氨冷及換冷型套管結(jié)晶機(jī)傳動軸及密封填料材質(zhì)改造

胡建義 沙詣程 李廣林

摘 ?????要：上世紀(jì)80年代末至90年代初，全國各煉廠陸續(xù)興建酮苯裝置并投入運(yùn)行，沿襲了粗獷管理的模式，套管結(jié)晶機(jī)傳動軸密封填料泄露問題遲遲懸而未決。在安全生產(chǎn)和環(huán)保要求日益嚴(yán)格的21世紀(jì)，此種管理模式再也無法適應(yīng)當(dāng)今需求，故相關(guān)改造勢在必行。給出了關(guān)于解決困擾套管結(jié)晶機(jī)傳動軸密封泄露的整體方案，兼顧成本、在役周期和環(huán)境安全收益。

關(guān) ?鍵 ?詞：套管結(jié)晶機(jī);密封泄露;解決方案

中圖分類號：TQ050.4⁺3??????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：?A ??????文章編號： 1671-0460（2019）11-2593-04

Material Modification of Drive Shaft and Sealing Filler of

Ammonia-cooled?and Exchange-cooled Casing Crystallizer

???HU Jian-yi¹， SHA?Yi-cheng¹， LI Guang-lin²

（1.?PetroChina Fushun Petrochemical Company No.1 Refinery， Liaoning Fushun 113004， China;

2. Zhejiang Jiangnan Petrochemical Machinery Co.， Ltd.， Zhejiang Wenzhou 325000， China）

Abstract： ?Ketone-benzol units were built and put into operation in many Chinese refineries from the late 1980s to the early 1990s. The leakage of sealing filler for transmission shaft of casing crystallizer always happened?under rough management mode. With the increasingly stringent requirements for safe production and environmental protection in the 21st century， this kind of management model can no longer meet the needs at present， so the relevant transformation about the leakage of sealing filler is imperative. In this paper，?taking into account the cost， service cycle and environmental safety benefits， an overall solution to the leakage of transmission shaft seal in cased crystallizer?was put forward.

Key words： casing crystallizer; seal leakage; solutions

自1997年石油一廠新區(qū)酮苯裝置開工以來，套管結(jié)晶機(jī)傳動軸磨損、填料失效過快，導(dǎo)致介質(zhì)泄漏的問題，一直困擾著酮苯脫蠟裝置的生產(chǎn)活動。在有限資料范圍內(nèi)，該問題同樣困擾著國內(nèi)外同類裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

根據(jù)《煉油設(shè)備工程師手冊》陳述，1990年至2014年期間，全國酮苯裝置重大事故合計(jì)11起，其中套管結(jié)晶機(jī)重大事故3起，分別為：“套管結(jié)晶器填料函漏油，引起火災(zāi)”、“余火未熄釀成火災(zāi)”和“套管結(jié)晶室重大火災(zāi)”^[1]。究其原因，均是套管結(jié)晶機(jī)密封填料泄漏，直接或間接地導(dǎo)致事故的發(fā)生。

自套管結(jié)晶機(jī)被研發(fā)應(yīng)用以來，傳動軸磨損、填料失效過快，導(dǎo)致介質(zhì)泄漏的問題，一直困擾著酮苯脫蠟裝置的生產(chǎn)活動。為徹底改變此種現(xiàn)狀，同步節(jié)約維護(hù)費(fèi)用，杜絕現(xiàn)場環(huán)境低標(biāo)準(zhǔn)問題的發(fā)生，避免施工過程中對物料的污染，減少崗位操作人員和維護(hù)人員工作負(fù)擔(dān)，降低工作人員罹患呼吸道疾病的風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)過長期的反復(fù)探索、研討、計(jì)算、現(xiàn)場勘查及大樣本分組對照實(shí)驗(yàn)，最終得到了一整套解決方案^[2]。

1 ?密封腔改造

由現(xiàn)場實(shí)際及隨機(jī)資料可知，原密封腔共可容納8道填料環(huán)，壓緊量約為20%，通過日常使用經(jīng)驗(yàn)可以得知，原密封結(jié)構(gòu)根本無法滿足長期運(yùn)行的需要，進(jìn)而對密封腔進(jìn)行了對照實(shí)驗(yàn)，分別論證了在改變壓縮量、改變密封環(huán)數(shù)量等不同條件組合對無泄漏運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的影響;且統(tǒng)一檢查了不同壓縮量下傳動軸的磨損情況。通過各種型式的改造，最長可將無泄漏運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間延長接近50%，但仍然不能達(dá)到長期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的需求，且同步得出，在此種密封環(huán)和傳動軸配合工況下，壓縮量增大5%以上是不可取方案的相關(guān)結(jié)論。由于問題可具體一些，沒有得到根本的解決，故開展進(jìn)階論證（圖1）^[3]。

2 ?傳動軸局部表面處理

從第一階段對照實(shí)驗(yàn)可以得知，在現(xiàn)有工況下，無論怎樣傳動軸都會在2 000 h開始磨損，進(jìn)而導(dǎo)致密封失效，故針對此種情況開展傳動軸材質(zhì)改造或改變傳動軸表面處理工藝。

自2016年3月至2017年12月，合計(jì)嘗試傳動軸配合原型填料方案合計(jì)5種，詳見下述：

方案1：原型對照組，6根;安裝后連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)近8 000 h，正常熱化緊固等操作，約4 000 h開始，泄漏物肉眼可見，8 000 h拆解，均勻磨損2.3 mm，不斷緊固填料后可勉強(qiáng)使用;回裝后運(yùn)轉(zhuǎn)至2017年8月徹底失效，如圖2。

方案2：母材45#鋼，調(diào)質(zhì)，表面滲氮處理，HRC62～64，500 h光澤度0.8、測試摩擦系數(shù)0.78，6根;安裝后連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)近6 000 h，正常熱化緊固等操作，約3 200 h開始，泄漏物肉眼可見，6 000 h時(shí)泄漏量過大，遂拆解檢查，拆解發(fā)現(xiàn)軸表面存在點(diǎn)蝕，已不能繼續(xù)使用。

方案3：母材35CrMo，調(diào)質(zhì)，表面電鍍硬鉻處理，HRC62～64，500?h光澤度0.85、摩擦系數(shù)0.9，6根;安裝后連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)近8 000 h，正常熱化緊固等操作，6 000 h開始，泄漏物肉眼可見，8 000 h拆解，均勻磨損2 mm，局部電鍍層脫落，不斷緊固填料后可勉強(qiáng)使用;回裝后運(yùn)轉(zhuǎn)至2017年10月，徹底失效。

方案4：母材35CrMo，調(diào)質(zhì)，表面滲氮處理，HRC64～66，500 h光澤度0.8、摩擦系數(shù)0.78，6根;安裝后連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)近8 000 h，正常熱化緊固等操作，5 200 h開始，泄漏物肉眼可見，8 000 h拆解，拆解發(fā)現(xiàn)軸表面存在點(diǎn)蝕，已不能繼續(xù)使用;

方案5：母材35CrMo，調(diào)質(zhì)，表面噴涂碳化鎢，HRC68～72，500 h光澤度0.8、摩擦系數(shù)0.55，6根;安裝后連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)近8 000 h，基本正常，解體無異常，10 000 h后開始泄漏，后拆解發(fā)現(xiàn)為填料環(huán)受溶劑侵蝕而導(dǎo)致膨脹硬化^[4]，如圖3。

而噴涂碳化鎢方案連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)近8 000 h，基本正常，解體無異常，10 000 h后開始泄漏，后拆解發(fā)現(xiàn)為填料環(huán)受溶劑侵蝕而導(dǎo)致膨脹硬化，綜上所述，鑒于原型填料在溶劑浸泡工況下于10 000 h左右開始失效，故開展新型填料研發(fā)。

3 ?新型復(fù)合材料填料的研發(fā)

3.1 ?研發(fā)方向

筆者對填料材質(zhì)進(jìn)行了深入研究，包括但不限于以下幾點(diǎn)：芳綸纖維和芳綸碳纖維替代材料的選擇;替代材料占比的對照試驗(yàn);成型工藝對賦形效果、煅燒工藝對最終性能的影響;新型復(fù)合材料與原有材料性能對比。

3.2 ?芳綸纖維和芳綸碳纖維替代材料的選擇

通過前期理論論證，芳綸類材料的根本缺陷在于其彈性模量高、剛度大，而代用方案方向則應(yīng)為相對低彈性模量的材料。通過枚舉試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)，最終發(fā)現(xiàn)以聚苯酯替代芳綸對材料性能有較大提升。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下所述。

3.3 ?替代材料組分的對照試驗(yàn)

3.3.1 ?聚苯酯組分對復(fù)合材料摩擦系數(shù)的影響

從圖4可以看出，加入一定比例實(shí)驗(yàn)物料后，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)呈收斂狀態(tài)。m（實(shí)驗(yàn)組分）∶m?（含聚四氟乙烯）>1%時(shí)，摩擦系數(shù)又呈發(fā)散趨勢。

3.3.2 ?聚苯酯含量對復(fù)合材料磨損體積的影響

由圖5得出以下結(jié)論：系統(tǒng)中摻入一定比例實(shí)驗(yàn)物料后，填料材質(zhì)的磨損體積陡然減少，當(dāng)m?（實(shí)驗(yàn)物料）∶m?（含聚四氟乙烯） =1%時(shí)，復(fù)合材料耐磨性比純含聚四氟乙烯提高了4倍有余;

當(dāng)m?（實(shí)驗(yàn)組分∶m?（含聚四氟乙烯）>1%時(shí)，隨著聚苯酯用量的增加，單位時(shí)間磨損體積持續(xù)下降，但是下降速度趨于緩和。

3.3.3 ?聚苯酯含量對復(fù)合材料熱擴(kuò)散系數(shù)的影響

由圖6可以看出，復(fù)合材料的熱擴(kuò)散系數(shù)與實(shí)驗(yàn)組分比例呈正相關(guān)，當(dāng)m（實(shí)驗(yàn)物料）∶m?（含聚四氟乙烯）<3%時(shí)，熱擴(kuò)散系數(shù)略發(fā)散;當(dāng)m（實(shí)驗(yàn)物料） ∶m?（含聚四氟乙烯）≥3%時(shí)，隨聚苯酯用量的增加，復(fù)合材料熱擴(kuò)散系數(shù)加快發(fā)散;當(dāng)m（實(shí)驗(yàn)物料）∶m?（含聚四氟乙烯） =5%時(shí)，熱擴(kuò)散系數(shù)超過了2.5?mm²/s，見圖6，可以較好適應(yīng)各種工況。

3.4 ?對成型工藝、煅燒工藝的控制指標(biāo)

冷壓和二次成型擠壓壓力是盤根類材料制造過程中的重要控制指標(biāo)，影響著材料抗浸透性能，故通過多次試驗(yàn)，平衡工程應(yīng)用造價(jià)與產(chǎn)品指標(biāo)后，最終將冷壓控制在30 MPa、二次成型擠壓控制在40 MPa。

燒結(jié)溫控示意圖見圖7。

選定最佳的實(shí)驗(yàn)配方，對改性聚苯酯復(fù)合材料性能進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)改性后的復(fù)合材料摩擦系數(shù)、熱變形溫度等參數(shù)均優(yōu)于原有材料^[5]，見表1。

4 ?結(jié) 論

本文所述課題，自2016年6月開始大規(guī)模進(jìn)行分組對照實(shí)驗(yàn)，截止2017年12月，實(shí)施三位一體改造方案的設(shè)備單臺每根累計(jì)運(yùn)行時(shí)間14～16個(gè)月，對比同時(shí)更換普通傳動軸的設(shè)備，更換局部噴涂碳化鎢傳動軸的設(shè)備一個(gè)熱化周期接油盒內(nèi)基本沒有泄露介質(zhì)，改善跑冒滴漏問題效果非常明顯。綜上所述，該密封腔改造方案、驅(qū)動軸局部材質(zhì)升級和新型復(fù)合材料填料的研發(fā)等一攬子方案，成功解決困擾酮苯脫蠟生產(chǎn)裝置套管結(jié)晶機(jī)機(jī)密封結(jié)構(gòu)頻繁失效的共性難題，且對非強(qiáng)酸介質(zhì)類、大跨度工作溫度區(qū)間的過程工業(yè)設(shè)備密封結(jié)構(gòu)形式、材料選用，具有非凡的指導(dǎo)意義，是經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)的可靠方案。

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