烷基化反應釜機械密封國產化改造

馬宇鵬

（大慶石化公司設備維修中心，黑龍江大慶 163711）

0 引言

某煉油廠22 萬噸/年烷基化裝置為蘭州寰球工程有限公司采用自主研發的硫酸法碳四烷基化工藝技術，以醚后碳四為原料，經過原料預處理、烷基化反應、閃蒸及壓縮制冷、反應產物精制、反應產物分餾等工序，最終生產出烷基化油。其中反應釜（R-2201A/B/C）是裝置的核心設備，為臥式結構，工作介質為98%濃硫酸與碳四混合物，內置U 形管換熱器，帶有推進式攪拌器用于物料混合循環，在攪拌器軸釜口位置采用美國福斯進口機械密封，沖洗方案為API32+54。自2018 年開工以來，機械密封運行一直存在泄漏超標的問題，為實現設備的長周期運行，有必要對其進行技術改造。

1 設備簡介

1.1 反應釜參數

反應釜參數為工作壓力0.5 MPa，工作溫度7 ℃，攪拌器額定轉速594 r/min，工作介質為98%濃硫酸與碳四混合物、烷基化油，密封油介質（Plan54）為32#工業白油，沖洗液介質（Plan32）為液態異丁烷。

反應釜共3 臺，正常運行兩開一備。運行期間經常發現機械密封油箱液位異常下降，機械密封軸端持續外漏現象。密封裝配圖及現場機械密封解體情況如圖1、圖2 所示。

圖1 反應釜密封結構

圖2 現場故障密封拆解情況

1.2 設備運行及拆解情況

（1）反應釜機械密封泄漏前工藝壓力、沖洗液壓力平穩，生產平穩正常。

（2）每周聯合周檢對反應釜軸承進行監測，近1 個月最高振值3.8 mm/s，振動未超標。

（3）在更換反應釜密封油站過濾器時發現密封油顏色偏深，可能存在內漏、潤滑油污染問題。采集潤滑油樣進行分析，未發現機械雜質，并對反應釜密封油站進行在線置換操作。

（4）反應釜機械密封內置球面滾子軸承，安裝于反應釜內且距離夾殼聯軸器過近，無有效手段對內置軸承運行情況進行監測。

（5）反應釜工藝操作平穩，密封油站壓力、溫度正常，液位無異常下降，密封油泵工作正常。

（6）烷基化裝置2018 年12 月開工投產，啟用反應釜R-2201A/B，2019 年4 月由于工藝需求啟用R-2201C，期間由于反應釜管束檢修R-2201C 切除，R-2201C 實際累積運行時間390 d（9360 h），未達到機械密封理論使用壽命。

（7）反應釜R-2201C 密封油為昆侖牌32#工業白油，經檢驗合格入廠使用，加注過程采取三級過濾，化驗分析合格，密封油質正常，密封油站運行過程泵入口過濾器、油泵出口過濾器（25 μm 精度）、密封油回油箱過濾器（25 μm 精度）正常投用。

（8）密封油壓力遠傳指示無異常波動，最高0.91 MPa，最低0.86 MPa（受環境溫度影響，正常0.8～0.95 MPa），密封油壓力正常。

（9）密封油溫度泄漏前穩定43～53 ℃，依據廠家指導意見，密封油適用溫度應在40～60 ℃，不存在密封油溫大幅波動，密封油溫度正常。

（10）機械密封解體后，未發現大量酸泥物質，機械密封內側整體比較干凈，動環壓緊彈簧浮動性較好，一級動環輕微磨損，一級靜環輕微磨損，磨損痕跡有偏心現象；外側壓蓋內側磨損，軸承座內腔有拉傷痕跡，二級動環崩邊嚴重；軸套外圓與軸承內圈接觸處嚴重偏磨。

2 原因分析

2.1 機械密封設計操作條件

反應釜機械密封的設計操作壓力為0.7～0.8 MPa，密封油壓力為0.75 MPa，反應器內壓力為0.4～0.5 MPa，設計最高操作溫度為70 ℃。另外該機械密封的設計工況為98%硫酸、C4、反應產物，與實際的溫度、壓力、密度動相符，不存在超設計指標運行情況。調取了反應器機械密封發生泄漏前的反應器操作壓力，基本穩定在0.45 MPa，在正常指標范圍內，并無超壓操作，且遠小于機械密封二次密封油壓0.75 MPa，因此排除了操作參數因素導致的機械密封泄漏。

2.2 機械密封材料

反應釜機械密封內的過流部件材料為Alloy 20，密封圈材料為耐酸氟橡膠，其他部位材料為316 不銹鋼，材料均滿足介質要求，因此排除該因素導致的機械密封泄漏。

2.3 機械密封制造質量

查閱反應器機械密封產品質量證明書，對其制造過程的質量文件進行檢查，沒有發現問題，因此排除質量因素導致的機械密封泄漏。

2.4 反應釜制造質量

查閱反應釜產品質量證明書，對其制造過程的質量文件進行檢查，沒有發現問題，因此排除該因素導致的機械密封泄漏。

2.5 機械密封安裝后主軸對中

烷基化反應釜攪拌系統由多段軸連接，具體結構如圖3 所示。

圖3 攪拌系統布置

2.5.1 振動分析及安裝精度

烷基化反應釜攪拌系統結構的正常狀態，應為所有旋轉部位對中同心，如圖4 所示。

圖4 反應釜各段正常位置

如裝配過程中夾殼聯軸器或反應釜軸承箱裝配過程出現偏差，則可能出現圖5 或圖6 的情況。

圖5 反應釜各段異常位置1

圖6 反應釜各段異常位置2

2.5.2 反應釜軸承

反應釜機械密封軸承選用球面滾子軸承（圖7）。該軸承具有一定自調心能力，可適應以該軸承為軸心的不平衡工況（主軸撓曲）。若由于裝配問題導致攪拌器主軸處于圖5 或圖6 的運行狀態，因為主軸長度短，不具備抗撓曲能力，所以此時軸承無法平衡該工況下的不對中，使機械密封內軸承發生磨損，進而引起機械密封損壞泄漏。

圖7 反應釜球面滾子軸承

根據密封的拆解過程發現機械密封軸承處軸套磨損最大處超2 mm，故主要分析方向為軸承運行異常導致機械密封失效。反應釜R-2201C 機械密封內軸承內圈及軸套磨損，力矩傳遞方向為主軸→軸套→軸承內圈。如果是裝配不到位、配合間隙過大等原因造成的軸承內圈跑位，則軸套磨損應呈現均勻周向磨損，實際解體情況磨損集中在軸套一側及軸承內圈，基本排除集裝機械密封裝配不到位及制造缺陷。而在機械密封拆解后發現軸套的磨損分界界限明顯，下半部分磨損嚴重、上半部分磨損較輕，而此現象只有在機械密封軸承呈圓錐擺軌跡運動，軸套外側與軸承內圈交變載荷下產生相對滑動，才會引起上、下部分磨損程度不一致，因此判斷主軸安裝同心度差為反應釜機械密封泄漏的直接原因。

綜上所述，可以判斷故障原因是由于剛性夾殼式聯軸器或軸承箱裝配問題導致主軸不對中，攪拌器軸承側呈現圓錐擺軌跡運動，軸套外側與軸承內圈交變載荷下產生相對滑動拉傷，軸套與軸承內圈磨損產生間隙。一、二級密封靜環均采用固裝式結構，抗偏擺性能很差，不規則運動導致機械密封工況惡劣，一級密封承受壓差較小，密封環可能出現貼合性能較差出現微漏情況，造成密封油污染腐蝕軸承問題，密封運轉精度繼續惡化，一級密封動靜環尚未崩邊碎裂；二級密封承受壓差相對較大，動環出現崩邊碎裂外漏，崩邊雜質導致軸套等磨損。一級靜環摩擦痕跡存在偏心，也可以印證密封安裝精度不佳，運行工況惡劣。

3 改造方案設計

根據密封故障的原因，設計改造方案將一級密封外流型優化為內流型，密封性能更佳，靜環優化為浮裝結構，比原裝密封抗偏擺能力更強。軸承與軸套過盈配合，盡量避免軸承精度問題的影響。對P32 隔離沖洗流道改進、P54 密封油流道進行改進，增強了密封冷卻潤滑性能。限制軸承外圈位移量（1 mm），避免安裝精度等問題造成的脹緊套松動，從而導致軸套竄動，影響密封運轉精度，改進后的密封結構如圖8 所示。

圖8 改進的密封結構

4 相關使用問題

設備密封安裝時，應盡量保證機械密封軸、支架主支撐軸、電機軸的同心度，還應注意空載下的同心度和進料運行狀態下可能存在的偏差，如因進料后設備沉降影響設備同心度變化較大，應及時進行調整，恢復正常后再開車。

密封系統的正常運行是密封長周期運行的關鍵，運轉過程應盡量避免P54 油站異常斷電失壓。但由于油站沒有停電保護功能，容易出現反壓內漏，污染密封油需要在后續工作中進行改進。P32 隔離沖洗同樣重要，沖洗液必須相對潔凈，不可中斷失壓，應采取增加過濾器、單向閥等措施，防止管線發生堵塞、中斷、污染等問題，從而保證一級密封的良好運行工況。

5 結束語

國產化的機械密封在2020 年投入運行以來，已運行超過了1 年，運行平穩可靠，有效解決了泄漏超標的問題。進口機械密封每套價格約28 萬元，而國產機械密封的價格約10 萬元，不但解決了設備故障問題，還能起到提質增效的作用。