PTA氧化反應器攪拌器機械密封失效分析

繆建軍（儀征化纖有限責任公司PTA生產中心，江蘇儀征 211900）

PTA氧化反應器攪拌器機械密封失效分析

繆建軍
（儀征化纖有限責任公司PTA生產中心，江蘇儀征 211900）

通過對PTA氧化反應器攪拌器機械密封的失效機理進行分析，查找導致機封頻繁失效的原因，并制定解決方案。

氧化反應器攪拌器；機械密封；有限元分析；失效分析

PTA氧化反應器是PTA裝置的關鍵設備。近年來，連續發生2次機械密封（下稱機封）投用3個月后從檢漏口外漏密封水，隨后泄漏量逐步加劇，為防止密封水進入機封上部的滾動軸承而抱死的事故，繼而停車更換機封。這樣的運行狀態嚴重制約裝置長周期的運行。通過對失效機封進行拆解分析，發現失效機封的故障特征相似，因此結合機封的運行工況，從機封的故障特征、有限元分析、部件尺寸檢查等方面入手，最終發現機封頻繁失效的原因是機封制造過程中短軸套總成與動環座之間的傳動銷與銷孔間隙偏差導致。

1　失效機封的工況及結構

1.1機封的工況條件

從PTA氧化反應器機封的工況參數表可以看到：攪拌器的轉速為31～64r/min RPM（攪拌器2檔轉速切換），機封運轉線速度較低；工作溫度199.6℃，采用連續供密封水（進行冷卻沖洗；密封水壓力1.8MPa，流量要求600-800L/h。外加底部循環水冷卻夾套進行降溫。而反應器內工作壓力為1.6MPa，滿足介質側密封壓差0.2～0.5MPa的設計要求。

1.2機封的結構原理

從機封的結構示意圖（圖1）可以看出：該機封為雙端面結構，上/下密封副之間采用了單獨彈簧結構，共32件，材質哈氏C-276。相較于共用彈簧結構，可以避免其中一個密封副出現泄漏，而確保另外一個密封副不受影響。軸套與攪拌軸之間通過收縮盤進行鎖緊，傳遞扭矩。

圖1　機封結構示意圖

2　機封的失效過程和現象

2.1故障特征

（1）每次氧化反應器的機封在運行過程中的失效過程大致表現為：一般運行3個月左右，機封檢漏口出現密封水滴漏，然后逐步加大，再運行幾個月后，檢漏口的密封水來不及排放，隨之進入機封上部防止攪拌軸擺動的圓錐滾子軸承，最后被迫停車更換。

（2）解體圖片和現象

其中第一次使用時間6個月，石墨環（動環）有異常磨損，沒有斷裂。第二次使用3個月，石墨環磨損正常，沒有劃傷、腐蝕和斷裂。

圖2　介質側密封環

圖3 大氣側密封環

兩次機封失效彈簧都發生了1/3折斷和1/3的磨損現象。

圖4　彈簧斷裂

圖5　彈簧磨損

3　故障分析

3.1有限元分析

由于密封幅有了損壞，首先從設計角度對機封進行驗證，對摩擦副與動環（補償環）座進行有限元分析（非線性接觸分析與摩擦副耦合分析），分析過程及結果如下

（1）圖6、圖7描述了按照設計模型進行有限元分析的前處理，建立模型并且劃分網格，加載相應的邊界條件。由于使用鑲裝結構、定義了接觸邊界，為了計算鑲裝過盈量對機械密封端面的變形影響以及鑲裝應力對摩擦副的影響。

圖6　密封模型與網格劃分

圖7 鑲裝與支撐接觸面定義

（2）圖8，圖9是機械密封初始的彈簧力與加載約束點。為計算機械密封變形趨勢建立相應的計算條件。

（3）圖10是摩擦副端面與動靜環接觸處溫度場分布圖，圖11是其局部溫度場放大圖。溫度最高點為75.3℃，溫度最低處為動環座59.7℃，摩擦副端面的接觸溫度最高，靜環的溫度要稍高于動環的溫度點。

圖8　彈簧力的加載

圖9 約束加載

圖10　溫度場分布

圖11　溫度場局部放大圖

（4）圖12是機械密封幅在溫度與壓力的作用下的變形情況，可以看出變形的趨勢。硬質合金的環由于其自身機械性能的高抗可壓性其向內的收縮的趨勢不明顯，石墨環由于在鑲裝環的拉力下，向內變形的趨勢變緩，但是相對于硬質合金還是有稍許向內變形的趨勢，機封在正常工況下的變形量只是很小的0.1條光帶。

圖12　在溫度與壓力共同作用的下變形

（5）圖13為端面間的流體壓力與接觸壓力分布，可以看到，流體壓力Pfluid在端面間成類線性分布，符合機封端面分類規律。接觸壓力Pcontact的最高點在靠近內徑側方向，在摩擦副在內徑側相對溫度較高符合溫度場分布的規律。流體成為一個微收斂的間隙內流動，具有較好的剛度與抗變性。

圖13　端面間的流體壓力與接觸壓力分布

（6）圖14為端面間溶膜分布，可以看出在膜厚最薄的位置，恰好是接觸應力Pcontact最高的地方，與圖13計算吻合；并且與Hfea曲線相具有一致性，表明流體的壓力與溫度的影響并沒有使摩擦副發生較明顯的端面變形。

（7）圖15為端面間溫度分布，與上述計算均具有一致性。

（8）圖16為接觸應力，鑲裝應力與動環座的支撐應力，作用力都是材料可以滿足的應力范圍內。

（9）圖17、圖18為動環與靜環的von mises應力分布。均滿足材料的要求。

（10）沖洗量校核計算：計算獲得摩擦副及旋轉件的摩擦功率為：P=824W。沖洗量要求：Q=Pt/（ρ*C*Δt）=2.25L/min=135L/h。

圖14　端面間液膜分布

圖15　端面間溫度分布

圖16　接觸應力分布

圖17　VON MISES應力分布（動環）

圖18 VON MISES應力分布 （靜環）

故，Q'=2*Q*n=135*2*2.5（安全系數：2.5）=675L/h。

該機封正常運轉所需要的密封沖洗循環量為675L/h，現場密封水600-800L/h的流量能滿足機封正常運轉要求。

（11）理論設計結論

該機封通過應力分析，結果表機該封能夠保證在正常工況下連續、可靠的運轉。

3.2對彈簧的材質進行了化學成分分析

將斷裂的彈簧用光譜儀進行了測定，成分符合ASTM B575 N10276規范的要求。

3.3檢查工藝操作條件

由于該設備為中心特護設備，有齊全的設備、工藝數據記錄，經查詢每天的操作數據，沒有發現異常波動，均在正常范圍內。

3.4上下端面部件尺寸檢查

最后我們將剩余完好的彈簧回裝到解體的機封上進行部件尺寸測量。發現2套機封的短軸套總成與動環座之間的4只傳動銷與銷孔間隙均大于彈簧與彈簧孔的間隙值，第一套大3mm，第二套大2.5mm。

4　失效結論

結合密封幅應力分析，彈簧材質分析、工藝操作條件的變化以及密封部件尺寸的檢查，判斷機械密封失效原因為：傳動銷與柱孔間隙值大于了彈簧與彈簧孔的間隙值。密封幅在旋轉過程中，傳動銷沒有發揮傳遞扭矩的作用，而由彈簧來承受圓周方向的剪切力，經過一段時間的運行后，部分彈簧開始變形、疲勞折斷，繼而密封幅比壓Pc不規則變小，發生泄漏。第一套機封運行時間較長，密封幅的石墨環發生磨損，第二套機封運行時間段，石墨環異常磨損未表現出來。

5　結構改進

廠家在保證部件強度不變的前提下，對傳動銷與銷孔間隙值和結構進行了改進和完善，數值上規定傳動銷與銷孔間隙比彈簧與彈簧孔間隙小3mm，裝配后嚴格檢查。結構上傳動銷的圓周設計了PEEK保護套，避免機封在啟動瞬間中對密封幅的沖擊。修改的結構見圖19。

圖19　傳動銷

6　結束語

1）經過對該機封傳動銷的改進和完善，目前機封運轉正常，運行周期已經達到2.5年，證明分析的故障原因是準確的。

2）機封廠家在機封結構設計，機械加工的時候，不但重視密封幅主結構，還要關注小部件對機封的影響。從設計上把關，從加工裝配上控制。

Failure Analysis of Mechanical Seal of PTA Oxidation Reactor Agitator

Miao Jian-jun

Based on the failure analysis of mechanical seal of PTA Oxidation Reactor Agitator，try to find out the failure causes，then develop solutions.

PTA Oxidation Reactor Agitator；mechanical seal；FEM；Failure analysis

TH136

A

1003-6490（2016）03-0096-03

2016-03-16

羅嵐（1984—），女，四川巴中人，工程師，主要研究方向為HSE管理和安全環保節能。