反应釜机械密封失效分析及改造陈永强

反应釜机械密封失效分析及改造陈永强
发布时间：2021-07-26T15:58:23.627Z 来源：《基层建设》2021年第14期作者：陈永强
[导读] 着重分析了丁辛醇羰基合成反应釜用搅拌器机械密封应用过程中存在的问题、产生的原因及解决办法。

针对丁辛醇装置羰基合成反应釜搅拌器特点
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摘要：着重分析了丁辛醇羰基合成反应釜用搅拌器机械密封应用过程中存在的问题、产生的原因及解决办法。

针对丁辛醇装置羰基合成反应釜搅拌器特点，对搅拌器结构和机械密封结构进行分析，找出了搅拌器在运行过程中不利于机械密封正常运行的关键问题，并提出了有效的改正措施和方案，有效地降低了设备维修频率，保障了装置平稳运行，供同行人员参考。

关健词：搅拌器；机械密封；失效分析；
引言
随着科技的发展、技术的进步及新材料的应用，机械密封的使用在逐渐改进，但其效果并不是很理想，在一定程度制约着机械密封的使用[1]。

本文以丁辛醇运营以来，频繁出现机封泄漏和釜体振动大等问题，严重影响正常生产[2]。

根据釜用搅拌器机械运行状况分析机械密封失效原因，为消除釜用搅拌器机械密封失效隐患，改造釜用搅拌器机械密封系统，提高装置运行的安全性与稳定性。

1械密封结构
机械密封也称端面密封，是轴封装置中的旋转机械，运行原理是在一对或多对在断面垂直于轴的流体压力和补偿机构弹力中完全贴合和比较润滑的情况下形成的一种防流体泄漏装置。

搅拌器机械密封的特点是机械稳定、能量损耗低、使用寿命长、功率小、不需要经常维修等。

在自动化生产中，机械密封是一种比较合理并且推荐的生产方式，在温度高、压强大、失氧及其各种强酸、空气中漂泊粉尘颗粒等情况下都可以使用机械密封。

机械密封是设备节能、防漏以及防止环境污染的重要基础件，对釜用机械设备及整个生产过程和安全性都有较大的影响。

搅拌器安全与稳定的运行，主要靠机械密封维持。

釜用机械密封装置采用两个端面平衡可以载荷搅拌的径向力的机械密2～3 km/h、灯柱色灯无显示、运行过程中发出空转报警、过道岔时出现紧急制动、接线故障、轴温温升报警等故障情况，影响监控装置正常使用。

当故障出现时，管理人员和现场操作人员积极应对，第一时间判断故障原因，并且采取行之有效的处理措施，恢复监控装置应有的功能，减小监控装置故障对行车安全的影响。

2故障分析
丁辛醇车间２套装置４台反应釜搅拌器先后出现了几十次机械密封故障问题，大部分问题集中在机械密封泄漏方面。

不能保障丁辛醇装置的长周期稳定运行，是丁辛醇装置生产的瓶颈问题。

反应釜搅拌器的机械密封见图１。

反应釜搅拌器运行的工况：压力１．６５ＭＰａ；温度９５℃；介质为合成气、丙烯、混醛；搅拌器转速１０８ｒ／ｍｉｎ。

图１反应釜搅拌器的机械密封示意图
2.1机械密封的型式及工况
丁辛醇车间４台羰基合成反应釜搅拌器的原机械密封为双端面波纹管式机械密封，应用《ＡＰＩ６１０机械密封冲洗管路布置方案》中的ＰＬＡＮ５４方案。

工况条件：反应釜压力１．６６ＭＰａ；温度９５℃；密封介质为醛蒸汽、气态丙烯、合成气；隔离液是乙二醇，隔离液压力（１．７０～１．８０）ＭＰａ；搅拌轴转速１０８ｒ／ｍｉｎ；搅拌轴长度为１２ｍ，垂直安装，底部有一耐磨轴套控制搅拌轴底端的径向方向；搅拌轴中间有３层搅拌桨叶，每层有４个搅拌桨叶片。

2.2原因分析
原４台反应釜搅拌器的机械密封是双端面波纹管式机械密封，２套机械密封的安装方向是背靠背式（２个密封的动环背靠背在中间，静环在两边），要求日常操作密封隔离液的压力要高于反应釜的系统压力。

机械密封的型式是决定４台搅拌器机械密封能否长周期稳定运行的首要条件。

2019年8月份，利用停车检修的机会，进入到４台反应釜内部，仔细了解搅拌轴的运行情况，发现此搅拌轴长１２ｍ，底部有一耐磨四氟套束缚搅拌轴的径向摆动。

经过分析，由于此搅拌轴过长，只有两端有径向轴承束缚，中部桨叶部分才是径向受力部分，推测在正常运行过程中，这４个搅拌轴必然有受力弯曲现象发生，这就是导致双端面波纹管式机械密封泄漏的根本原因。

另外缩合反应釜搅拌器为悬挂式结构，只有搅拌轴顶部有径向轴承，底部无轴承支撑为自由结构，这种结构更容易发生搅拌轴摆动弯曲现象。

波纹管的缺点就是局部压缩受力导致波纹管整体压缩变形。

波纹管式机械密封要求设备的运转条件就是要轴平直，不能弯曲，见图２
图2理想状态下运行的波纹管式机械密封示意图
实际搅拌器的搅拌轴在运行的情况下是达不到平直要求的，运行中搅拌轴的自由摆动和物料气液冲击搅拌桨叶都是导致搅拌轴弯曲的重要因素。

轴弯曲后，就会导致机械密封中波纹管局部受力，见图３。

图3实际工况下运行的波纹管式机械密封示意图
由图３可见，造成机械密封的动环和静环密封面不能完全接触，导致机械密封失效泄漏。

还有波纹管式机械密封要求在运行过程中轴的中心相对于机械密封的静环来说是不能改变的，理论上波纹管式机械密封的波纹管的中心要与机械密封的静环的中心在同一条线上，在运行过程中这２条中心线发生偏离也是波纹管式机械密封泄漏的一个重要原因。

波纹管式机械密封的中心线与轴的中心线必须是同一个中心线，而导致波纹管式机械密封的波纹管的中心线与静环的中心线偏离的原因就是轴在运行过程中的问题了。

如果轴在运行过程中发生径向振动或弯曲倾斜，而其中心线位置必然发生改变，这样就引起波纹管的位置改变，导致机械密封的动环和静环的密封面发生改变，最终导致机械密封的失效泄漏。

2.3搅拌轴摆动与搅拌器振动
在搅拌器运行期间，下部和搅拌部分被强烈摇动，是由机器长时间运行引起的。

下轴承的磨损导致搅拌轴轴套与底部轴承间的间隙增加，引起运动幅度增加，加剧对底座、机械密封和减速箱的冲击，从而增加反应釜体、机架和机械密封的振动。

由于减速箱轴之间的距离小且轴套的强度低，搅拌轴具有较大的悬臂长度，并且搅拌轴具有高度混合，尽管混合器的设计已经改进，但搅拌器变速箱和搅拌器轴连接处轴套间距的变化导致搅拌器轴在操作期间的振荡保持不变，随着时间的推移，轴套和搅拌轴之间会有很多磨损，使搅拌器机械密封出现严重失效。

2.4机械密封摩擦材料选择
反应釜原进口机械密封采用双端面背靠背平衡型旋转式结构。

推环上固定着4个定位销，一组弹簧公用两组动环，如图4所示，并且其材质与风动环材质均采用石墨与金刚砂，静环采用SiC材质。

动环有4个定位销，且每个定位销接触面积不大，结构设计较薄弱，机器运行后转矩变大，往往导致动环在定位销孔处产生裂痕和裂纹。

其次，搅拌器的加工材料为三聚氰胺料浆，其中含有大量颗粒状的一聚氰胺结晶物质，比较容易让动环产生磨损，致使机械密封效果下降并导致泄漏问题的出现，其磨损原理如图5所示。

图4介质侧、大气侧静环定位销
图5磨损原理2.5 O形圈失效分析
釜用搅拌机机械介质具有较多的O形圈，例如，侧动环O形圈、静环O形圈、座O形圈、轴套O形圈等。

机械密封在安装3～4个月后往往会出现微漏现象，通过检修拆解机械密封发现O形密封圈老化，材料已经变质，起不到密封效果。

在釜用搅拌机械强行循环运行过程中，由于机械密封的冷却受到了严重的影响，O形圈在长期高温环境下老化，导致密封失效泄漏。

同时，大气侧动环O形圈、静环O形圈以及其他部位O形圈均采用普通氟橡胶。

在机械运行中产生系统压力波动情况，釜内少量介质从侧面机械密封端进入大气侧机械密封端。

普通氟橡胶对于醛的耐腐蚀性较差，使大气侧动环O形圈、静环O形圈以及其他部位O形圈出现腐蚀、起泡以及麻点、膨胀现象，最后导致机械密封失效。

由于材质问题，O形环过热后会产生塑性变形或碳化而失去弹性。

在冬季的室外，密封圈会迅速变硬，安装成为困难。

同时，冬季密封油温度低、顺化程度较低，会导致密封圈经常出现变形或扭曲、断裂。

使釜用搅拌器机械出现密封失效现象。

3、解决方案
根据搅拌器机械密封运行的实际情况，对照问题，更换波纹管式机械密封，采用多弹簧式机械密封，这样机械密封动环后就多了一道泄漏点，因此须要选择弹性较好的耐物料的全氟醚材质的Ｏ型圈结构密封这个泄漏点。

多弹簧式机械密封的特点是每个弹簧单独安装在机械密封的底座上，然后由每根单独弹簧对动环作用力。

即使轴有径向窜动或弯曲倾斜，每根弹簧都能把弹簧的弹力单独作用在动环上，这样就保障动环的密封面和静环的密封面完全密封接触，防止泄露。

（见图6）
图6解决方案示意图
确定方案后，按此方案制作集装式机械密封。

静环的结构取消了原来四氟压紧安装结构，更改为橡胶Ｏ型圈环形金属环压紧静环结构，见图7。

由图7可见，安装结构避免了因安装过程中造成的静环倾斜或压不到根的问题，保证了静环的安装位置准确可靠。

图7静环的新的安装结构
4、机械密封改造
2020年5月，对4台反应釜搅拌器的机械密封和密封油系统进行国产化改造。

改造后的背靠背双端面釜用机械密封，密封端面为镶装式、完全平衡型、静止式、多弹簧结构。

完全平衡型密封的设计不但可以适应较高的使用压力，而且可以保证介质侧和大气侧摩擦副端面压力的自身平衡，镶装式密封端面强度高，承载能力强并能适应较大的启动扭矩，多弹簧结构可以为端面提供均匀载荷和良好的补偿性，密封环采用销子传动，结构简单，安全可靠［4］。

轴套与轴的密封采用“O”型环设计，保证了介质不会从轴与轴套间泄漏。

5、处理效果
4台搅拌器改造后，至今已运行12个月，搅拌器运行平稳，消除了反应釜振动、搅拌轴摆动大、机械密封密封油系统循环不良以及机械密封频繁泄漏等设备问题，大大提高了装置产量，为企业带来了显著效益。

6、结束语
在各种因素影响下，釜用搅拌器机械运行期间经常发生机械密封失效现象，通过更换波纹管式机械密封，增加弹性较好的耐物料的全氟醚材质的Ｏ型圈结构密封，取得了很好的效果，达到了要求的使用周期，同时，设备进行良好的维护和保养，才能创造较长的密封周期。

参考文献：
[1]从氯化反应釜机械密封故障解决实例浅谈反应釜用机械密封[J].曾红生.科技传播.2011（02）
[2]反应釜搅拌器集装式机械密封系统的改造与应用[J].闫鲁忠，赵洋.石油和化工设备.2010（01）
[3]机械密封在化工反应釜上的应用[J].张立东.科技致富向导.2012（11）
[4]化工机械密封故障原因及解决策略[J].张玉海.中国设备工程.2020（12）。