乙氧基化裝置泵用機(jī)械密封長周期運(yùn)行技術(shù)探討

王明都

（江蘇斯?fàn)柊钍邢薰荆?江蘇 連云港 222000）

機(jī)械密封（簡稱機(jī)封）是一種精度較高的密封裝置，具有性能可靠、泄漏量少、使用壽命長、功耗低、運(yùn)行周期長等特點(diǎn)。但機(jī)封裝置泄漏問題已成為影響其整體性能的關(guān)鍵，失效故障包括動(dòng)靜環(huán)之間密封失效、密封端蓋與泵體之間密封失效、軸套與軸間之間密封失效等。通常機(jī)封失效和損壞的主要原因，一是工藝及生產(chǎn)問題；二是機(jī)封設(shè)計(jì)與實(shí)際工況不符，即選型問題；三是質(zhì)量問題，即材質(zhì)不達(dá)標(biāo)。因此，結(jié)合乙氧基化行業(yè)設(shè)備運(yùn)行工況特點(diǎn)，分析機(jī)封應(yīng)用失效、損壞的原因，制定相應(yīng)的優(yōu)化措施，以期達(dá)到長周期運(yùn)行的目的。

1 設(shè)備概況

1.1 行業(yè)描述

乙氧基化行業(yè)裝置（EOD）泵的配置按照工藝單元分類可分為：預(yù)處理泵、反應(yīng)循環(huán)泵、后處理泵、中間泵、真空泵、洗滌泵和成品輸送泵等。該泵為單級雙吸離心泵。裝置一般由三條生產(chǎn)線構(gòu)成，每條生產(chǎn)線的設(shè)備都可以獨(dú)立運(yùn)行，可高效、高質(zhì)量地完成包括烷氧基、表面活性劑、減水劑單體等在內(nèi)的化工產(chǎn)品生產(chǎn)作業(yè)任務(wù)。

1.2 設(shè)備描述

在乙氧基化工藝五代專利設(shè)計(jì)中，泵的選型通有單級臥式離心泵、齒輪泵、液環(huán)泵等多種，泵用機(jī)封均為集裝式，按沖洗方案可分為PLAN11、21、41、52、53A、53B式，且多為進(jìn)口機(jī)封；機(jī)封常見問題主要有：失效內(nèi)泄漏和外泄漏，如53A和53B機(jī)封罐不保壓，易聯(lián)鎖停車；密封端面局部裂紋、密封端面磨損嚴(yán)重等。

例如：裝置反應(yīng)單元的循環(huán)泵，機(jī)械密封運(yùn)行時(shí)介質(zhì)端密封就微漏，有時(shí)壓力瞬間掉壓0.2MPa，觸發(fā)連鎖停車，整個(gè)反應(yīng)周期6h內(nèi)停機(jī)高達(dá)10次以上，須停泵檢修，平均每臺泵兩月更換機(jī)封一套。經(jīng)統(tǒng)計(jì)僅機(jī)封首年費(fèi)用高達(dá)800萬元以上，是正常值的五倍。

2 泵機(jī)械密封失效原因分析

2.1.1 機(jī)械密封系統(tǒng)工況參數(shù)（反應(yīng)系統(tǒng)）

表1 機(jī)械密封系統(tǒng)工況參數(shù)

2.1.2 改造前機(jī)封壓力曲線圖

反應(yīng)系統(tǒng)泵的機(jī)封運(yùn)行曲線如圖1所示。由圖1可知，在起始階段正常，到了第二階段聚合向熟化階段過渡時(shí)，機(jī)封就開始內(nèi)漏，緩慢或快速地泄漏。

2.1.3 機(jī)械密封系統(tǒng)簡介

目前，運(yùn)用較多的是大循環(huán)泵機(jī)械密封裝置，其結(jié)構(gòu)主要采用雙端面靠背方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括由碳化硅（SiC）構(gòu)成的動(dòng)環(huán)結(jié)構(gòu)和由石墨構(gòu)成的靜環(huán)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。另外，該裝置中的第一套動(dòng)/靜輔助密封圈主要是聚四氟乙烯（PTFE）材料，第二套動(dòng)/靜輔助密封圈主要是氟橡膠和聚四氟乙烯（PTFE）組成，設(shè)備中的其他關(guān)鍵部件材料則主要以不銹鋼材料為主。

針對機(jī)封輔助密封系統(tǒng)的壓力維持問題，主要通過系統(tǒng)內(nèi)部的儲能裝置提供電源和給循環(huán)系統(tǒng)提供壓力，外部的管道系統(tǒng)為外側(cè)密封提供液體，內(nèi)部的輸送泵提供液體的流動(dòng)動(dòng)力等不同環(huán)節(jié)的相互配合完成。設(shè)備所產(chǎn)生的殘余熱量通過內(nèi)部的水冷卻交換器進(jìn)行去除。此密封系統(tǒng)有效地防止了輸送的高溫、臟污、腐蝕或易聚合性等介質(zhì)氣體排放至大氣中，解決了大氣污染問題。

2.2 機(jī)械密封內(nèi)漏原因分析

綜合機(jī)封的設(shè)計(jì)、介質(zhì)特性、工況特點(diǎn)、操作和拆檢等方面，總結(jié)出機(jī)封應(yīng)用失效泄漏和損壞的五個(gè)方面的原因：

2.2.1 工藝介質(zhì)的原因

從泵與反應(yīng)器的構(gòu)造可以看出，泵入口與反應(yīng)器底部較近，約為4m，反應(yīng)過程中的起始劑與環(huán)氧反應(yīng)不完全，部分氣液混合沫狀介質(zhì)進(jìn)入泵送系統(tǒng)，導(dǎo)致泵近似“氣蝕”狀態(tài)；該泵輸送的過飽和溶液，隨著溫度的變化，極易發(fā)生結(jié)晶現(xiàn)象，粘附于機(jī)封密封環(huán)和密封圏處，生產(chǎn)間隔期由于伴熱不足而凝固，造成起泵時(shí)機(jī)封密封環(huán)面平衡破壞，發(fā)生泄漏和損壞。

圖1 反應(yīng)系統(tǒng)泵的機(jī)封運(yùn)行曲線

圖2 大循環(huán)泵機(jī)械密封裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 輔助密封系統(tǒng)壓力維持原理圖

2.2.2 運(yùn)行工況的原因

以反應(yīng)單元為例進(jìn)行分析。在反應(yīng)單元中，泵主要采用間歇式進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)操作，存在經(jīng)常啟停的連續(xù)切換問題，一旦泵停機(jī)后，內(nèi)部介質(zhì)的運(yùn)行溫度隨之降低，這將使其內(nèi)部附著在密封副表面的液膜出現(xiàn)逐漸硬化并最終發(fā)生結(jié)晶現(xiàn)象，導(dǎo)致了密封液膜出現(xiàn)不均勻分布，嚴(yán)重影響了液膜的密封性能。由于密封液為正壓，密封液就會緩慢漏入介質(zhì)中，平均2～4h補(bǔ)充一次密封液。當(dāng)壓力掉至接近報(bào)警壓力值附近時(shí)，有時(shí)瞬間大幅掉壓0.2MPa，還會觸發(fā)1.0MPa壓力報(bào)警，造成停車。

裝置生產(chǎn)過程經(jīng)歷三個(gè)過程：預(yù)處理，反應(yīng)，后處理、成品輸送；由圖1所示，反應(yīng)單元可以分為四個(gè)階段：起始、聚合、熟化、中和；期間反應(yīng)器的液位、介質(zhì)黏度、液體流量、液體溫度、泵的轉(zhuǎn)速等參數(shù)均發(fā)生著較大的不規(guī)則變化，這些是打破機(jī)封平衡造成失效的主要因素；如O型密封圈材質(zhì)為氟橡膠，抗溶脹能力比較差，工藝熟化后溫度驟降，密封圈收縮導(dǎo)致此點(diǎn)失效泄漏。

2.2.3 機(jī)封設(shè)計(jì)的因素

端面比壓與機(jī)械密封端面之間存在著較為密切的關(guān)系。經(jīng)拆卸發(fā)現(xiàn)，多數(shù)動(dòng)靜環(huán)密封面無損傷現(xiàn)象，在端面比壓過小的情況下，機(jī)械密封僅表現(xiàn)出泄漏失效的問題.因而機(jī)械密封形式、摩擦狀態(tài)成為端面比壓的主要影響因素。

經(jīng)拆卸發(fā)現(xiàn)，多數(shù)動(dòng)靜環(huán)密封面無損傷現(xiàn)象，而密封不嚴(yán)出現(xiàn)泄漏是在端面比壓過小的情況下經(jīng)常出現(xiàn)的問題，另外，密封件的磨損嚴(yán)重也是影響端面比壓的關(guān)鍵因素。加強(qiáng)對密封形式及密封件磨損情況的控制至關(guān)重要。

彈簧作為機(jī)械密封中的關(guān)鍵部件，在設(shè)備中主要起到零件的緩沖和快速補(bǔ)償作用，由于部分彈簧的彈性會隨著溫度的升高而降低，選用性能穩(wěn)定、彈性較好的彈簧，避免溫度及外界作用力對其產(chǎn)生較大影響，是選擇彈簧零件時(shí)重點(diǎn)考慮的因素。由此，可減小因彈簧的性能降低而產(chǎn)生的密閉性降低的現(xiàn)象發(fā)生。

O型密封圈材質(zhì)的影響，在高溫高壓工況下，材質(zhì)的選擇應(yīng)具有較好抗溶脹能力，此是機(jī)封失效、壽命短的主要因素。

2.2.4 檢修安裝原因

在安裝環(huán)境，影響機(jī)械密封性能的因素相對較多。如在密封件安裝過程中，由于施加了較大的安裝壓力，導(dǎo)致其密封件的壓縮量相對較大，端面的摩擦副端面也會因壓力過大而出現(xiàn)磨損嚴(yán)重問題，這將嚴(yán)重影響密封件的密閉性能。同時(shí)，密封圈與軸套之間的配合過緊、密封圈無法實(shí)現(xiàn)自由竄動(dòng)調(diào)整等問題，也會造成泄漏。另外，動(dòng)環(huán)的軸向竄動(dòng)、靜環(huán)的脫落等也將使密封件出現(xiàn)泄漏問題。

另外在泵檢修時(shí)，隨著工藝伴熱的解除，粘附于機(jī)封密封環(huán)面的介質(zhì)，凝固于表面形成靜粘合力，造成盤車和拆解時(shí)零件發(fā)生損壞。

3 機(jī)械密封優(yōu)化措施

3.1 校核端面比壓

為節(jié)約費(fèi)用，聯(lián)合國內(nèi)某知名機(jī)封廠家，實(shí)行機(jī)封國產(chǎn)化改造，經(jīng)過對拆卸機(jī)封密封面分析，發(fā)現(xiàn)端面比壓過小，根據(jù)輸送介質(zhì)特性和各項(xiàng)參數(shù)值，合理計(jì)算彈簧力，加大機(jī)封端面比壓。

改造后的機(jī)封內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，改變以前中部有固定座為現(xiàn)在的多彈簧浮動(dòng)狀態(tài)，增加了彈簧的補(bǔ)償力。

圖4 改造后的機(jī)封內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3.2 升級密封材質(zhì)

綜如上述，可對密封件的材質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。在整個(gè)密封圈改進(jìn)設(shè)計(jì)中，主要將O型密封圈的材質(zhì)改為具有較強(qiáng)耐熱性和抗化學(xué)特性的全氟化橡膠（FFPM）。由于碳化硅具有較強(qiáng)的耐腐蝕性、耐磨性及較高硬度，能有效解決橡膠靜環(huán)存在的不足問題，故可將靜環(huán)的材質(zhì)改為碳化硅材料；動(dòng)環(huán)改為浸樹脂石墨，具有良好的耐高溫性、潤滑性和可塑性；聚四氟乙烯具有較強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性及自潤滑性，可滿足擋環(huán)的密封性能要求。

3.3 做好啟動(dòng)前準(zhǔn)備

4 機(jī)械密封改造后效果與業(yè)績

泵在啟動(dòng)前，需對其各項(xiàng)性能進(jìn)行全面檢查，包括冷卻系統(tǒng)是否運(yùn)行正常、密封件安裝是否到位、物料管線連接是否穩(wěn)定、管路是否清潔等方面，減少非必要的外界因素對泵的正常運(yùn)行構(gòu)成影響。同時(shí)，針對手動(dòng)泵的運(yùn)行情況及安裝尺寸進(jìn)行啟動(dòng)前檢查，保證其能正常啟動(dòng)及合理安裝。另外，需對泵進(jìn)行靜壓試驗(yàn)，全面對密封端面、密封處、封蓋處等部位具有較好的密閉性，保證整個(gè)密封腔內(nèi)具有充足的液體。

4.1 在設(shè)備改造前，只要泵一運(yùn)行，機(jī)封就開始微漏密封液，每反應(yīng)一釜物料需4h，密封液就要2～4h添加一次；改造后，密封液添加只需每3月一次，完全滿足生產(chǎn)所需。

4.2 改造后的機(jī)封使用周期提升至2年以上，單套價(jià)格降低80%，全年節(jié)省成本達(dá)500萬元以上。

4.3 機(jī)封國產(chǎn)化后壓力曲線見圖5，從起始階段到中和階段一直保持壓力恒定不變。

5 結(jié)語

依據(jù)行業(yè)內(nèi)裝置工藝運(yùn)行工況特點(diǎn)，深入實(shí)踐找出機(jī)封失效和損壞的原因并針對其采取措施，是保證機(jī)械密封正常使用的基本條件。通過對機(jī)械密封的端面比壓重新設(shè)計(jì)、密封材質(zhì)更換和安裝及操作方式優(yōu)化，從根本上解決了機(jī)封內(nèi)漏給生產(chǎn)造成的影響，保證乙氧基化裝置泵用機(jī)械密封長周期運(yùn)行，為企業(yè)節(jié)約了大量生產(chǎn)成本。

圖5 機(jī)封國產(chǎn)化后壓力曲線圖