聚丙烯裝置A301機(jī)械密封的改造

密封裝置是機(jī)器和設(shè)備的重要組成部分，密封的性能對(duì)機(jī)器的工作效率和可靠性有很大影響。中原乙烯聚丙烯裝置是引進(jìn)MONTAIL環(huán)管法生產(chǎn)技術(shù)，A301是位于丙烯閃蒸罐頂部的動(dòng)力分離器，其作用是脫除閃蒸后丙烯氣中夾帶的聚丙烯粉末，它是聚丙烯工藝流程中的關(guān)鍵設(shè)備之一，該設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，將造成整個(gè)裝置停車。中原A301是意大利ZUCCHETTI公司出產(chǎn)的，1996年投入使用，前6個(gè)月運(yùn)行一直不好，經(jīng)常因?yàn)闄C(jī)封泄漏而停車檢修，嚴(yán)重威脅著裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。我們通過對(duì)該設(shè)備進(jìn)行進(jìn)行系統(tǒng)地分析和核算，找出了故障的主要原因，使問題得到解決，現(xiàn)介紹如下。

1　密封系統(tǒng)簡(jiǎn)介

A301密封采用雙端面機(jī)械密封，用白油作為封液。機(jī)械密封型號(hào)為909B(平衡型雙端面機(jī)封，輔助密封圈是四氟楔型圈)。操作參數(shù)和密封系統(tǒng)如圖1。

圖1　A301密封系統(tǒng)示意圖

有關(guān)操作參數(shù)：

A301轉(zhuǎn)速1480r／min
閃蒸罐操作壓力1.8MPa(G)，操作溫度80℃
機(jī)封密封腔壓力2.1MPa(G)，要求溫度30℃
密封液冷卻水進(jìn)水壓力0.45MPa(G),溫度32℃
冷卻水流量0.5m3／h

2　存在的問題及原因分析

在1996年的前后9次檢修中，檢查發(fā)現(xiàn)機(jī)封大氣端動(dòng)環(huán)磨損嚴(yán)重，因此造成機(jī)封失效的主要原因是大氣端動(dòng)環(huán)磨損太快，平均壽命為8天。期間雖檢查了軸的直線度，更換了軸承，并多次調(diào)整機(jī)封軸套的裝置，改變上下機(jī)封的壓縮量，調(diào)整密封系統(tǒng)，仍未能使問題得到解決，嚴(yán)重影響了裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行。

造成機(jī)封端面很快磨損的原因很多，主要有：①密封端面間侵入外來雜質(zhì)；②密封端面潤(rùn)滑不良；③機(jī)封動(dòng)靜環(huán)端面間做軸向開閉運(yùn)動(dòng)；④動(dòng)環(huán)制造質(zhì)量不好；⑤密封液量不夠或者冷卻效果不好，造成密封件溫度過高；⑥大氣端機(jī)封彈簧壓縮量過大；⑦端面比壓過大。我們根據(jù)多次開車和使用的情況，結(jié)合機(jī)封的設(shè)計(jì)、安裝等各方面進(jìn)行分析認(rèn)為前四種原因的可能性比較小，因此對(duì)后三種原因進(jìn)行分析。

(1)密封液循環(huán)量不夠或者冷卻效果不好，造成密封溫度過高。工藝設(shè)計(jì)要求的冷卻水進(jìn)水壓力0.45MPa(G)，而實(shí)際上，由于A301安裝高度為32m，其密封液冷卻的進(jìn)水壓力只有約0.15MPa(G)， 說明實(shí)際的冷卻水循環(huán)量不可能達(dá)到設(shè)計(jì)的0.5m3／h， 就可能引起密封液溫度過高，密封端面的摩擦熱散熱差，導(dǎo)致端面磨損過快。針對(duì)這一情況，這們檢查了密封液的循環(huán)溫度：密封液進(jìn)口溫度45℃，出口溫度49℃，密封腔壁溫度72℃(閃蒸罐操作溫度80℃，導(dǎo)熱所致)。實(shí)際測(cè)量的溫度對(duì)所選用的密封環(huán)材料來說并不算高(動(dòng)環(huán)為石墨，靜環(huán)為碳化硅)，密封件溫度過高的因素可以排除。(2)大氣端機(jī)封彈簧壓縮過大。從A301的結(jié)構(gòu)上看，機(jī)封軸套應(yīng)該位于密封腔的正中部位，但可以通過少量調(diào)整機(jī)封軸套與密封腔的相對(duì)位置來改變大氣端機(jī)封和介質(zhì)端機(jī)封的彈簧壓縮量。為此在檢修中我們?cè)囍啻螜z查調(diào)整軸套位置，使大氣彈簧壓縮量不同程度的減少，但大氣端機(jī)封仍然磨損較快，最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間為12天，并且調(diào)整后介質(zhì)端機(jī)封較大磨損。因此這個(gè)原因也不是根本原因。

(3)端面比壓過大。根據(jù)接觸式端面密封的磨損理論，在機(jī)封設(shè)計(jì)合理的情況下，端面的磨損量與端面比壓或成正比關(guān)系，如果端面比壓過大，冷卻效果又不好，還會(huì)導(dǎo)致密封間的摩擦熱散不掉，進(jìn)而導(dǎo)致密封面間液膜間歇汽化，增加密封面上的熱應(yīng)力，使端面磨損加劇。

測(cè)量原機(jī)封的相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸如下(兩端相同)：

動(dòng)環(huán)端面外徑D2＝82．5mm
動(dòng)環(huán)端面內(nèi)徑D1＝70mm
平衡直徑D0＝73mm
彈簧個(gè)數(shù)1
有效圈數(shù)12.5
彈簧尺寸D=6.5mm
d=0.9mm
已知密封腔壓力 P腔=2.1MPa(G)
彈簧安裝后的總壓縮量x＝16.7mm
彈簧材質(zhì)為碳鋼，取彈性模量G=75000N/m2
密封液為油，根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)推薦值取液膜反壓系數(shù)λ=0.33～0.5
下面進(jìn)行端面比壓的計(jì)算。
動(dòng)環(huán)端面面積S=15cm2
彈簧剛度k₁＝Gd⁴／8nD₃＝0．182kgf/mm
單個(gè)彈簧工作負(fù)荷F_彈＝K₁x＝3kgf
總的彈簧力F_總＝F_彈×12＝36kgf
彈簧比壓P_彈＝F_總/S＝2．4kgf/cm²
載荷系數(shù)k＝(D₂²-D₀²)/(D²₂-D²₁)＝0．775
大氣端介質(zhì)作用壓差P_大＝P_腔-P_外＝21kgf/cm²
介質(zhì)端介質(zhì)作用壓差P_介＝P_腔-P_介＝3kgf/cm²
大氣端機(jī)封端面比壓P_大比＝P_端+P_介(k-λ)＝8．175～11．7 45kgf/cm²
介質(zhì)端機(jī)封端面比壓P_介比＝P_彈+P_介(k-λ)＝3．225～3．735 kgf/cm²

通過端面比壓的計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，大氣機(jī)封的端面比壓遠(yuǎn)大于通常的端面比壓范圍3～5kgf/ cm²，而密封介質(zhì)端的端面比壓則在正常值的范圍內(nèi)。這說明廠商在選擇機(jī)封時(shí)重點(diǎn)考慮了介質(zhì)端密封，忽視了密封腔壓力對(duì)大氣端密封的影響。因此大氣端機(jī)封端面比壓過大應(yīng)是A301機(jī)封大氣端磨損嚴(yán)重的主要原因。

3　改造措施

針對(duì)A301機(jī)封大氣端端面比壓過大而磨損嚴(yán)重的問題，可以有多種改造方案，例如機(jī)封動(dòng)靜環(huán)采用更耐磨的材料、縮短大氣端機(jī)封環(huán)座的軸向尺寸、縮短中間泵環(huán)的軸向尺寸、改變彈簧的尺寸、改變動(dòng)環(huán)的端面尺寸并使載荷系數(shù)降低等，都是可以的。但是每種方案也都有不利的一面，如動(dòng)靜環(huán)采用更耐磨的材料并沒有減少摩擦熱；縮短大氣端機(jī)封動(dòng)環(huán)座的軸向尺寸可能給安裝造成不便。

上述不同的改造方案各有利弊，為此我們同四川密封技術(shù)研究所共同研究分析，決定采用只改變環(huán)端面尺寸(兩端一樣)，使載荷系數(shù)降低的方案，并由四川密封技術(shù)研究所制造加工。這一改造方案有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)動(dòng)環(huán)是易損件，改變結(jié)構(gòu)最經(jīng)濟(jì)，也較容易。
(2)保持兩端動(dòng)環(huán)尺寸一樣以減少安裝失誤，降低載荷系數(shù)后，可使大氣端密封的端面比壓接近正常值。
(3)縮小動(dòng)環(huán)的端面尺寸更利于動(dòng)環(huán)與軸之間同心旋轉(zhuǎn)，并對(duì)摩擦的傳導(dǎo)有利。

經(jīng)過多次試算和比較，并結(jié)合機(jī)封軸套、機(jī)封座等部件的結(jié)構(gòu)尺寸，最終確定動(dòng)環(huán)的端面 尺寸為：外徑79.5cm，內(nèi)徑68.3cm。現(xiàn)核算如下：

動(dòng)環(huán)端面面積S=12.8cm²
彈簧比壓P_彈＝F_總/S＝2.8kgf/cm²
載荷系數(shù)k＝(D₂²-D₀²)／(D²₂-D²₁)＝0.599
大氣端機(jī)封端面比壓P_大比＝P_彈＋P_介(k-λ)＝4.85～ 8.4kgf/cm²
介質(zhì)端機(jī)封端面比壓P_介比＝P_彈＋P_介(k-λ)＝3.09～-3.6kg f/cm²

通過計(jì)算可以看到，改造后機(jī)封大氣端的端面比壓下限進(jìn)入正常值范圍，而介質(zhì)端的端面 比壓變動(dòng)很小，也在正常值范圍內(nèi)。