含氟聚合物聚合釜機械密封選型及泄漏問題解決

王井水

（巨化集團公司氟聚合物事業部，浙江 衢州324004）

機械密封正常運行是聚合生產穩定進行的基本保障，特別是在易燃易爆的反應介質下，機械密封的重要性尤顯突出。機械密封若無法正常運行，不僅嚴重影響聚合生產效率，還會造成反應原料報廢損失，且給檢修帶來巨大壓力。筆者長期觀察聚合釜運行，對每次機械密封的泄漏情況做了詳細記錄。針對某含氟聚合物聚合釜，分別從溫度、壓力、介質等方面介紹聚合釜機械密封及輔助系統的選型經驗；并結合聚合釜機械密封泄漏情況，分析原因、實施改造。

1 選型及輔助系統配置

1.1 聚合釜基本工況及介質條件

聚合釜為臥式帶夾套，螺帶式攪拌槳，容積7 m3；反應壓力4.5 MPa、溫度140℃，單批反應時間6 h。反應介質為某種含氟單體及助劑，酸性，并帶有顆粒物質，粘性較大，易燃易爆。

1.2 高溫條件下的選型

聚合釜工作溫度較高，機械密封腔內溫度、冷卻液（去離子水）溫度隨之升高，導致密封端面摩擦系數增大。當溫度達到水的沸點時，密封端面間的液膜汽化，形成摩擦副干摩擦，磨損逐漸增大，最終造成機械密封功能失效[1]。在高溫作用下，密封組件的疲勞強度降低，容易發生熱形變和熱裂的現象。形變就會造成松脫，相互之間的配合精度改變，同樣會造成密封失效。同時，聚合釜內反應呈酸性環境，密封組件的腐蝕和磨損將加劇，導致使用耐久性降低。

因此在聚合釜高溫條件下，應采取冷卻措施。配備外冷卻液循環系統：設置液封儲罐，在回水管段配置冷卻器，盡可能地降低冷卻液溫度，使密封端面溫度始終低于介質汽化溫度。另外，密封組合件選擇熱膨脹系數相近的材料，防止熱變形引起的配合失效[2]。

1.3 高壓及真空條件下的選型

聚合釜在反應前，需進行多次置換以除盡釜內殘留氣體。為加快置換速率，利用真空泵進行抽氣。若是密封腔內形成真空，將會引起摩擦副干摩擦。此外，聚合反應的工作壓力約4.5 MPa。當密封腔內壓力超過3.0 MPa時，會使密封端面比壓過大，液膜難以形成。同時，高壓還會使密封組件變形，引起密封失效。

針對聚合釜真空和高壓這2個極端的壓力條件，應選用雙端面機械密封[3]。通過2道密封，防止密封腔內形成真空。同時，選擇載荷系數較小的平衡型機械密封，這樣在高壓的條件下，仍然可以保證密封端面受力均勻，防止密封端面傾斜甚至摩擦，降低密封失效幾率。

1.4 復雜介質條件下的選型

聚合反應的原料中存在氣體介質。機械密封通常只能密封液體介質，不能直接密封氣體介質。因為密封兩端面間不能形成液膜。另外，反應過程中會產生類似面糊的粘性膠狀物，遇冷后部分會變成較堅硬的顆粒物。這些物料進入密封腔內，會粘住補償機構內的彈性元件，引起失彈，還會破壞密封面的平衡和液膜的連續性，引起摩擦副干摩擦。

針對聚合釜有氣體、有粘性、顆粒狀的復雜介質條件，選型時應考慮：1)選用雙端面密封結構，達到間接密封的效果，防止氣體介質泄露；2)在機封底部安裝四氟擋料環，最大限度防止粘性物進入；3)采取沖刷措施，在液封儲罐下方，機械密封冷卻水進水管段設置循環增壓泵，在合適的壓力范圍內給冷卻水增壓，起到沖刷密封腔及循環管線，防止顆粒物沉淀的作用。

綜合以上3方面分析，選擇外裝式多彈簧平衡型雙端面機械密封，并配備外冷卻液循環輔助系統。輸入和輸出端各配置1套機械密封。如圖1和圖2所示。

圖1 機械密封及輔助系統配置Fig 1 Mechanical seal and auxiliary system configuration

圖2 改造前軸系結構形式及機械密封配置Fig 2 Shafting structure form and mechanical seal configuration before transformation

2 泄漏及解決

2.1 泄漏現象及原因分析

聚合釜投入生產后，第1年泄漏9次，第2年泄漏11次，平均1.2個月就需停車檢修。內漏和外漏2種情況都有發生，且無明顯規律。雙端面機械密封有2道密封腔，如果密封腔被破壞，內漏是密封液分別漏往釜內，外漏則是漏往機封外部的觀察孔。

通過對泄漏機械密封的拆檢發現，摩擦副破損的次數占絕大部分，少數幾次有動、靜環位置松動甚至散架的現象。其共同的特點是，端面無長期運行形成的漸進式輕微劃痕，厚度也未減少，動環座、輔助密封圈都有松動、跑位的現象。

分析原因可能有2種，一是檢修時裝配不到位或者螺栓預緊力不夠；二是聚合釜在運行時，攪拌軸系動平衡不穩定，徑向串量過大。這2者都會引起機械密封運行時密封面松動、跑偏，從而導致兩端面之間相對位置變化，相互摩擦甚至碰撞。但經過裝配試驗后，排除了第1種可能。

從軸系結構形式及機械密封配置方式分析，聚合釜槳葉呈螺旋狀分布，由于其形狀的復雜性，故徑向作用力很難相互抵消；加上焊接制造困難，常出現焊縫開裂、螺帶脫落的現象，從而加劇軸系運轉的不平衡。由于螺帶槳葉未裝配在攪拌軸上，而是焊接在加強筋上，故造成輸入段與輸出段的攪拌軸同軸度、直線度不夠，這也加劇了攪拌軸在運行中的失穩現象。由此判斷，軸系結構及機械密封配置不合理，引起的轉軸動平衡不穩、徑向串量大，從而引起機封震動，螺栓逐漸松動，各裝配間隙變化，最終引起機械密封損壞、泄漏。

2.2 解決方案

根據上述分析結果，結合生產工藝因素，制定相應的聚合釜改造方案：

1)將攪拌槳由螺帶式改為槳葉式，一軸貫穿釜內，穩定軸系運轉；

2)輸入、輸出兩端雙機封改為輸入端單機封，在輸入端設置軸承支架，輸出端裝配軸套和盲法蘭，消除2端同軸度不匹配的問題，進一步穩定軸系運轉。改造后聚合釜軸系結構形式與機械密封配置方式，如圖3所示。

圖3 設備改造后軸系結構形式及機械密封配置Fig 3 Shafting structure form and mechanical seal configuration after transformation

3 結論

設備改造后，經過生產試驗，聚合釜運行工藝參數符合生產指標，同時機械密封運行狀況也大為改善。正常投料頻率下運行1年，僅發生過1次泄漏現象。聚合釜配置的機械密封由2套降為1套，泄漏點減少；在機械密封及輔助系統正確地選型和配置前提下，軸系運轉的不穩定因素得到徹底消除。

機械密封泄漏問題的解決，減少了檢修次數，降低了檢修費用及備件壓力。同時，機械密封地可靠運行，也有效地保障了聚合釜高效運轉，提高了生產效率和經濟效益。

綜上所訴，要保證聚合釜機械密封長期有效地運行，科學選型及合理配置輔助系統是基礎，同時應兼顧軸系結構形式及機械密封配置方式地合理選擇。

[1]陳匡民，董宗玉，陳文梅.流體動密封[M].成都:科技大學出版社,1990:179-190.

[2]顧永泉.流體動密封[M].青島:石油大學出版社,1990:223-225.

[3]何玉杰.機械密封選用手冊[M].北京:機械工業出版社,2011:51-53.