某FKM 裝置反應釜機械密封的失效分析與改進

夏汝焱 周志鵬

（浙江巨化股份有限公司氟聚廠）

反應器用機械密封結構一般是集裝式結構，安裝在釜口位置，主要通過密封環軸向互相接觸及其輔助部件的共同作用實現機械密封［1］。 機械密封涉及密封元件及其輔助部件的連接和共同作用，故不合適的設計、制造和安裝工藝，極易造成機械密封失效［2，3］。 目前，針對該類機械密封泄漏失效的分析和技術改進報道屢見不鮮［4，5］。

某公司FKM 裝置的反應釜在反應過程中，氣相高分子聚合物進入機械密封并積聚，造成機封動靜環密封面被強行打開， 導致機械密封泄漏，直接影響到FKM 裝置的正常穩定生產。 通過拆檢和失效分析， 對反應釜機械密封進行改進，具有十分重要的實際意義。

1 設備概況和運行情況

1.1 反應釜概況

反應釜（圖1）主要由電機、減速機、機架、機械密封、攪拌軸系統及釜體等組成。 生產過程中，由偏氟乙烯和六氟丙烯組成的混合氣體經過加壓后送入反應釜，發生聚合反應，生成高分子聚合物，其中絕大部分都進入液相空間，而有極少數氣相高分子聚合物順著軸進入機械密封機構積聚。

1.2 機械密封運行情況

機械密封用密封液為常溫， 液位約85%，氮封壓力約1.0 MPa，密封罐自帶盤管冷卻，如圖2所示。 該反應釜機械密封是非集裝式結構，主要由動環、靜環、彈簧、O 形圈、傳動件及緊固件等組成，由于該機械密封沒有軸套，彈簧座和動環均固定在攪拌軸上。 由圖2 可以看出，該機械密封屬于非集裝式+無軸套設計， 且整體焊接在大蓋法蘭上，給檢修和安裝帶來了極大不便。

圖2 機械密封示意圖

機械密封安裝后，依靠彈簧的彈力，可以克服動環輔助密封圈與軸之間的摩擦阻力，使動環端面緊緊地貼在靜環的端面上。 此時，有初始閉合力存在。 當主機開始工作時，密封腔充滿了壓力流體，從而產生更強有力的軸向推力，使密封端面貼合更緊密。 由于端面的平面度高、表面粗糙度小，在壓力流體的作用下，相對滑動的端面間出現了邊界摩擦或半液體摩擦狀態，足以防止壓力流體的明顯泄漏，實現了動密封。 此時，由動環O 形圈、 靜環O 形圈和端蓋O 形圈構成的輔助密封無明顯相對運動，實現了靜密封。

該反應釜平均運行一個月左右，便因物料積聚、介質端動靜環密封面被打開而導致機械密封泄漏、失效。

2 故障原因分析

從機械密封拆檢的情況來看，氣相高分子聚合物進入機械密封（圖3），會在動環的彈簧上積聚造成彈簧失效，最終上下兩個端面密封被強行打開，導致機械密封泄漏，且磨損攪拌軸。

圖3 聚合物進入機械密封的實物圖

通過分析使用工況、檢修及安裝過程，確定失效原因如下：

a. 機械密封采用雙端面非集裝式的無軸套設計，動環和彈簧座直接固定在攪拌軸上，且動環安裝無定位銷，彈簧壓縮量無法固定；檢修工作量繁重、效率極低。 機械密封相關連接件設計不合理，機械密封殼體底面整體焊接在大蓋法蘭上，動環和彈簧座直接固定在攪拌軸上，導致大蓋、機械密封、攪拌軸三大件必須整體吊裝，不僅降低了檢修效率，還極大地影響了機械密封的使用壽命。

b. 整個軸系僅減速機和機械密封兩個點裝配了軸承，傳動系統在反應釜機架處無軸承支承，缺少支撐點；反應釜攪拌軸伸入釜內，攪拌軸比較長，攪拌尺寸大，造成密封處攪拌軸偏擺較大，徑向不穩定，影響機械密封的使用壽命。

c. 由于攪拌軸整體加工成型，且攪拌軸與軸套采用過渡配合，間隙很小。 吊裝平行軸斜齒輪減速機時，易發生碰撞，對機械密封影響大，給檢修質量帶來了很大的不確定性。

3 改進措施與效果

3.1 機械密封結構改進

3.1.1 非集裝式改集裝式

原機封（圖2）采用雙端面非集裝式的無軸套設計， 除了本身設計缺陷影響機封檢修質量外，其彈簧座直接固定在攪拌軸上，一旦有異物進入機封動、靜環密封腔內，極易發生機械故障導致彈簧座磨損［6］，甚至損傷攪拌軸。 相比更換彈簧座， 攪拌軸損傷的修復將耗費更多的工時和財力，因此，將該機械密封改為雙端面集裝式機械密封，如圖4 所示。

圖4 雙端面集裝式機械密封示意圖

根據密封壓力和彈簧比壓確定彈簧壓縮量，改進后的機械密封增加了動環定位銷，這將會大幅降低檢修工作量，并提高檢修效率。 新增的軸套可以防止攪拌軸被磨損，延長攪拌軸的使用壽命。

3.1.2 增加四氟迷宮密封+兩道V 形圈

由于物料的介質特性，反應釜內發生聚合反應時，會有少量物料沿介質端靜環座與軸套間的空隙進入動、靜環密封腔體內，進而造成彈簧失效，打開并破壞密封面，影響機封使用壽命。 為此， 在介質端靜環座下方增加四氟迷宮密封+兩道V 形圈［6］，如圖5 所示。

圖5 四氟迷宮密封+兩道V 形圈安裝示意圖

在自由狀態下，V 形圈的唇部外徑大于填料腔的內徑，唇部內徑小于軸套的外徑，裝配后便有一定的變形。 在支撐環的作用下，這種變形只發生在唇的尖端， 并在其接觸部位產生壓力，即使不施加壓緊力，唇口也能封住一定的內壓。 因為唇有自密封作用［7］，當介質工作壓力升高時，唇尖改變接觸形狀和加大接觸應力，唇部與被密封面貼合的更緊密，實現可靠密封。 當介質工作壓力很高時，可將幾個V 形圈組合使用，通過向V形圈施加壓緊力，幾個V 形圈就會組合成一個整體，壓緊力可根據介質壓力調節。 泄漏介質即使通過了第1 道V 形圈，壓力也會大為降低，通過第2 道V 形圈的唇部后，壓力會再次降低，如此下去，內壓將損失殆盡，最后泄漏被阻止。 可見，多個V 形圈的密封機理是唇的自密封作用和填料的密封作用聯合的結果。

V 形圈的唇口朝向釜內， 當反應釜內升壓時，唇口受壓后能夠更加貼緊軸套和填料腔室的內壁， 阻礙物料通過此處進入動靜環密封腔室；由于V 形圈唇口與軸套之間屬于動密封，摩擦熱較大，普通四氟材料若不能及時散熱，不僅會磨損軸套， 還會讓V 形圈發生無法逆轉的熱力變形。 因此，針對此接觸面，在軸套上噴涂硬質合金，提高軸套硬度，增加耐磨性，并在制作V 形圈的四氟材料中摻入玻璃纖維，既提升V 形圈的耐磨性，又降低摩擦副發熱［6］，從而有效延長V 形圈和機封的使用壽命。

3.1.3 改進機械密封底部與大蓋法蘭連接面

原機械密封底部與大蓋法蘭直接焊接在一起， 給機械密封的拆裝和試壓帶來了極大的不便。 改進后的機械密封屬于集裝式機械密封，本身就是一個獨立的整體，殼體底面和大蓋法蘭被徹底分開，可進行獨立安裝，其檢修、安裝、試壓均比較方便，如圖4 所示。

3.1.4 兩道V 形圈密封性能有限元分析

為進一步檢驗密封圈的密封性能，提取V 形圈所在局部（兩道V 形圈、四氟迷宮密封、壓緊蓋、 軸套和軸）， 利用ANSYS Workbench 模擬軟件，采用Mechanical 模塊及軸對稱有限元單元類型，進行密封性能分析，簡化模型及有限單元網格如圖6 所示。

圖6 簡化模型及有限單元網格

V 形圈和四氟迷宮密封環采用摻入玻璃纖維的四氟乙烯， 壓蓋和軸套采用304 不銹鋼，軸套與V 形圈接觸部位噴涂硬質合金。考慮到V 形圈所受載荷條件，對壓蓋、四氟迷宮密封環底部及軸的一端作固定約束。V 形圈在V 槽內部受到5 個內壓工況， 分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 MPa。接觸面采用摩擦接觸，四氟材料與軸套之間的摩擦系數取0.04。 等效應力云圖如圖7 所示。

圖7 等效應力云圖

由圖7 可知，1.0 MPa壓力下的最大等效應力為10.5 MPa。兩個V 形圈貼合位置的等效應力較大；V 形圈與軸套之間最大接觸應力分布在兩個V 形圈中間部位，且最大接觸應力為2.5 MPa，大于密封介質壓力1.0 MPa， 說明該密封結構可以實現密封，如圖8 所示。此外，沿兩道V 形密封圈與軸套接觸的路徑上，除兩V 形圈接觸位置處及第2 道V 形圈與迷宮環接觸位置處的接觸應力較大外， 兩道V 形圈接觸應力整體呈遞減趨勢，如圖9 所示。

圖8 接觸應力云圖

圖9 1.0 MPa 工況下兩道V 形密封圈不同位置接觸應力對比

3.2 無支點機架改單支點機架

原機架屬于無支點機架，僅減速機輸出軸側有一個支點，改進后的機架，增加了軸承［5］作為支點，如圖10 所示。

改進后的機架結構既可以提高整個軸系的結構強度， 又可以提高軸承和機封的使用壽命，其具體位置對軸承間隙、攪拌軸擺動量影響的關系式為［6］：

由圖11 中攪拌軸擺動量x 與軸承間隙a 的幾何關系［6］可以看出，要使反應釜內的攪拌軸擺動量x 減小，軸承A 和B 間的距離不能太小。

圖11 反應釜內攪拌軸的擺動量x 與軸承間隙a 的關系

由圖11 可知，如果AB∶BC=1∶3，那么假設軸承間隙a=0.05 mm 的情況下， 反應釜內攪拌軸的擺動量x=0.35 mm； 如果比值增大到AB∶BC=3∶1，則反應釜內攪拌軸的擺動量x=0.084 mm。 軸承間距增大，能夠減少軸承受力，進而減小軸承在徑向和軸向的跳動對機械密封的不良影響，同時延長軸承的使用壽命。 但是，當AB∶BC＞3∶1 后，x/a的值無限接近1，降低x的效果已經極其有限。 由此可見，AB∶BC的取值范圍在（1/3，3）之間時，有利于提升攪拌軸的穩定性， 而在機架上增加軸承，不僅提高了整個軸系的結構強度，減小了反應釜內攪拌軸的擺動量，還延長了機封和軸承的使用壽命。

3.3 增加聯軸器

改進前，攪拌軸整體加工成型，給后續檢修拆裝帶來極大的不便， 嚴重制約檢修的質量和效率。 因此，對輸出軸增加聯軸器，如圖12 所示。

圖12 改進后的輸出軸結構示意圖

對比圖1，原攪拌軸無聯軸器，拆裝過程復雜，尤其是安裝時，由于電機和減速機的重心不在中心軸上， 與攪拌軸的觸碰都可能影響到機械密封動靜環密封面，造成機械密封泄漏。 改進后， 輸出軸增加聯軸器， 將輸出軸和攪拌軸分開， 不僅可以徹底隔絕安裝過程任何碰撞對機封的影響，還能有效降低檢修工作量，提高檢修效率。

4 結束語

通過對原機械密封泄漏失效原因分析，給出了機械密封改進方法；并通過有限元接觸應力分析，表明該改進方法可行。 經過裝置的實際運行，證明該反應釜機械密封的使用壽命可由一個月提升至一年以上，平均檢修時間減少約60%。 該機械密封改進方法，可為同類裝置的連續安全運行奠定穩定基礎，對類似工況下機械密封結構的改進具有一定的借鑒意義。