立式攪拌釜機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)分析與改進(jìn)

顧炳其

(中國石化上海石油化工股份有限公司滌綸部， 200540)

立式攪拌釜機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)分析與改進(jìn)

顧炳其

(中國石化上海石油化工股份有限公司滌綸部， 200540)

立式攪拌釜R－21機(jī)械密封原設(shè)計采用雙端面非平衡型多彈簧機(jī)械密封，帶外置反沖洗裝置和循環(huán)冷卻液，由于高溫導(dǎo)致密封圈失效和軸的大擺動導(dǎo)致密封面跳動大，使得原結(jié)構(gòu)機(jī)械密封使用周期較短。2002年進(jìn)行了增量改造，加長了攪拌軸，攪拌槳葉由二級改成三級，加大了軸的徑向擺動，更加劇了機(jī)械密封的失效。對機(jī)械密封使用周期短的原因進(jìn)行了深入分析，提出了改進(jìn)方案并進(jìn)行了實施，延長了使用周期。

機(jī)械密封 失效 改進(jìn) 效果

立式攪拌釜R－21是中國石化上海石油化工股份有限公司滌綸部200 kt/a鐘紡聚酯生產(chǎn)流程中的關(guān)鍵設(shè)備，從日本引進(jìn)，1983年投產(chǎn)，釜腔壓力為0.07 MPa，溫度290℃左右。該反應(yīng)釜帶有立式攪拌裝置，包括電機(jī)、減速箱、機(jī)械密封軸與攪拌軸。攪拌軸為懸臂式，懸臂長度達(dá)到4 000 mm，為二級攪拌槳葉，攪拌軸轉(zhuǎn)速為200 r/min。攪拌軸密封采用的是Φ180 mm雙端面非平衡型機(jī)械密封，有外置的反沖洗裝置，沖洗液為乙二醇。機(jī)械密封軸上有冷卻夾套，在運行中機(jī)械密封失效是該反應(yīng)釜的主要故障。2002年裝置進(jìn)行了增量改造，生產(chǎn)能力從200 kt/a擴(kuò)能到370 kt/a。立式攪拌釜R－21是生產(chǎn)線上第一酯化反應(yīng)釜，為了滿足整條生產(chǎn)線增量改造，立式攪拌釜R－21筒體增加1 500 mm，同時攪拌軸也增加1 500 mm。攪拌軸懸臂長達(dá)5 500 mm，再加上機(jī)械密封軸法蘭端面到軸承支撐點為1 000 mm，使得攪拌軸下端到軸承支撐點總長達(dá)6 500 mm，為三級攪拌槳葉。僅靠機(jī)械密封組件上端的兩副角接觸向心球軸承固支，底部無支撐軸承，軸的剛度相對較小，攪拌軸工作時軸下端擺動比原來更大，導(dǎo)致下端機(jī)械密封的徑向跳動很大，下端機(jī)械密封又靠近高溫區(qū)，使機(jī)械密封的失效問題更嚴(yán)重，因此解決機(jī)械密封失效問題以方便檢修至關(guān)重要。

1 聚酯生產(chǎn)線非計劃停車故障情況

200 kt/a(改造后為370 kt/a)鐘紡聚酯共有6條生產(chǎn)線，每條生產(chǎn)線上主要設(shè)備有5臺反應(yīng)器、4臺熔體齒輪泵及3套真空泵系統(tǒng)，2000－2006年，共發(fā)生6次引起檢修的設(shè)備故障，其中R－21反應(yīng)釜故障所占比例見表1。

表1 設(shè)備故障引起生產(chǎn)線停車檢修統(tǒng)計

由表1可知，R－21反應(yīng)釜引起的故障在鐘紡聚酯裝置故障次數(shù)中的比例達(dá)到67%，常見故障為機(jī)械密封泄漏失效。上端面機(jī)械密封失效導(dǎo)致反沖洗液外漏到軸承導(dǎo)致軸承損壞，而漏到高溫釜體上則引起火災(zāi);下端面機(jī)械密封失效則反沖洗液內(nèi)漏到釜內(nèi)導(dǎo)致工藝無法控制。一旦出現(xiàn)嚴(yán)重故障，就要進(jìn)行釜內(nèi)物料排空、清洗、降溫、機(jī)械密封修復(fù)、再組裝、升溫等復(fù)雜的檢修工程，檢修時間很長。

2 原裝機(jī)械密封結(jié)構(gòu)在增量改造后的失效分析

2.1 原裝機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

原裝機(jī)械密封結(jié)構(gòu)見圖1所示。該設(shè)計采用Φ180 mm雙端面非平衡型多彈簧機(jī)械密封，無軸套直接安裝在軸上。軸上開冷卻槽，槽內(nèi)焊接了一只長200 mm，壁厚10 mm的冷卻夾套，夾套上開孔使冷卻液進(jìn)入軸的槽內(nèi)，對機(jī)械密封進(jìn)行冷卻。密封腔體上開有兩個沖洗冷卻孔，沖洗液下進(jìn)上出。此外，密封腔體上還有一個冷卻腔體，通過冷循環(huán)卻水對腔體降溫。機(jī)械密封軸下端法蘭聯(lián)接攪拌軸，上端聯(lián)接減速箱，整個攪拌與機(jī)械密封的支撐為兩副角接觸向心球軸承。

圖1 原裝機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

2.2 增量改造后機(jī)械密封失效分析

原裝機(jī)械密封在反應(yīng)釜未增量改造時故障也較多，而R－21反應(yīng)釜增量改造后故障更頻繁、使用壽命更短，為此對密封失效的原因進(jìn)行具體分析。

(1)該機(jī)械密封采用雙端面非平衡型多彈簧機(jī)械密封。改造后機(jī)械密封與攪拌軸總長達(dá)到6 500 mm，軸徑向擺動更大，動靜環(huán)摩擦副跳動增加;下端多彈簧機(jī)械密封追隨性較差，下端輔助密封圈在高溫條件容易失效，在高溫與徑向擺動雙重作用下機(jī)械密封使用壽命短。

(2)機(jī)械密封離高溫區(qū)較近、傳熱路徑短，因此原結(jié)構(gòu)在軸上設(shè)計了冷卻夾套腔體，但是這樣直接導(dǎo)致軸的剛性變差。

(3)原設(shè)計為兩副NSK 7236A角接觸向心球軸承，考慮到軸承潤滑問題，因此采取了面對面安裝，此安裝導(dǎo)致軸承的支撐距離短，軸的擺動大，影響機(jī)械密封壽命。

(4)殼體夾套冷卻下部腔體較小，冷卻不充分。冷卻液面較低，容易引起上端機(jī)械密封冷卻和潤滑不充分。

(5)原機(jī)械密封的檢修維護(hù)必須對釜進(jìn)行置換清洗后才能進(jìn)行，因此極不方便。

(6)底部無支撐軸承，軸的剛度相對較弱，釜工作時軸下端擺動較大，導(dǎo)致下端機(jī)械密封的徑向跳動變大。

2.3 確保機(jī)械密封運行平穩(wěn)及方便檢修的改進(jìn)措施

2.3.1 改進(jìn)軸徑向載荷

考慮到軸的剛性、受力問題及降低懸臂梁的擺動，選用徑向載荷性能好的軸承型號，以兩副NSK HR32040XJ圓錐滾子軸承替代原兩副NSK 7236A角接觸向心球軸承。為了進(jìn)一步增加軸的剛性，改善密封環(huán)境，軸承采取背對背的安裝方式，以達(dá)到增加支撐距離，減小軸的擺動的目的;為了保證軸承的潤滑，在兩軸承之間增加導(dǎo)油環(huán)，使?jié)櫥屯ㄟ^導(dǎo)油環(huán)向兩軸承分配，保證潤滑充分。軸的懸臂下端增設(shè)一個輔助支撐軸承，降低攪拌軸的振擺值，改善機(jī)械密封運行條件。軸承載荷能力由表2可知，負(fù)載能力得到很大提高。

表2 軸承載負(fù)能力對照 N

2.3.2 增加冷卻效果

機(jī)械密封設(shè)置于軸承下部，離高溫釜體較近，因此在保留原來的兩套冷卻系統(tǒng)基礎(chǔ)上增大冷卻腔體，殼體在保證強(qiáng)度的情況下要盡量薄，從而能夠迅速帶走熱量。改善密封部位的工作環(huán)境，潤滑冷卻密封介質(zhì)的出口設(shè)置應(yīng)該高于上密潤滑液進(jìn)口(見圖2)，使整個密封系統(tǒng)潤滑冷卻充分。

圖2 改進(jìn)后的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

2.3.3 增加機(jī)械密封軸剛性，取消冷卻槽夾套

經(jīng)分析認(rèn)為，原軸結(jié)構(gòu)上的冷卻槽夾套設(shè)置不合理，在直徑為Φ180 mm，轉(zhuǎn)速為200 r/min，線速度為1.9 m/s的條件下冷卻槽夾套內(nèi)腔起不了作用，冷卻液不可能從進(jìn)口入從出口出，降低了軸性能，并且在夾套焊接處產(chǎn)生疲勞裂紋，此時夾套處實際工作軸徑為140 mm(軸槽腔體加夾套壁厚)，軸性能進(jìn)一步降低，工作風(fēng)險很大。另外殼體上已經(jīng)采取了增加冷卻效果的措施，因此取消軸冷卻夾套，消除夾套焊接處產(chǎn)生疲勞裂紋造成密封內(nèi)漏及軸性能降低的問題，改善軸的工藝性與性能，尺寸設(shè)計保證原有安裝尺寸不變。取消了冷卻夾套，加工工藝性能更好，軸強(qiáng)度和剛度得到改善［1］。根據(jù)軸強(qiáng)度和剛度計算式可知，在其他條件相同情況下，軸的強(qiáng)度和剛度與軸徑正相關(guān)，所以不再進(jìn)行強(qiáng)度和剛度計算。

2.3.4 改進(jìn)機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

由于機(jī)械密封下端面相對剛性差、溫度高，因此將下端面機(jī)械密封設(shè)計成金屬波紋管密封，保證機(jī)械密封有較強(qiáng)的追隨性并能耐高溫，使輔助密封的結(jié)構(gòu)變化，形式多樣。同時遠(yuǎn)離高溫區(qū)，特別是補(bǔ)償環(huán)O型圈靜置于上部，密封環(huán)軸向移動時影響不到O型圈密，密封性能好，充分保證機(jī)械密封整體長周期運行。

由于上端面機(jī)械密封離軸承較近，剛性較好，同時遠(yuǎn)離高溫區(qū)，有較好的密封環(huán)境，使機(jī)械密封長周期運行成為可能，因此將上端面機(jī)械密封設(shè)計成多彈簧平衡型機(jī)械密封。

2.3.5 改進(jìn)組成集裝式機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)

原密封裝置檢修維護(hù)性差，機(jī)械密封直接在軸上組裝，合格率低、反復(fù)多，因此將機(jī)械密封、軸承和殼體等組裝成集裝式機(jī)械密封。具體措施是設(shè)計一個長軸套，將機(jī)械密封組件、軸承及密封腔體等與它組裝在一起，組成集裝式機(jī)械密封，組裝好的密封裝置經(jīng)靜態(tài)與動態(tài)試車合格后，檢修時整體安裝，保證密封質(zhì)量，并在較短時間內(nèi)完成。

2.3.6 設(shè)置方便檢修的密封裝置與支撐結(jié)構(gòu)

考慮到檢修過程中希望僅更換機(jī)械密封，不對釜進(jìn)行置換清洗，以減少化工原料損失并能在較短時間完成檢修，因此增設(shè)了方便檢修的密封裝置與支撐結(jié)構(gòu)。具體方法是在釜口法蘭上設(shè)計一錐面作為檢修密封座(見圖2)，檢修維護(hù)時不用拆卸，并設(shè)計一個檢修密封體及分瓣支撐環(huán)，讓密封體固定于軸上。其工作原理是，工作時密封體與密封座分離并隨軸轉(zhuǎn)動;停車檢修時，松開上部鎖緊螺母后，檢修密封體隨軸及攪拌軸在重力作用下自動下移，使密封體與密封座接觸并支撐于密封座上，使其達(dá)到常壓密封，以利于后續(xù)檢修。密封錐面的設(shè)計應(yīng)充分考慮初始密封狀態(tài)的形成，保證有效密封。

3 機(jī)械密封的設(shè)計計算［2］

改造后密封結(jié)構(gòu)已改變，對幾個主要參數(shù)進(jìn)行校驗計算，確定改進(jìn)后的機(jī)械密封達(dá)到改進(jìn)要求，特別是PcV值是衡量機(jī)械密封性能的重要指標(biāo)，必須符合密封材料的許用(PcV)p值。

3.1 上端面機(jī)械密封的設(shè)計計算

3.1.1 彈簧比壓

彈簧比壓的作用在于當(dāng)介質(zhì)壓力很小或者波動時仍能維持一定的端面比壓，使介質(zhì)不致泄漏;同時保證主機(jī)在起動、停車時密封端面能緊密貼合。此外它還用于克服補(bǔ)償環(huán)輔助密封圈與相關(guān)元件表面的摩擦阻力，使補(bǔ)償環(huán)能追隨端面的磨損沿軸向移動。

彈簧比壓Ps的計算見式(1):

式中:Fs——總彈簧力，N;

D1、D2——密封面內(nèi)、外徑，mm;

Ps——彈簧比壓，取值的范圍根據(jù)經(jīng)驗確定，介質(zhì)壓力低，則取低值。

根據(jù)式(1)計算可得Ps為0.12 MPa。

3.1.2 端面比壓

端面比壓是機(jī)械密封的關(guān)鍵因子，若端面比壓過大，易使密封摩擦副出現(xiàn)干摩擦工況，使端面磨損加劇;若端面比壓過小，則因泄漏過大導(dǎo)致密封失效。端面比壓Pc的計算見式(2)～(4):

式中:Pc——端面比壓;

PL——冷卻沖洗介質(zhì)壓力與大氣壓之差，0.4 MPa;

K——載荷因子，平衡型K＜ 1;

λ——反壓因子，不僅與密封端面尺寸有關(guān)，而且與介質(zhì)黏度有關(guān)，乙二醇屬于低黏度不易揮發(fā)介質(zhì)，對內(nèi)裝式密封一般取0. 5;

D1、D2——密封面內(nèi)、外徑，mm;

d0——平衡直徑，214 mm。

計算得到Pc=0.23 MPa

3.1.3 校驗PcV值

PcV值是衡量機(jī)械密封性能的重要指標(biāo)之一，它作為耐熱性和耐磨性的指標(biāo)，其值大小與密封潤滑狀態(tài)、摩擦副的材質(zhì)、各端面表面粗糙度和介質(zhì)黏度等密切相關(guān)。PcV值的計算式見式(5):

式中:n為軸的轉(zhuǎn)速，200 r/min。

而PcV應(yīng)不大于密封材料的許用PcV值即(PcV)p，根據(jù)式(5)計算可得PcV值為0.53，小于(PcV)p值14.7，滿足設(shè)計要求。

3.2 下端面機(jī)械密封的設(shè)計計算

3.2.1 彈簧比壓

彈簧比壓的計算方法同上，只是這里用波紋管代替小彈簧。波紋管既可以提供彈力，也可以代替O圈起密封作用。根據(jù)式(1)計算:

式中:Fs——總彈簧力，250 N左右;

Ps取值的范圍根據(jù)經(jīng)驗確定，介質(zhì)壓力低時取小值，因為波紋管與軸套不接觸，所以不需要克服摩擦力，彈簧比壓可以取得比較小。

計算可得Ps為0.08 MPa。

3.2.2 端面比壓

端面比壓的計算方法見式(2)～(4)，此處的波紋管機(jī)械密封為平衡型。

PL為冷卻沖洗介質(zhì)壓力與釜腔壓差為0.4－0.07=0.33 MPa;平衡型K=0.836＜ 1;波紋管的平衡直徑有多種計算方法［2］，d0=230.5，計算得到，Pc=0.15 MPa

3.2.3 校驗PcV值

Pc為0.15 MPa，根據(jù)式(5)，

4 改進(jìn)前后機(jī)械密封運行情況比較

立式攪拌釜R－21運行中原機(jī)械密封有較多難以克服的缺點，特別反應(yīng)釜增量改造后問題更嚴(yán)重，存在著高溫條件下輔助密封圈使用壽命短，攪拌軸的擺振大，下端機(jī)械密封的徑向跳動較大，殼體夾套冷卻下部腔體較小，冷卻不充分，軸冷卻夾套產(chǎn)生裂紋等問題，只能對釜進(jìn)行置換清洗后才能搶修，嚴(yán)重影響裝置正常生產(chǎn)。而改進(jìn)后的R－21機(jī)械密封克服了以上缺點。表3是經(jīng)改進(jìn)后對6條生產(chǎn)線生產(chǎn)運行進(jìn)行的一些技術(shù)統(tǒng)計。

表3 改進(jìn)前后機(jī)械密封運行比較

從表3中可以看出，盡管經(jīng)過多個生產(chǎn)周期運行，改進(jìn)后立式攪拌釜R－21機(jī)械密封沒有出現(xiàn)一次故障。達(dá)到了改造目的，效果非常好。

5 結(jié)論

通過對立式攪拌釜R－21機(jī)械密封進(jìn)行改造，消除了原機(jī)械密封缺點。改造后立式攪拌釜運行狀況良好，機(jī)械密封一直處于非常穩(wěn)定狀態(tài)，使用周期也由原來的平均8個月提高到連續(xù)使用3 a以上，從2007年到目前為止沒有出過一次停車檢修故障，為生產(chǎn)的正常運行提供了保障，為企業(yè)降本增益打下了堅實的基礎(chǔ)。

［1］ 關(guān)天地，王淑蘭，林基明，等．軸及其連接［M］//成大先．機(jī)械設(shè)計手冊:第2卷．4版．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004．

［2］ 王德濤，韓學(xué)銓，柯蕊珍．潤滑與密封［M］//成大先．機(jī)械設(shè)計手冊:第3卷．4版．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004．

Structure Analysis and Improvement of Mechanical Seal of Vertical Agitator

Gu Bingqi
(Polyester Division，SINOPEC Shanghai Petrochemical Co．，Ltd．200540)

The original design of mechanical seal of vertical agitator R－21 adopted double end face unbalanced type multi－spring mechanical seal with outboard backwash system and circulating cooling fluid．Due to the failure of seal ring caused by high temperature and heat of sealing face caused by shaft swing，the life cycle of such kind of mechanical seal is short．After the incremental transformation in 2002，the mixer shaft was lengthened，and the stirring blades were changed from two stages to three stages to increase radial swing of shaft，which accelerated the failure of mechanical seal．Based on deep analysis of short life cycle of mechanical seal，improvement measures were raised and put into practice to extend the life cycle．

mechanical seal，failure，improvement，effectiveness

1674－1099 (2012)04－0050－05

TB42

A

2012-06-13。

顧炳其，男，1957年出生，1981年畢業(yè)于上海石油化工中等專業(yè)學(xué)校化纖專業(yè)，助理工程師，現(xiàn)從事設(shè)備管理工作。