ в длительном режиме и до 250℃ в кратковременном. В остаточном масле при 350℃ смола постепенно карбонизируется в течение 500-2000 часов. После карбонизации объем уменьшается на 8-12%, пористость возрастает с 2% до более 8%, и на уплотнительной поверхности появляются протечки из-за проникновения.
2.2 Преимущества металлической пропитки сурьмой
Углеродный графит с металлической пропиткой сурьмой (Sb) выдерживает температуру до 500℃ (температура плавления сурьмы 630℃). После пропитки пористость графита снижается до менее 1%, а слой металлической пропитки не разлагается и не усаживается при высокой температуре, оставаясь стабильным в долгосрочной перспективе. Теплопроводность сурьмы (24 Вт/(м·К)) значительно выше, чем у смолы (0,2 Вт/(м·К)), что способствует эффективному отводу тепла от трения уплотнительных поверхностей.
Углеродный графит M106D с пропиткой сурьмой от Huahao Sealing при эксплуатации в остаточном масле при 380℃ демонстрирует: средний срок службы M106K с пропиткой смолой составляет 4200 часов, тогда как M106D с пропиткой сурьмой — 13800 часов, что в 3,3 раза выше.
2.3 Выбор сопрягаемого материала
Для работы с остаточным маслом при высокой температуре рекомендуется сочетать углеродный графит с карбидом кремния (SiC). Теплопроводность SiC достигает 120-150 Вт/(м·К), что в три раза выше, чем у твердых сплавов, что обеспечивает быстрый отвод тепла от трения уплотнительных поверхностей. Следует избегать использования оксида алюминия (алюминиевой керамики) с теплопроводностью всего 30 Вт/(м·К), так как она склонна к термическим трещинам при высоких температурах.
3. Особенности конструктивного проектирования
3.1 Коэффициент сбалансированной нагрузки
Для работы при высокой температуре необходимо использовать конструкцию сбалансированного типа с коэффициентом нагрузки B в диапазоне 0,7-0,8. Несбалансированные конструкции (B≥1) создают чрезмерное удельное давление на уплотнительные поверхности при 350℃ в остаточном масле, что выдавливает истончённую высокотемпературную пленку и приводит к сухому трению.
3.2 Металлические гофры вместо пружин
Для насосов, работающих с высокотемпературным маслом, рекомендуется использовать металлические гофры из Inconel 718 вместо традиционных цилиндрических спиральных пружин. Гофры выполняют функции как упругого элемента, так и дополнительного уплотнения, исключая необходимость в уплотнительных кольцах (FKM-уплотнения при 350℃ служат всего 2000-3000 часов) и обеспечивая общую термостойкость выше 400℃.
4. Схемы промывки: API 682 План 23
4.1 Самоочищающаяся циркуляционная схема План 23
План 23 является предпочтительным решением для насосов, работающих с высокотемпературным маслом: рабочая среда забирается из камеры уплотнения, охлаждается в охладителе до температуры ниже 200℃ и возвращается обратно в камеру уплотнения, образуя замкнутый контур. Расход охлаждающей воды составляет около 0,5-1,0 м³/ч, что снижает температуру в камере с 350℃ до 180-200℃, что практически исключает риск испарения.
4.2 Комбинация План 21+23
Для вакуумного остаточного масла с повышенным содержанием частиц План 21 (чистое восковое масло с выхода насоса, сниженное по давлению через отверстие и подаваемое в камеру уплотнения) может использоваться параллельно с Планом 23 — это двухконтурная схема промывки, которая одновременно охлаждает и препятствует попаданию частиц.
5. Кейсовое исследование Huahao Sealing
Нижний насос атмосферно-вакуумного блока Sinopec мощностью 8 миллионов тонн в год (расход 450 м³/ч, температура 365℃, среда с содержанием коксовой пыли) изначально использовал импортное торцевое уплотнение со средней наработкой на отказ 4000 часов и тремя остановками на протечки в год. После перехода в 2019 году на решение Huahao Sealing с уплотнительным кольцом M106D + SiC + гофрой из Inconel + Plan 23 средний срок службы достиг 14000 часов. За 4 года и 56000 накопленных часов было заменено всего 4 комплекта уплотнений, что позволило сэкономить около 800000 CNY на запасных частях.
Выбор требует учета трех факторов: градиента температуры среды, содержания частиц и частоты пусков/остановок. Большие перепады температуры требуют использования гофр; высокое содержание частиц — схемы Plan 21+23; частые пуски и остановки требуют снижения удельного давления на торцы до 0.3-0.4 MPa.