從氯化反應(yīng)釜機(jī)械密封故障解決實(shí)例淺談反應(yīng)釜用機(jī)械密封

1、從氯化反應(yīng)釜機(jī)械密封故障解決實(shí)例淺談反應(yīng)釜用機(jī)械密封    關(guān)鍵詞 氯化反應(yīng)；釜機(jī)械密封；反應(yīng)機(jī)械密封作為現(xiàn)今一種常用的軸封方式，已在化工行業(yè)中廣泛使用。從使用范圍上分類，機(jī)械密封可分為泵用機(jī)械密封、釜用機(jī)械密封、壓縮機(jī)用機(jī)械密封等。由于機(jī)械密封所處的設(shè)備環(huán)境不同，使其在設(shè)計(jì)、安裝、使用、維護(hù)中的特點(diǎn)也不盡相同。這里主要以重慶天原化工有限公司硅氯化物分廠氯化反應(yīng)釜機(jī)械密封為例，談一下反應(yīng)釜用機(jī)械密封的特點(diǎn)和容易遇到的問題。 1 故障現(xiàn)象 設(shè)備在生產(chǎn)現(xiàn)場運(yùn)行過程中機(jī)械密封出現(xiàn)了泄漏，操作人員對(duì)故障設(shè)備的運(yùn)行情況都進(jìn)行了詳細(xì)的記錄。真實(shí)詳盡的現(xiàn)場記錄為故障分

2、析提供了可靠的依據(jù)。 1.1設(shè)備詳情 氯化反應(yīng)釜容積為7 500L，介質(zhì)氯氣、醋酸、醋酐等，釜內(nèi)壓力為0.96MPa，溫度為105，攪拌軸軸徑為180mm，轉(zhuǎn)速為45r/min。所用機(jī)械密封為背對(duì)背雙端面機(jī)械密封（結(jié)構(gòu)見圖1），注入常溫去離子水作為封液，壓力為1.2MPa。 1.2泄漏現(xiàn)象 機(jī)械密封使用初期密封性能良好，約使用250h后外側(cè)密封出現(xiàn)泄漏，泄漏物為密封水。起初為滴漏，約300h后泄漏量超過0.25L/min，無法滿足正常使用。且在此過程中發(fā)現(xiàn)冷卻水儲(chǔ)罐中的液位損失大于外側(cè)密封的泄露量，由此判定，內(nèi)側(cè)密封液同樣出現(xiàn)了泄漏現(xiàn)象。 1.3機(jī)械密封受損現(xiàn)象 在對(duì)機(jī)械密封進(jìn)行拆解檢查后，發(fā)

3、現(xiàn)以下幾個(gè)不正常受損現(xiàn)象。外側(cè)密封的石墨環(huán)端面有明顯磨損痕跡，且密封面外圓部分磨損較為嚴(yán)重（如圖2）；外側(cè)密封的硬質(zhì)合金環(huán)端面的磨損痕跡寬度略大于石墨環(huán)短面磨損痕跡的寬度；內(nèi)側(cè)密封的靜環(huán)移位并被卡死，未進(jìn)入設(shè)計(jì)的安裝位置（如圖3）；密封腔內(nèi)出現(xiàn)釜內(nèi)物料痕跡。此外，內(nèi)側(cè)密封面沒有明顯的磨損痕跡；0形圈彈性良好，沒有出現(xiàn)明顯的變形和劃傷。 2故障分析 通過對(duì)設(shè)備故障現(xiàn)場的了解并結(jié)合查閱了相關(guān)技術(shù)資料，加上自身多年積累的工作經(jīng)驗(yàn)及與機(jī)械密封生產(chǎn)廠家的技術(shù)人員進(jìn)行溝通交流，我們基本分析出了該機(jī)械密封的受損過程和原因。 2.1輔助密封使用情況 作為機(jī)械密封結(jié)構(gòu)中的輔助密封件（如橡膠0形圈、四氟V形圈等）

4、，如果在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)中有缺陷，或在安裝使用中出現(xiàn)破損，也會(huì)造成機(jī)械密封的泄漏。從對(duì)該機(jī)械密封橡膠0形圈的壓縮量的再次復(fù)核，及分析0形圈的使用情況，可以排除從0形圈處泄漏的可能。也就是說，該機(jī)械密封所使用的0形圈，設(shè)計(jì)、選材、制作都是滿足使用要求的。 2.2端面磨損量 從端面磨損情況來分析，內(nèi)側(cè)密封端面沒有明顯磨損痕跡，這在使用不足300小時(shí)的情況下屬于正?，F(xiàn)象。而外側(cè)密封端面磨損痕跡明顯，磨損量大于正常范圍，應(yīng)是端面比壓過大造成的。從機(jī)械密封結(jié)構(gòu)上看，該機(jī)械密封屬于背對(duì)背雙端面結(jié)構(gòu)，且內(nèi)外兩側(cè)的機(jī)械密封完全相同。在實(shí)際使用過程中，外側(cè)密封介于密封腔和大氣之間，所承受的壓力為密封腔的絕對(duì)壓力（1.

5、2MPa）；內(nèi)側(cè)機(jī)封介于反應(yīng)釜腔體和密封腔之間，所承受的壓力為反應(yīng)釜腔體和密封腔之間的相對(duì)壓力（1.2-0.96=0.24MPa）。由此可以看出，外側(cè)密封所承受的壓力遠(yuǎn)大于內(nèi)側(cè)，如使用相同的機(jī)械密封，外側(cè)密封的端面比壓也會(huì)遠(yuǎn)大于內(nèi)側(cè)，這就解釋了外側(cè)密封端面過度磨損的原因。 2.3端面磨損痕跡 從端面磨損痕跡分析，可以得出以下兩個(gè)結(jié)論： 1）從外側(cè)石墨環(huán)的磨損痕跡來看，其與硬質(zhì)合金環(huán)實(shí)際貼合的部分僅占環(huán)寬的1/2左右，且集中在環(huán)外側(cè)。這就使外側(cè)密封端面的有效貼合寬度比設(shè)計(jì)寬度縮小了一半，造成外側(cè)密封的端面比壓高于設(shè)計(jì)數(shù)值，也是密封端面過度磨損的另一個(gè)原因。這樣的現(xiàn)象，是由于端面變形造成的，而造成

6、變形的原因主要是石墨環(huán)外圓一側(cè)接觸的是高壓密封水，內(nèi)側(cè)接觸的是常壓大氣，在壓力作用下，厚度較小的端面位置會(huì)受壓變形，形成“倒喇叭口狀”，使石墨環(huán)端面只有外側(cè)部分與硬質(zhì)合金環(huán)接觸（如圖4）。內(nèi)側(cè)密封由于其內(nèi)外的壓差較小，所以不易出現(xiàn)這種情況; 2）從外側(cè)硬質(zhì)合金環(huán)的磨損痕跡來看，其磨損痕跡略寬與石墨環(huán)的磨損痕跡。而硬質(zhì)合金環(huán)為動(dòng)環(huán)，與攪拌軸相連，這種現(xiàn)象證明攪拌軸在旋轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)了徑向擺動(dòng)。機(jī)械密封的使用技術(shù)要求對(duì)軸的徑向跳動(dòng)范圍上限為0.06mm，從磨損痕跡來看，該機(jī)械密封的徑向跳動(dòng)明顯超出了這個(gè)范圍。過度的徑向跳動(dòng)，會(huì)造成機(jī)械密封端面磨損不均勻，端面磨損加劇，補(bǔ)償環(huán)無法及時(shí)補(bǔ)償?shù)纫幌盗袉栴}。

7、 2.4內(nèi)側(cè)密封泄漏 從外側(cè)密封泄漏量和密封水儲(chǔ)罐液位損失的對(duì)比可以看出，內(nèi)側(cè)密封也同樣出現(xiàn)了泄漏現(xiàn)象，有一部分密封水泄漏到了反應(yīng)釜內(nèi)。拆解機(jī)械密封時(shí)，發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)與內(nèi)側(cè)密封相關(guān)的問題，一是內(nèi)側(cè)密封靜環(huán)錯(cuò)位；二是密封腔內(nèi)出現(xiàn)了反應(yīng)釜內(nèi)的介質(zhì)。從理論上說，密封腔的壓力高于釜內(nèi)壓力，釜內(nèi)介質(zhì)是不會(huì)進(jìn)入密封腔的。實(shí)際情況是，密封腔內(nèi)壓力由接入密封水儲(chǔ)罐的高壓氮?dú)馓峁?，壓力比較穩(wěn)定，而釜內(nèi)由于在不斷進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，其壓力隨時(shí)會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，無法始終控制在設(shè)計(jì)范圍以內(nèi)。從機(jī)械密封結(jié)構(gòu)分析，如果釜內(nèi)壓力在瞬間達(dá)到一定數(shù)值，釜內(nèi)壓力將推動(dòng)內(nèi)側(cè)靜環(huán)，使其脫離安裝位置，同時(shí)釜內(nèi)介質(zhì)也會(huì)進(jìn)入密封腔。當(dāng)釜內(nèi)壓力降低時(shí)，內(nèi)側(cè)

8、靜環(huán)在機(jī)械密封彈簧和密封腔內(nèi)壓力的共同作用下，會(huì)向著原安裝位置移動(dòng)，但由于靜環(huán)安裝位置的配合間隙較小，如果靜環(huán)的移動(dòng)稍有不均勻，很容易由于偏斜而被卡死。靜環(huán)被卡死后，始終處于偏斜位置，密封端面無法有效貼合，機(jī)械密封也就喪失了密封效果。        3 解決方案 基于對(duì)機(jī)械密封的故障分析，針對(duì)造成密封泄漏的各個(gè)原因，我們對(duì)該機(jī)械密封進(jìn)行了以下幾處改造，以使其達(dá)到應(yīng)有的使用效果。 3.1機(jī)械密封設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化 原機(jī)械密封內(nèi)外兩側(cè)的設(shè)計(jì)參數(shù)相同，平衡系數(shù)為0.81，彈簧比壓為0.18MPa。按照這個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算，外側(cè)密封

9、的端面比壓為0.55MPa，內(nèi)側(cè)密封的端面比壓為0.26MPa。 從數(shù)據(jù)上看，外側(cè)密封端面比壓偏高。對(duì)外側(cè)密封的平衡直徑及密封端面有效結(jié)合面尺寸進(jìn)行修改后，平衡系數(shù)調(diào)整為0.68，則密封的端面比壓為0.4MPa，這樣可以有效緩解外側(cè)密封端面過度磨損的問題。 通過對(duì)內(nèi)側(cè)密封參數(shù)的核算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)釜內(nèi)壓力高于密封腔壓力0.6 MPa，即達(dá)到1.8 MPa時(shí)，釜內(nèi)壓力將大于密封腔壓力與機(jī)械密封彈簧力的合力，內(nèi)側(cè)密封的靜環(huán)可能發(fā)生移位。通過增加彈簧數(shù)量，將內(nèi)側(cè)密封的彈簧比壓提高到0.28MPa，這樣，釜內(nèi)壓力需高于密封腔壓力1MPa，即達(dá)到2.2MPa時(shí)，釜內(nèi)壓力才能與密封腔壓力與機(jī)械密封彈簧力的合力相等

10、，降低了內(nèi)測靜環(huán)由于釜內(nèi)壓力瞬間升高而發(fā)生移位的可能性。同時(shí)，改變了彈簧比壓之后，在正常工作情況下，內(nèi)側(cè)密封的端面比壓為0.35MPa，仍在合理范圍以內(nèi)。 3.2解決密封環(huán)變形的問題 對(duì)于該機(jī)械密封，由于外側(cè)靜環(huán)受壓較大，容易變形，需選擇更合理的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)以提高環(huán)的強(qiáng)度。原密封采用的是金屬座鑲嵌浸樹脂石墨，這種結(jié)構(gòu)本身存在鑲嵌應(yīng)力，端面易變形，較高的壓力更加劇了環(huán)的變形量。所以考慮改用整體石墨環(huán)，整體環(huán)不存在內(nèi)部應(yīng)力，而且內(nèi)部材質(zhì)強(qiáng)度也基本一致，在受壓的情況下變形量較小。同時(shí)，將原石墨環(huán)接觸面臺(tái)階高度3mm改為1.5mm，縮短了最薄位置的尺寸，同時(shí)根部倒圓（如圖5），進(jìn)一步提升端面的抗變形強(qiáng)度

11、。在材質(zhì)選取上，選用強(qiáng)度更高的浸金屬石墨。以上幾項(xiàng)措施，基本解決了外側(cè)石墨環(huán)端面變形的問題。 3.3解決攪拌軸徑向跳動(dòng)的問題 反應(yīng)釜攪拌軸徑向跳動(dòng)過大，主要是由于軸承老化。經(jīng)檢查，軸承已有明顯磨損，無法達(dá)到正常的使用要求。更換軸承后，攪拌軸徑向跳動(dòng)能夠控制在規(guī)定范圍以內(nèi)。 3.4解決內(nèi)側(cè)密封靜環(huán)移位問題 雖然在設(shè)計(jì)參數(shù)上已對(duì)內(nèi)側(cè)密封進(jìn)行了調(diào)整，內(nèi)側(cè)密封抗釜內(nèi)壓力的能力明顯提高，但釜內(nèi)化學(xué)反應(yīng)過程難以預(yù)計(jì)，仍不排除能瞬間產(chǎn)生高壓，使內(nèi)側(cè)靜環(huán)移位的可能。在實(shí)際使用過程中，如果釜內(nèi)瞬間壓力升高，有少量介質(zhì)進(jìn)入密封腔，待壓力降低后，機(jī)械密封各部件能回歸原位，密封仍能正常使用，否則密封將失效。因此，在此

12、次改造時(shí)，考慮用擋板限制靜環(huán)的位置（如圖6）。經(jīng)改造，內(nèi)側(cè)靜環(huán)背部受壓時(shí)無法向外運(yùn)動(dòng)，當(dāng)壓力過高時(shí)，動(dòng)環(huán)可能向外運(yùn)動(dòng)，密封面可能瞬間打開，但由于動(dòng)環(huán)是可以在軸上浮動(dòng)的補(bǔ)償環(huán)，壓力下降后能馬上回到原位，不會(huì)對(duì)機(jī)械密封的繼續(xù)使用造成影響。 4改造效果 經(jīng)改造，該機(jī)械密封已正常工作6 000h，泄漏量微小，遠(yuǎn)低于國家關(guān)于釜用機(jī)械密封泄漏量15mL/h的標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到機(jī)械密封 8 000h的工作要求應(yīng)不存在問題。 5結(jié)論 通過對(duì)該機(jī)械密封進(jìn)行故障分析和技術(shù)改造的過程，可以反映釜用機(jī)械密封的幾個(gè)特點(diǎn)。 5.1端面變形 釜用機(jī)械密封軸徑一般較大（如該機(jī)械密封的軸徑達(dá)到180mm），所使用的密封環(huán)尺寸也較大。密封環(huán)尺寸偏大則造成環(huán)的強(qiáng)度降低，因此在設(shè)計(jì)和選材時(shí)應(yīng)考慮密封環(huán)的抗變形能力。 5.2設(shè)計(jì)參數(shù) 對(duì)于該機(jī)械密封所采用的雙端面結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮到內(nèi)外兩側(cè)所承受的壓力差距很大，應(yīng)采用不同的設(shè)計(jì)參數(shù)，使內(nèi)外兩側(cè)的密封端面比壓值都處在合理范圍以內(nèi)。 5.3釜內(nèi)瞬間高壓 反應(yīng)釜由于內(nèi)部進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)過程中，釜內(nèi)壓力不穩(wěn)定，有可能產(chǎn)生瞬間高壓。在機(jī)械密封設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能提高機(jī)械密封抗反向壓力的能力，并對(duì)一些可能會(huì)由于反壓而產(chǎn)生移位的零件（如靜環(huán)）加以限位。 5.4其他