聚丙烯裝置軸流泵機械密封國產化

楊 成

（中國石油大慶煉化公司，黑龍江大慶 163400）

0 引言

某煉化公司30 萬噸/年聚丙烯裝置采用巴塞爾公司的Spherizone 專利技術，該技術是目前國際上的先進聚合反應工藝，替代原用的間歇式反應釜工藝實現了聚合反應的連續運行。預聚合反應器小環軸流泵是該裝置的關鍵設備，而軸流泵的穩定運行取決于關鍵零部件機械密封的可靠性，同時由于原裝進口機封采用分體式設計，配件價格昂貴，不利于日后維修工作。根據小環軸流泵介質、沖洗及泵的特點，通過對設備和工藝的細致了解和分析，采用先進的理論計算軟件進行計算，對小環軸流機封進行結構優化、材料優化、技術升級，將原分體式機封改造為三端面集裝式機械密封，從而保證軸流泵關鍵設備的長周期穩定運行。

1 機械密封結構與沖洗方案介紹

國產后的機封采用三端面集裝結構，密封方案為PLAN 32+PLAN 53C+PLAN 52，一、二級密封強采用帶壓的PLAN 53C 方案，兩套密封背對背布置，在雙端面之間的密封腔引入封液進行堵封、潤滑和冷卻。封液選用潔凈和潤滑性好的介質，封液壓力高于介質壓力0.2～0.3 MPa。保證密封運行過程中始終保持封液壓力高于介質壓力。

為了保證一、二級高壓密封的可靠性，增加了三級PLAN 52方案的端面密封。三級密封為保護密封，在低壓下運行一級密封失效后，短時間內可起到主密封作用。

為了阻止介質中聚合物顆粒對密封的阻塞，在介質側增加了節流套組件，并通入PLAN 32 方案外引沖洗液。外引沖洗應連續、可靠的，與小間隙節流組件配合使用，使密封腔維護一定的壓力，同時將沖洗介質和泵送流程隔離。

由于旋轉軸較長，為保證軸的旋轉精度，在密封內部增加了能承受軸向力和徑向力的軸承，確保密封的穩定運行，同時也保證軸的安裝精度。這樣的結構也取消了外部軸承座，節省了安裝空間。

PLAN 32+PLAN 53C+PLAN 52 的沖洗方案確保密封在一個良好的維護環境中運行，同時也提供了自動監控系統，解決非集裝密封現場安裝精度和安全性，節省安裝密封更換時間，降低維修費用，保證密封安全的運行。

2 機械密封泄漏基本原理

前置密封為PLAN 32 沖洗方案，即用干凈的液相丙烯沖入前端密封腔，丙烯液壓力高于反應器內介質壓力，在前端節流套的作用下，阻止環管內的顆粒聚丙烯進入到一級密封的端面和浮動圈部位，保證一級密封處在一個干凈的封液環境中，避免失效。

一、二級密封之間采用PLAN 53C 密封沖洗方案，一級密封靠近介質側、二級密封靠近PLAN 52 方案側，PLAN 53C 方案主要由一臺增壓活塞和一臺主密封油罐組成，其中增壓活塞上部的介質為高壓油、下部為PLAN 32 液相丙烯，當一、二級密封完好時，增壓活塞內部壓力處于平衡狀態，增壓活塞標尺穩定平衡。通過計算公式F密封油=F沖洗介質，可推出P53C×S活塞上=P沖洗×S活塞下，其中P 為壓強、F 為壓力、S 為受壓面積。

由于活塞上部有活塞桿，故S活塞下＞S活塞上，所以P53C＞P沖洗同時P53C＞P52。這說明無論一級機械密封還是二級機械密封泄漏，都會使密封油向低壓側泄漏，危險介質不會向外泄漏。當一級密封泄漏時，增壓活塞中的液壓油會進入介質側，增壓活塞標尺上移，觸發低報報警。當二級密封泄漏時增壓活塞中的液壓油會進入PLAN 52 沖洗方案中，PLAN 52 方案中安全密封罐觸發液位高報報警，由于丙烯汽化會造成安全密封罐壓力升高，同時增壓活塞標尺上移，觸發低報報警。由于PLAN 52 方案中密封腔壓力大于大氣壓力，如果三級密封泄漏，將會向外泄漏，安全密封罐觸發液位低報報警（圖1）。

圖1 三級密封泄漏

3 三端面集裝結構機械密封泄漏點介紹

3.1 一級密封泄漏點

一級密封關鍵泄漏點共有6 處，其中動密封泄漏點有2處，分別是動靜環端面、動環密封圈；靜密封泄漏點4 處，分別是靜環密封圈、靜環座密封圈、密封腔體外側與泵腔接觸密封圈、密封壓蓋與泵腔連接端面密封圈。前5 處泄漏點發生泄漏時現象相同，高壓密封油會向內泄漏至丙烯介質，導致增壓活塞標尺上移，觸發液位低報報警。后1 處泄漏點發生泄漏時會出現高壓密封油會沿著密封壓蓋與泵腔連接面泄漏至環境中，在現場可以觀察到泄漏現象，同樣會導致增壓活塞標尺上移、觸發液位低報報警。

3.2 二級密封泄漏點

二級密封關鍵泄漏點有4 處，其中動密封泄漏點有2 處，分別是動靜環端面、動環密封圈；靜密封泄漏點有2 處，分別是靜環密封圈、壓蓋與壓蓋之間密封圈。前3 處泄漏點發生泄漏時現象相同，高壓密封油會向外側泄漏到三級安全密封里面，PLAN 52方案中安全密封罐觸發液位高報報警，由于丙烯汽化會造成安全密封罐壓力升高，同時增壓活塞標尺上移，觸發低報報警。后1 處泄漏點發生泄漏時高壓密封油會沿著壓蓋與壓蓋之間的縫隙泄漏至環境中，在現場可以觀察到泄漏現象，導致增壓活塞標尺上移，觸發液位低報報警。

3.3 三級密封泄漏點

三級密封關鍵泄漏點有4 處，其中動密封泄漏點有2 處，分別是動靜環端面和動環密封圈。靜密封泄漏點有2 處，分別是靜環密封圈、壓蓋與壓蓋之間密封圈。前3 處泄漏點發生泄漏時現象相同，密封腔里面的潤滑油從軸套和壓蓋之間泄漏到環境中，PLAN 52 沖洗方案中安全密封罐液位下降，觸發液位低報報警，后1 處泄漏點發生泄漏時密封腔里面的密封油會沿著壓蓋與壓蓋之間縫隙泄漏至環境中，現場可以觀察到泄漏現象，同時PLAN 52 沖洗方案中安全密封罐液位下降，觸發液位低報報警。

3.4 其他密封泄漏點

其他密封關鍵泄漏點有2 處位于軸套處，分別是軸套內靠近介質側密封圈和靠近大氣側密封圈。介質內側密封圈發生失效泄漏時，內部丙烯介質會沿軸套和軸之間縫隙向外泄漏、進入三級密封腔，導致PLAN 52 方案中安全密封罐壓力升高，液位觸發高報報警。如果大氣側軸套密封圈失效，三級密封腔內密封液會沿軸套和軸之間縫隙泄漏至環境中，安全密封罐液位下降，最終觸發液位低報報警。

4 國產化機械密封失效原因及改進

4.1 軸套介質側密封圈失效原因及改進

（1）密封圈失效現象。設備運行過程中發現，PLAN 52 沖洗方案中的安全密封罐壓力有持續上升趨勢，液位監測也出現了直線變成鋸齒型液位波動。現場檢查PLAN 53C 增壓活塞，沒有波動且封油壓力沒有變化，判斷PLAN 53C 密封不存在失效問題。介質沒有通過端面密封泄漏至PLAN 52 抑制密封，現場關閉PLAN 52 沖洗系統的排火炬閥門，安全密封罐壓力顯示有持續上升趨勢，壓力從20 kPa 開始，10 min 后上升至30 kPa。經過結合現場和圖紙分析，懷疑介質側軸套密封圈存在問題。通過裝置窗口檢修查找機封泄漏原因，密封解體后發現，軸套介質側密封圈出現脫層、斷裂、融解、飛邊等現象。

（2）失效原因分析。由于軸套介質側密封圈存在缺陷，導致該密封圈失效，造成PLAN 32 方案中外沖洗液相丙烯沿軸套和軸之間縫隙進入到PLAN 52 抑制密封中來，由于部分液相丙烯會在安全密封罐中汽化，從而導致安全密封罐壓力持續升高，密封罐液位上升且波動。經現場測繪，軸徑實際值為Φ34.925 mm，軸套內孔尺寸按照前期進口圖紙Φ35mm 的軸徑進行設計，裝密封圈處軸套尺寸為Φ35.5 mm。軸套內孔與軸的間隙過大，在3.2 MPa 的外引沖洗壓力下密封圈被擠到軸與軸套的間隙內、引起損壞泄漏。

（3）改進措施：①重做軸套，將軸套內孔尺寸改為Φ34.925 mm；②將原密封圈由1 根Φ1.78 mm 線徑的密封圈改為2 根Φ2.62 mm線徑的密封圈，增加密封的可靠性；③軸套密封圈材料升級，由于PLAN 32 沖洗存在低溫情況，接觸介質側密封圈還是使用FKM，軸套第二根密封圈由原來的氟橡膠升級為FFKM5，改造后軸套密封圈再未出現失效情況。

4.2 三級密封環失效原因及改進

（1）密封環失效現象。在運行一段時間，出現PLAN 52 方案外側安全密封白油泄漏到環境中的情況，同時安全密封罐液位觸發低報報警。利用窗口檢修時對密封進行拆解，發現密封整體外觀干凈，一、二級密封正常，無明顯損壞的痕跡，三級密封端面出現明顯皰疤情況，其他未見異常。

（2）密封失效原因分析。大氣側安全密封出現滴漏，拆解實物后發現，密封大氣側石墨環端面皰疤嚴重。檢測分析石墨環材料為含有熱固樹脂的碳密封石墨材料，在運轉過程中密封面局部發熱，造成材料中的樹脂溢出。在機械密封運轉過程中，動靜密封環緊密貼合旋轉并互相摩擦，產生的熱量使接觸面局部溫度上升，當溫度超過碳石墨環中樹脂的固化溫度時，樹脂會軟化并從石墨環摩擦面溢出，同時產生揮發性氣體，破壞原有的密封狀態形成皰疤、導致密封泄漏失效。

（3）改進措施，將原石墨環改成SiC 環。SiC 材料硬度高、強度大、散熱較好，在高壓作用下變形小，在解決石墨環材料皰疤問題的同時，能更好地保證密封端面的貼合性及密封端面液膜的穩定性，有效避免顆粒物進入端面、造成端面磨損。

5 結論

聚丙烯裝置小環軸流泵機封國產化過程中，存在設計不合理、測繪錯誤、材料選擇不恰當等不利因素，對于首次使用國產化機封的裝置存在一定安全隱患。國產化后的三端面集裝式機械密封通過設計優化、材料升級，可以滿足現場運行要求，有效提高日常機械密封的更換效率，同時具有可觀的經濟效益。