終聚釜用機(jī)械密封失效分析及改進(jìn)措施

張勝國，韓君炎，封興良，趙永軍，孫利鋒，謝華橋

(榮盛石化股份有限公司，浙江杭州 311247)

在杜邦聚酯工藝中，臥式終聚釜的攪拌器采用鼠籠結(jié)構(gòu)，支撐鼠籠的短軸裝配雙端面機(jī)械密封，雙端面機(jī)械密封具有泄漏量小、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)。

1 存在問題

終聚釜機(jī)械密封運(yùn)行穩(wěn)定性是影響整套聚酯裝置運(yùn)行安全、穩(wěn)定和產(chǎn)品質(zhì)量的決定性因素之一。

機(jī)械密封泄漏故障多發(fā)生在隔離液壓力波動(dòng)過程中，下面結(jié)合2起機(jī)械密封泄漏故障加以分析，并提出改進(jìn)方案。

1) 2006年巡檢人員發(fā)現(xiàn)終聚釜機(jī)械密封發(fā)生間歇振蕩。此時(shí)，冷卻、阻封機(jī)械密封所用隔離液出口流量、壓力有較大波動(dòng)；通過關(guān)小隔離液出口截止閥將隔離液壓力調(diào)至0.15 MPa，隔離液壓力、流量穩(wěn)定、不再波動(dòng)，機(jī)械密封異常振動(dòng)消失。

2) 2020年6月，在聚酯裝置停車過程中，現(xiàn)場巡檢人員發(fā)現(xiàn)終聚釜機(jī)械密封隔離液出口流量下限報(bào)警，同時(shí)終聚釜內(nèi)失真空、釜內(nèi)溫度下降，判定終聚釜機(jī)械密封發(fā)生內(nèi)漏。

終聚釜機(jī)械密封解體檢查，發(fā)現(xiàn)機(jī)械密封腔體內(nèi)部發(fā)生積料、結(jié)焦現(xiàn)象，物料主要堆積在介質(zhì)側(cè)動(dòng)靜密封環(huán)與軸套之間的縫隙中，介質(zhì)側(cè)動(dòng)環(huán)O型圈上附有雜質(zhì)，介質(zhì)側(cè)動(dòng)環(huán)O型圈接觸的軸套部分堆有雜質(zhì)，如圖1所示。

圖1 終聚釜機(jī)械密封腔體內(nèi)部積料1A):介質(zhì)側(cè)O型圈;1B):大氣側(cè)O型圈;2A):介質(zhì)側(cè)動(dòng)環(huán);2B):大氣側(cè)動(dòng)環(huán);3A):介質(zhì)側(cè)靜環(huán);3B):大氣側(cè)靜環(huán);Ⅰ):軸套處堆積的大量雜質(zhì)

2 機(jī)械密封原理

機(jī)械密封作為一種用來解決旋轉(zhuǎn)軸與機(jī)體之間密封的裝置。機(jī)械密封動(dòng)、靜環(huán)端面依靠流體壓力和彈性組件的彈力貼合在一起，在密封環(huán)的端面上產(chǎn)生一個(gè)適當(dāng)?shù)谋葔?，在密封端面間的微小間隙內(nèi)產(chǎn)生一層極薄的液膜，液膜具有一定的承載能力，防止兩摩擦副表面直接接觸。液膜一方面對(duì)摩擦副起到潤滑冷卻作用，減小摩擦副端面磨損；另一方面起平衡壓力的作用，流體動(dòng)壓力與靜壓力在端面之間形成的阻力要大于密封端面兩側(cè)的壓力差，達(dá)到密封的目的。

雙端面機(jī)械密封(見圖2)與單端面機(jī)械密封原理一致。雙端面機(jī)械密封工作時(shí)必須從外部引入與被密封介質(zhì)兼容的密封流體，通常稱作阻封液(或緩沖液)[1]。

a) 3CW-FB 面對(duì)背接觸式濕式密封

機(jī)械密封要求動(dòng)環(huán)能靈活地軸向移動(dòng)，自動(dòng)補(bǔ)償密封端面的磨損，靜環(huán)能靈活浮動(dòng)，保證動(dòng)環(huán)與靜環(huán)始終處于緊密貼合狀態(tài)。

接觸式機(jī)械密封的密封面由微凸體直接接觸、支撐，密封面間隙約為0.5～1 μm。接觸式機(jī)械密封多處于混合摩擦狀態(tài)。

3 機(jī)械密封的力學(xué)分析

3.1 軸向力平衡

在機(jī)械密封動(dòng)、靜環(huán)上作用著各種載荷，這些載荷可以歸結(jié)為閉合力與開啟力[2]。密封端面處于貼合狀態(tài)時(shí)，密封端面受到的閉合力等于開啟力。摩擦副的軸向受力見圖3。

圖3 機(jī)械密封摩擦副軸向力示意圖

圖中Fsp為彈性組件施加給補(bǔ)償環(huán)的載荷；Ffr為補(bǔ)償環(huán)輔助密封與滑移面之間的摩擦力；Fi為補(bǔ)償環(huán)組件軸向加速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力；pc為密封端面接觸比壓；pe為密封流體壓力作用比壓；pm為平均流體膜壓力。

在混合摩擦狀態(tài)下，閉合力包括密封流體壓力和彈性組件作用力等，即：

Fc=Fsp+peA±(Ffr+Fi)

(1)

在混合摩擦狀態(tài)下，開啟力包括密封端面流體膜載荷與接觸載荷，即：

Fo=pmA+pcA

(2)

當(dāng)密封端面閉合力Fc和開啟力Fo相平衡時(shí)，即

Fo=Fc=Fsp+peA±(Ffr+Fi)=pmA+pcA

(3)

在穩(wěn)定工作條件下，可不考慮軸向摩擦力和慣性力的影響，式(3)可簡化為：

Fo=Fc=Fsp+peA=pmA+pcA

(4)

保持機(jī)械密封端面的密封平衡，使泄漏量減少到最小。

3.2 彈簧比壓psp

psp是指單位密封面上的彈性力，單位為MPa。即：

(5)

在實(shí)際中，彈簧作用力Fsp的最小值必須能夠克服輔助密封發(fā)生軸向位移時(shí)的最大摩擦力。

3.3 密封流體壓力作用比壓pe

pe是指單位密封面上承受流體壓力所施加的使密封端面閉合的力。即：

pe=Bps

(6)

式中ps為密封流體壓力，對(duì)于本機(jī)械密封機(jī)械密封ps為：ps=p2-p1。

B為載荷系數(shù)(也稱平衡系數(shù))，對(duì)于本機(jī)械密封機(jī)械密封B為：

(7)

式中Di為接觸面內(nèi)徑，mm；Do為接觸面外徑，mm；Db為密封平衡直徑，mm。

3.4 平均流體膜壓力pm

pm是指密封端面間流體膜承載的平均壓力。即

pm=λps

(8)

式中λ為介質(zhì)反壓系數(shù)，λ是一個(gè)在0和1.0之間的數(shù)字，代表被密封的液體在通過密封端面時(shí)的壓降。

3.5 端面比壓pc

接觸式機(jī)械密封在正常工作時(shí)密封端面大多數(shù)是處在混合摩擦狀態(tài)下，既存在流體膜，又存在分子膜和微凸體接觸，在考慮膜壓和膜壓系數(shù)之后，還需考慮密封端面的接觸比壓pc，在穩(wěn)定工作狀況下密封端面的接觸比壓為：

pc=psp+(B-λ)ps

(9)

為保證機(jī)械密封具有長久的使用壽命和良好的密封性能，必須選擇合理的端面比壓。

4 終聚釜機(jī)械密封故障分析

4.1 終聚釜機(jī)械密封端面比壓計(jì)算

臥式終聚反應(yīng)器攪拌軸密封采用背靠背式、攪拌器專用雙端面機(jī)械密封，雙端面機(jī)械密封為非平衡式機(jī)械密封，終聚釜機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。這種結(jié)構(gòu)的機(jī)械密封必須使用隔離液(EG)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，隔離液壓力不得低于被密封介質(zhì)壓力；當(dāng)介質(zhì)壓力超過隔離液壓力時(shí)，介質(zhì)側(cè)密封有打開的風(fēng)險(xiǎn)。機(jī)械密封使用外置循環(huán)裝置強(qiáng)制循環(huán)隔離液，沖洗方案為PLAN54。

圖4 終聚釜機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)機(jī)械密封受力進(jìn)行校驗(yàn)，已知條件見表1，計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 終聚釜機(jī)械密封參數(shù)

表2 計(jì)算結(jié)果

4.2 故障原因分析

通過計(jì)算可知，終聚釜用機(jī)械密封為非平衡式機(jī)械密封(B≥1)，對(duì)非平衡型機(jī)械密封而言，密封流體壓力是施加于補(bǔ)償環(huán)(動(dòng)環(huán))背部的主要閉合力，機(jī)械密封端面所受的合力受介質(zhì)壓力的影響較大，密封端面所受的合力隨介質(zhì)壓力升高而快速升高。

從密封的機(jī)理上分析，機(jī)械密封端面間流體膜的相態(tài)變化，往往是造成機(jī)械密封工作不穩(wěn)定的一個(gè)很重要原因。機(jī)械密封摩擦副端面的流體膜相態(tài)隨著溫度、端面比壓變化。當(dāng)隔離液壓力降低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致端面比壓pc降低，pc接近甚至低于運(yùn)行溫度下的飽和蒸汽壓力，機(jī)械密封將處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，密封端面間液膜閃蒸，密封端面壓力急劇上升，吹開密封端面且保持楔形開啟狀態(tài)，大量沖洗液進(jìn)入密封端面，使密封端面得到冷卻、溫度降低，密封端面間建立液膜同時(shí)補(bǔ)償環(huán)在彈簧力作用下向非補(bǔ)償環(huán)方向移動(dòng)，補(bǔ)償環(huán)恢復(fù)原位保持與非補(bǔ)償環(huán)貼合，密封端面間的流體膜再次閃蒸而推開端面。密封端面分開—閉合—分開循環(huán)，產(chǎn)生間歇性振蕩，并伴有敲擊聲[3]。

當(dāng)介質(zhì)在軸上積垢或密封圈損傷導(dǎo)致表面較粗糙時(shí)，會(huì)導(dǎo)致摩擦阻力Ffr增大，當(dāng)補(bǔ)償環(huán)在彈簧力作用下向非補(bǔ)償環(huán)移動(dòng)時(shí)，此時(shí)輔助密封圈摩擦阻力Ffr方向與閉合力Fc方向相反，摩擦阻力為負(fù)值，摩擦阻力Ffr減小補(bǔ)償環(huán)所受閉合力Fc，當(dāng)密封端面閉合力Fc小于開啟力Fo時(shí)，密封端面無法回復(fù)原來位置且保持楔形開啟狀態(tài)，導(dǎo)致端面密封副泄漏量Q增大，造成密封失效。對(duì)于接觸式機(jī)械密封，應(yīng)盡可能保持密封面的平直和平行。

通過上述分析，隔離液壓力或流量降低、介質(zhì)在軸上積垢和彈簧力Fsp過小是導(dǎo)致機(jī)械密封間歇性振蕩和內(nèi)漏的原因。當(dāng)彈簧力不足以克服補(bǔ)償環(huán)輔助密封圈與相關(guān)組件表面間的摩阻力時(shí)，補(bǔ)償環(huán)失去追隨性，導(dǎo)致密封端面維持開啟狀態(tài)。

5 改進(jìn)措施

通過對(duì)機(jī)械密封失效分析，實(shí)施以下改進(jìn)措施：

5.1 終聚釜機(jī)械密封配置密封油站

對(duì)于接觸式濕式密封，必須保持足夠的蒸汽壓力裕量防止流體在密封面間沸騰。主要有兩個(gè)途徑：(1) 密封腔壓力與隔離液最高溫度飽和蒸汽壓之間的裕量不小于30%；(2)基于隔離液最高溫度方法確定的產(chǎn)品溫度裕量不小于20 ℃[4]。

通過對(duì)機(jī)械密封沖洗冷卻系統(tǒng)實(shí)施密封油站技術(shù)改造[1]，確保隔離液壓力、流量穩(wěn)定及介質(zhì)的清潔。避免沖洗系統(tǒng)的顆粒進(jìn)入機(jī)械密封造成損壞，又避免因電網(wǎng)波動(dòng)或斷電造成導(dǎo)致沖洗中斷造成機(jī)封泄漏。正常運(yùn)行時(shí)，將密封腔隔離液溫度控制在≤60 ℃，密封腔壓力控制在(0.2±0.01)MPa。

5.2 提高彈簧比壓

彈簧比壓是維持密封端面貼合的重要因素。在機(jī)械密封運(yùn)轉(zhuǎn)過程中密封腔的壓力較低時(shí)，或在機(jī)械密封運(yùn)行過程中出現(xiàn)較大的壓力波動(dòng)時(shí)，彈簧比壓就成為端面比壓的主要組成部分。同時(shí)，彈簧比壓psp仍能保持動(dòng)環(huán)的追隨性并維持一定的端面比壓，使密封端面緊密貼合，保持密封作用。

彈簧比壓過大，會(huì)增大密封端面的摩擦熱量、加速磨損；彈簧比壓過小，密封端面處于不穩(wěn)定狀態(tài)，隨動(dòng)困難發(fā)生泄漏。介質(zhì)壓力小或介質(zhì)波動(dòng)較大者，彈簧比壓對(duì)端面比壓的影響較大，psp取較大值；反之，取小值。本機(jī)械密封彈簧比壓psp取值為0.20～0.25 MPa。

為保證機(jī)械密封運(yùn)行期間密封端面比壓穩(wěn)定，通過增加彈簧數(shù)量、改變彈簧材質(zhì)(由1Cr18Ni9改為Hastelloy C-276)或增大彈簧線徑(1.4 mm改為1.5 mm)來增加彈簧比壓。

5.3 改進(jìn)軸向密封

原攪拌軸軸向密封采用浮環(huán)結(jié)構(gòu)，因攪拌軸轉(zhuǎn)速過低，浮環(huán)無法浮起與攪拌軸直接接觸，導(dǎo)致攪拌軸磨損，磨痕深度0.5 mm，浮環(huán)與攪拌軸之間的間隙增大，浮環(huán)密封失效。EG蒸汽夾帶部分聚合物進(jìn)入密封腔，并在機(jī)械密封軸套上聚集、碳化、結(jié)焦，阻礙補(bǔ)償環(huán)的軸向滑動(dòng)，使動(dòng)環(huán)失去軸向補(bǔ)償功能，導(dǎo)致機(jī)械密封泄漏量過大失效。

在原浮環(huán)外側(cè)增加一圈軟填料密封，如圖5所示，盡可能減少進(jìn)入密封腔的聚合物。

圖5 浮環(huán)+軟填料密封示意圖1) 浮環(huán)(浮動(dòng)密封環(huán))；2) 軟填料密封環(huán)；3) 彈簧

5.4 補(bǔ)償環(huán)O型圈改進(jìn)

補(bǔ)償環(huán)輔助密封圈與軸套之間摩擦阻力過大導(dǎo)致閉合力減小，是導(dǎo)致端面比壓不足的主要因素。O形圈與軸、軸套或密封環(huán)之間的摩擦力主要取決于接觸面的粗糙度(不低于Ra0.32～0.63μm)、橡膠圈硬度和密封環(huán)在密封中的壓縮量。

O形圈的材料與被密封介質(zhì)相容，橡膠O形圈不發(fā)生溶脹；嚴(yán)控O形圈尺寸公差精確，防止壓縮量過大或過?。籓形圈的耐溫性與強(qiáng)度要適合，防止老化與變形。

采取在軸套安裝密封圈的地方噴涂硬質(zhì)合金或陶瓷硬化層的措施，增強(qiáng)軸套的硬度。

5.5 穩(wěn)定工藝操作

控制釜內(nèi)液位在規(guī)定范圍內(nèi)，避免釜內(nèi)料位高過密封腔導(dǎo)致聚合物進(jìn)入機(jī)械密封，聚集在軸上并碳化結(jié)焦，致使補(bǔ)償環(huán)因阻力增大而失去追隨性，導(dǎo)致機(jī)械密封泄漏增大、失效。

控制釜內(nèi)壓力，防止機(jī)械密封端面比壓因釜內(nèi)壓力大幅升高而降低，導(dǎo)致機(jī)械密封泄漏增大失效。

5.6 嚴(yán)格遵守檢修規(guī)程

安裝過程中必須保證密封件干凈，保持各組件表面無灰塵、異物，保證密封端面不被劃傷；在補(bǔ)償環(huán)輔助密封圈與軸和軸套表面涂抹潤滑劑避免干摩擦；防止因動(dòng)環(huán)密封圈壓縮量過大而增大動(dòng)環(huán)軸向移動(dòng)阻力；防止因靜環(huán)密封圈壓縮量過大而引起靜環(huán)密封過度變形，甚至導(dǎo)致靜環(huán)斷裂。必須保證密封端面與旋轉(zhuǎn)軸垂直，否則密封端面會(huì)產(chǎn)生楔形間隙，密封環(huán)直徑越大，差值也越大。

6 實(shí)施效果與結(jié)論

合適的端面比壓是保證密封端面不開啟，是機(jī)械密封可靠運(yùn)行的重要因素；合適的彈簧作用力Fsp能保證彈簧追隨性、起到補(bǔ)充作用，保持密封端面良好地貼合。

通過采取以上相應(yīng)改進(jìn)措施，我公司6臺(tái)終聚釜用機(jī)械密封已經(jīng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行一個(gè)檢修周期(4年)，不僅節(jié)約了大量的檢修費(fèi)用，更保證了裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性和可靠性。