立式攪拌釜機械密封的結構分析與改進

顧炳其

(中國石化上海石油化工股份有限公司滌綸部， 200540)

立式攪拌釜機械密封的結構分析與改進

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機械密封原設計采用雙端面非平衡型多彈簧機械密封，帶外置反沖洗裝置和循環冷卻液，由于高溫導致密封圈失效和軸的大擺動導致密封面跳動大，使得原結構機械密封使用周期較短。2002年進行了增量改造，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，更加劇了機械密封的失效。對機械密封使用周期短的原因進行了深入分析，提出了改進方案并進行了實施，延長了使用周期。

機械密封 失效 改進 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鐘紡聚酯生產流程中的關鍵設備，從日本引進，1983年投產，釜腔壓力為0.07 MPa，溫度290℃左右。該反應釜帶有立式攪拌裝置，包括電機、減速箱、機械密封軸與攪拌軸。攪拌軸為懸臂式，懸臂長度達到4 000 mm，為二級攪拌槳葉，攪拌軸轉速為200 r/min。攪拌軸密封采用的是Φ180 mm雙端面非平衡型機械密封，有外置的反沖洗裝置，沖洗液為乙二醇。機械密封軸上有冷卻夾套，在運行中機械密封失效是該反應釜的主要故障。2002年裝置進行了增量改造，生產能力從200 kt/a擴能到370 kt/a。立式攪拌釜R－21是生產線上第一酯化反應釜，為了滿足整條生產線增量改造，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5 500 mm，再加上機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6 500 mm，為三級攪拌槳葉。僅靠機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，導致下端機械密封的徑向跳動很大，下端機械密封又靠近高溫區，使機械密封的失效問題更嚴重，因此解決機械密封失效問題以方便檢修至關重要。

1 聚酯生產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條生產線，每條生產線上主要設備有5臺反應器、4臺熔體齒輪泵及3套真空泵系統，2000－2006年，共發生6次引起檢修的設備故障，其中R－21反應釜故障所占比例見表1。

表1 設備故障引起生產線停車檢修統計

由表1可知，R－21反應釜引起的故障在鐘紡聚酯裝置故障次數中的比例達到67%，常見故障為機械密封泄漏失效。上端面機械密封失效導致反沖洗液外漏到軸承導致軸承損壞，而漏到高溫釜體上則引起火災;下端面機械密封失效則反沖洗液內漏到釜內導致工藝無法控制。一旦出現嚴重故障，就要進行釜內物料排空、清洗、降溫、機械密封修復、再組裝、升溫等復雜的檢修工程，檢修時間很長。

2 原裝機械密封結構在增量改造后的失效分析

2.1 原裝機械密封結構

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

圖1 原裝機械密封結構

2.2 增量改造后機械密封失效分析

原裝機械密封在反應釜未增量改造時故障也較多，而R－21反應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行具體分析。

(1)該機械密封采用雙端面非平衡型多彈簧機械密封。改造后機械密封與攪拌軸總長達到6 500 mm，軸徑向擺動更大，動靜環摩擦副跳動增加;下端多彈簧機械密封追隨性較差，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械密封使用壽命短。

(2)機械密封離高溫區較近、傳熱路徑短，因此原結構在軸上設計了冷卻夾套腔體，但是這樣直接導致軸的剛性變差。

(3)原設計為兩副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，此安裝導致軸承的支撐距離短，軸的擺動大，影響機械密封壽命。

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

(5)原機械密封的檢修維護必須對釜進行置換清洗后才能進行，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，導致下端機械密封的徑向跳動變大。

2.3 確保機械密封運行平穩及方便檢修的改進措施

2.3.1 改進軸徑向載荷

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。為了進一步增加軸的剛性，改善密封環境，軸承采取背對背的安裝方式，以達到增加支撐距離，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油環，使潤滑油通過導油環向兩軸承分配，保證潤滑充分。軸的懸臂下端增設一個輔助支撐軸承，降低攪拌軸的振擺值，改善機械密封運行條件。軸承載荷能力由表2可知，負載能力得到很大提高。

表2 軸承載負能力對照 N

2.3.2 增加冷卻效果

機械密封設置于軸承下部，離高溫釜體較近，因此在保留原來的兩套冷卻系統基礎上增大冷卻腔體，殼體在保證強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境，潤滑冷卻密封介質的出口設置應該高于上密潤滑液進口(見圖2)，使整個密封系統潤滑冷卻充分。

圖2 改進后的機械密封結構

2.3.3 增加機械密封軸剛性，取消冷卻槽夾套

經分析認為，原軸結構上的冷卻槽夾套設置不合理，在直徑為Φ180 mm，轉速為200 r/min，線速度為1.9 m/s的條件下冷卻槽夾套內腔起不了作用，冷卻液不可能從進口入從出口出，降低了軸性能，并且在夾套焊接處產生疲勞裂紋，此時夾套處實際工作軸徑為140 mm(軸槽腔體加夾套壁厚)，軸性能進一步降低，工作風險很大。另外殼體上已經采取了增加冷卻效果的措施，因此取消軸冷卻夾套，消除夾套焊接處產生疲勞裂紋造成密封內漏及軸性能降低的問題，改善軸的工藝性與性能，尺寸設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，軸強度和剛度得到改善［1］。根據軸強度和剛度計算式可知，在其他條件相同情況下，軸的強度和剛度與軸徑正相關，所以不再進行強度和剛度計算。

2.3.4 改進機械密封結構

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

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

2.3.5 改進組成集裝式機械密封的結構

原密封裝置檢修維護性差，機械密封直接在軸上組裝，合格率低、反復多，因此將機械密封、軸承和殼體等組裝成集裝式機械密封。具體措施是設計一個長軸套，將機械密封組件、軸承及密封腔體等與它組裝在一起，組成集裝式機械密封，組裝好的密封裝置經靜態與動態試車合格后，檢修時整體安裝，保證密封質量，并在較短時間內完成。

2.3.6 設置方便檢修的密封裝置與支撐結構

考慮到檢修過程中希望僅更換機械密封，不對釜進行置換清洗，以減少化工原料損失并能在較短時間完成檢修，因此增設了方便檢修的密封裝置與支撐結構。具體方法是在釜口法蘭上設計一錐面作為檢修密封座(見圖2)，檢修維護時不用拆卸，并設計一個檢修密封體及分瓣支撐環，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，使其達到常壓密封，以利于后續檢修。密封錐面的設計應充分考慮初始密封狀態的形成，保證有效密封。

3 機械密封的設計計算［2］

改造后密封結構已改變，對幾個主要參數進行校驗計算，確定改進后的機械密封達到改進要求，特別是PcV值是衡量機械密封性能的重要指標，必須符合密封材料的許用(PcV)p值。

3.1 上端面機械密封的設計計算

3.1.1 彈簧比壓

彈簧比壓的作用在于當介質壓力很小或者波動時仍能維持一定的端面比壓，使介質不致泄漏;同時保證主機在起動、停車時密封端面能緊密貼合。此外它還用于克服補償環輔助密封圈與相關元件表面的摩擦阻力，使補償環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、外徑，mm;

Ps——彈簧比壓，取值的范圍根據經驗確定，介質壓力低，則取低值。

根據式(1)計算可得Ps為0.12 MPa。

3.1.2 端面比壓

端面比壓是機械密封的關鍵因子，若端面比壓過大，易使密封摩擦副出現干摩擦工況，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，而且與介質黏度有關，乙二醇屬于低黏度不易揮發介質，對內裝式密封一般取0. 5;

D1、D2——密封面內、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值是衡量機械密封性能的重要指標之一，它作為耐熱性和耐磨性的指標，其值大小與密封潤滑狀態、摩擦副的材質、各端面表面粗糙度和介質黏度等密切相關。PcV值的計算式見式(5):

式中:n為軸的轉速，200 r/min。

而PcV應不大于密封材料的許用PcV值即(PcV)p，根據式(5)計算可得PcV值為0.53，小于(PcV)p值14.7，滿足設計要求。

3.2 下端面機械密封的設計計算

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。根據式(1)計算:

式中:Fs——總彈簧力，250 N左右;

Ps取值的范圍根據經驗確定，介質壓力低時取小值，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)，此處的波紋管機械密封為平衡型。

PL為冷卻沖洗介質壓力與釜腔壓差為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，根據式(5)，

4 改進前后機械密封運行情況比較

立式攪拌釜R－21運行中原機械密封有較多難以克服的缺點，特別反應釜增量改造后問題更嚴重，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，軸冷卻夾套產生裂紋等問題，只能對釜進行置換清洗后才能搶修，嚴重影響裝置正常生產。而改進后的R－21機械密封克服了以上缺點。表3是經改進后對6條生產線生產運行進行的一些技術統計。

表3 改進前后機械密封運行比較

從表3中可以看出，盡管經過多個生產周期運行，改進后立式攪拌釜R－21機械密封沒有出現一次故障。達到了改造目的，效果非常好。

5 結論

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

［1］ 關天地，王淑蘭，林基明，等．軸及其連接［M］//成大先．機械設計手冊:第2卷．4版．北京:化學工業出版社，2004．

［2］ 王德濤，韓學銓，柯蕊珍．潤滑與密封［M］//成大先．機械設計手冊:第3卷．4版．北京:化學工業出版社，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年畢業于上海石油化工中等專業學?；w專業，助理工程師，現從事設備管理工作。