終聚釜用機械密封失效分析及改進措施

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構，支撐鼠籠的短軸裝配雙端面機械密封，雙端面機械密封具有泄漏量小、結構簡單的特點。

1 存在問題

終聚釜機械密封運行穩定性是影響整套聚酯裝置運行安全、穩定和產品質量的決定性因素之一。

機械密封泄漏故障多發生在隔離液壓力波動過程中，下面結合2起機械密封泄漏故障加以分析，并提出改進方案。

1) 2006年巡檢人員發現終聚釜機械密封發生間歇振蕩。此時，冷卻、阻封機械密封所用隔離液出口流量、壓力有較大波動；通過關小隔離液出口截止閥將隔離液壓力調至0.15 MPa，隔離液壓力、流量穩定、不再波動，機械密封異常振動消失。

2) 2020年6月，在聚酯裝置停車過程中，現場巡檢人員發現終聚釜機械密封隔離液出口流量下限報警，同時終聚釜內失真空、釜內溫度下降，判定終聚釜機械密封發生內漏。

終聚釜機械密封解體檢查，發現機械密封腔體內部發生積料、結焦現象，物料主要堆積在介質側動靜密封環與軸套之間的縫隙中，介質側動環O型圈上附有雜質，介質側動環O型圈接觸的軸套部分堆有雜質，如圖1所示。

圖1 終聚釜機械密封腔體內部積料1A):介質側O型圈;1B):大氣側O型圈;2A):介質側動環;2B):大氣側動環;3A):介質側靜環;3B):大氣側靜環;Ⅰ):軸套處堆積的大量雜質

2 機械密封原理

機械密封作為一種用來解決旋轉軸與機體之間密封的裝置。機械密封動、靜環端面依靠流體壓力和彈性組件的彈力貼合在一起，在密封環的端面上產生一個適當的比壓，在密封端面間的微小間隙內產生一層極薄的液膜，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的壓力差，達到密封的目的。

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

a) 3CW-FB 面對背接觸式濕式密封

機械密封要求動環能靈活地軸向移動，自動補償密封端面的磨損，靜環能靈活浮動，保證動環與靜環始終處于緊密貼合狀態。

接觸式機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。接觸式機械密封多處于混合摩擦狀態。

3 機械密封的力學分析

3.1 軸向力平衡

在機械密封動、靜環上作用著各種載荷，這些載荷可以歸結為閉合力與開啟力[2]。密封端面處于貼合狀態時，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 機械密封摩擦副軸向力示意圖

圖中Fsp為彈性組件施加給補償環的載荷；Ffr為補償環輔助密封與滑移面之間的摩擦力；Fi為補償環組件軸向加速運動時產生的慣性力；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)

當密封端面閉合力Fc和開啟力Fo相平衡時，即

Fo=Fc=Fsp+peA±(Ffr+Fi)=pmA+pcA

(3)

在穩定工作條件下，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)

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

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，對于本機械密封機械密封ps為：ps=p2-p1。

B為載荷系數(也稱平衡系數)，對于本機械密封機械密封B為：

(7)

式中Di為接觸面內徑，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為介質反壓系數，λ是一個在0和1.0之間的數字，代表被密封的液體在通過密封端面時的壓降。

3.5 端面比壓pc

接觸式機械密封在正常工作時密封端面大多數是處在混合摩擦狀態下，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之后，還需考慮密封端面的接觸比壓pc，在穩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 終聚釜機械密封故障分析

4.1 終聚釜機械密封端面比壓計算

臥式終聚反應器攪拌軸密封采用背靠背式、攪拌器專用雙端面機械密封，雙端面機械密封為非平衡式機械密封，終聚釜機械密封結構示意圖見圖4。這種結構的機械密封必須使用隔離液(EG)進行運轉，隔離液壓力不得低于被密封介質壓力；當介質壓力超過隔離液壓力時，介質側密封有打開的風險。機械密封使用外置循環裝置強制循環隔離液，沖洗方案為PLAN54。

圖4 終聚釜機械密封結構示意圖

對機械密封受力進行校驗，已知條件見表1，計算結果見表2。

表1 終聚釜機械密封參數

表2 計算結果

4.2 故障原因分析

通過計算可知，終聚釜用機械密封為非平衡式機械密封(B≥1)，對非平衡型機械密封而言，密封流體壓力是施加于補償環(動環)背部的主要閉合力，機械密封端面所受的合力受介質壓力的影響較大，密封端面所受的合力隨介質壓力升高而快速升高。

從密封的機理上分析，機械密封端面間流體膜的相態變化，往往是造成機械密封工作不穩定的一個很重要原因。機械密封摩擦副端面的流體膜相態隨著溫度、端面比壓變化。當隔離液壓力降低時，會導致端面比壓pc降低，pc接近甚至低于運行溫度下的飽和蒸汽壓力，機械密封將處于不穩定的狀態，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，大量沖洗液進入密封端面，使密封端面得到冷卻、溫度降低，密封端面間建立液膜同時補償環在彈簧力作用下向非補償環方向移動，補償環恢復原位保持與非補償環貼合，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，產生間歇性振蕩，并伴有敲擊聲[3]。

當介質在軸上積垢或密封圈損傷導致表面較粗糙時，會導致摩擦阻力Ffr增大，當補償環在彈簧力作用下向非補償環移動時，此時輔助密封圈摩擦阻力Ffr方向與閉合力Fc方向相反，摩擦阻力為負值，摩擦阻力Ffr減小補償環所受閉合力Fc，當密封端面閉合力Fc小于開啟力Fo時，密封端面無法回復原來位置且保持楔形開啟狀態，導致端面密封副泄漏量Q增大，造成密封失效。對于接觸式機械密封，應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、介質在軸上積垢和彈簧力Fsp過小是導致機械密封間歇性振蕩和內漏的原因。當彈簧力不足以克服補償環輔助密封圈與相關組件表面間的摩阻力時，補償環失去追隨性，導致密封端面維持開啟狀態。

5 改進措施

通過對機械密封失效分析，實施以下改進措施：

5.1 終聚釜機械密封配置密封油站

對于接觸式濕式密封，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品溫度裕量不小于20 ℃[4]。

通過對機械密封沖洗冷卻系統實施密封油站技術改造[1]，確保隔離液壓力、流量穩定及介質的清潔。避免沖洗系統的顆粒進入機械密封造成損壞，又避免因電網波動或斷電造成導致沖洗中斷造成機封泄漏。正常運行時，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。在機械密封運轉過程中密封腔的壓力較低時，或在機械密封運行過程中出現較大的壓力波動時，彈簧比壓就成為端面比壓的主要組成部分。同時，彈簧比壓psp仍能保持動環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，密封端面處于不穩定狀態，隨動困難發生泄漏。介質壓力小或介質波動較大者，彈簧比壓對端面比壓的影響較大，psp取較大值；反之，取小值。本機械密封彈簧比壓psp取值為0.20～0.25 MPa。

為保證機械密封運行期間密封端面比壓穩定，通過增加彈簧數量、改變彈簧材質(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 改進軸向密封

原攪拌軸軸向密封采用浮環結構，因攪拌軸轉速過低，浮環無法浮起與攪拌軸直接接觸，導致攪拌軸磨損，磨痕深度0.5 mm，浮環與攪拌軸之間的間隙增大，浮環密封失效。EG蒸汽夾帶部分聚合物進入密封腔，并在機械密封軸套上聚集、碳化、結焦，阻礙補償環的軸向滑動，使動環失去軸向補償功能，導致機械密封泄漏量過大失效。

在原浮環外側增加一圈軟填料密封，如圖5所示，盡可能減少進入密封腔的聚合物。

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

5.4 補償環O型圈改進

補償環輔助密封圈與軸套之間摩擦阻力過大導致閉合力減小，是導致端面比壓不足的主要因素。O形圈與軸、軸套或密封環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在密封中的壓縮量。

O形圈的材料與被密封介質相容，橡膠O形圈不發生溶脹；嚴控O形圈尺寸公差精確，防止壓縮量過大或過小；O形圈的耐溫性與強度要適合，防止老化與變形。

采取在軸套安裝密封圈的地方噴涂硬質合金或陶瓷硬化層的措施，增強軸套的硬度。

5.5 穩定工藝操作

控制釜內液位在規定范圍內，避免釜內料位高過密封腔導致聚合物進入機械密封，聚集在軸上并碳化結焦，致使補償環因阻力增大而失去追隨性，導致機械密封泄漏增大、失效。

控制釜內壓力，防止機械密封端面比壓因釜內壓力大幅升高而降低，導致機械密封泄漏增大失效。

5.6 嚴格遵守檢修規程

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；在補償環輔助密封圈與軸和軸套表面涂抹潤滑劑避免干摩擦；防止因動環密封圈壓縮量過大而增大動環軸向移動阻力；防止因靜環密封圈壓縮量過大而引起靜環密封過度變形，甚至導致靜環斷裂。必須保證密封端面與旋轉軸垂直，否則密封端面會產生楔形間隙，密封環直徑越大，差值也越大。

6 實施效果與結論

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

通過采取以上相應改進措施，我公司6臺終聚釜用機械密封已經穩定可靠運行一個檢修周期(4年)，不僅節約了大量的檢修費用，更保證了裝置運行的穩定性、安全性和可靠性。