張慶雪

(中國(guó)石化催化劑有限公司齊魯分公司,山東 淄博 255300)

1 分子篩生產(chǎn)用螺旋輸送機(jī)使用存在問題

中國(guó)石化某催化劑生產(chǎn)企業(yè)采用LS340型螺旋輸送機(jī)進(jìn)行分子篩生產(chǎn)，用螺旋輸送機(jī)輸送焙燒后的分子篩物料，同時(shí)通入原料A進(jìn)行進(jìn)一步反應(yīng)，因螺旋輸送機(jī)與焙燒爐及除塵設(shè)備等構(gòu)成一個(gè)基本封閉的生產(chǎn)系統(tǒng)，輸送機(jī)內(nèi)部是微負(fù)壓狀態(tài)。

在此工況實(shí)際生產(chǎn)中，螺旋輸送機(jī)內(nèi)分子篩物料容易結(jié)塊，粘附在主軸、葉片和外殼內(nèi)壁上，使用時(shí)間約7～15天就發(fā)生結(jié)塊，導(dǎo)致螺旋輸送機(jī)卡死問題。葉片及其焊縫腐蝕嚴(yán)重，葉片斷裂、脫落經(jīng)常發(fā)生，葉片、主軸及外殼腐蝕減薄非常明顯，輸送機(jī)整體壽命僅為5～6個(gè)月。軸封采用的是填料密封，密封不嚴(yán)，現(xiàn)場(chǎng)持續(xù)地少量泄漏分子篩粉塵和反應(yīng)生產(chǎn)的HCl氣體，污染環(huán)境，形成職業(yè)衛(wèi)生隱患。

2 問題原因分析

2.1 卡死問題

螺旋輸送機(jī)卡死直接原因是輸送的分子篩結(jié)塊，結(jié)塊后的分子篩粘附在螺旋輸送機(jī)外殼內(nèi)壁或轉(zhuǎn)子上，逐步累積，最后卡死轉(zhuǎn)子，造成停機(jī)。經(jīng)分析造成分子篩結(jié)塊的主要原因是原料A與進(jìn)入輸送機(jī)內(nèi)部的少量水分以及分子篩物料進(jìn)行的一系列反應(yīng)導(dǎo)致結(jié)塊。通過(guò)分析，判斷螺旋輸送機(jī)內(nèi)的水分主要是在負(fù)壓環(huán)境下通過(guò)主軸封進(jìn)入絞龍的空氣含水，要從根本上解決結(jié)塊卡死問題，需要從改進(jìn)主軸封密封，提高密封效果著手。

2.2 腐蝕問題

螺旋輸送機(jī)材質(zhì)是321不銹鋼，葉片與主軸(空心鋼管)焊接連接，屬奧氏體不銹鋼，螺旋輸送機(jī)葉片腐蝕斷裂，脫落時(shí)有發(fā)生，主軸和外殼也存在顯著的腐蝕減薄現(xiàn)象。腐蝕發(fā)生的主要原因是，輸送物料的副反應(yīng)生成HCl氣體，HCl氣體與螺旋輸送機(jī)內(nèi)的水分形成鹽酸酸霧，酸霧對(duì)輸送機(jī)產(chǎn)生腐蝕，酸霧對(duì)奧氏體不銹鋼的腐蝕類型有晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕和點(diǎn)蝕，這三種腐蝕類型在螺旋輸送機(jī)的腐蝕上都存在。欲解決腐蝕問題，一是增強(qiáng)密封效果減少水分進(jìn)入，二是改進(jìn)螺旋輸送機(jī)材質(zhì)。

2.3 泄漏問題

現(xiàn)場(chǎng)泄漏粉塵、HCl氣體，主要原因是，螺旋輸送機(jī)主軸密封采用3圈12mm×12mm石墨盤根壓緊的填料密封，密封盤根僅3圈，密封效果較差。填料密封由于摩擦作用較強(qiáng)，一般需要通入冷卻水，發(fā)揮冷卻及水潤(rùn)滑作用，但此產(chǎn)品生產(chǎn)工藝要求不允許通入冷卻水，主要原因是冷卻水可能沿主軸進(jìn)入物料內(nèi)部，沒有冷卻水加劇了磨損的影響，極大的縮短了填料密封壽命。再者，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上填料與軸直接接觸，沒有配備軸套，填料對(duì)軸頭密封面產(chǎn)生磨損，形成溝槽，嚴(yán)重降低密封可靠性，形成泄漏，解決泄漏問題需要從改進(jìn)軸封密封形式和結(jié)構(gòu)形式著手。

綜上所述，改進(jìn)主軸密封形式和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選用耐腐蝕性更好的優(yōu)質(zhì)不銹鋼材料制作螺旋輸送機(jī)是改進(jìn)的主要方向。

3 改造方案的確定與實(shí)施

3.1 主軸動(dòng)密封改造方案

填料密封是一種傳統(tǒng)的接觸式密封，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，更換方便，成本低廉，適用范圍廣，對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軸允許有軸向竄動(dòng)，其不足是密封性能稍差，軸不允許有較大的徑向跳動(dòng)，功耗大，磨損軸，使用壽命短。機(jī)械密封密封性好，性能穩(wěn)定，泄露量少，摩擦功耗低，使用周期長(zhǎng)，對(duì)軸磨損很小，能滿足多種工況要求，在石化等部門廣泛應(yīng)用，但其機(jī)構(gòu)復(fù)雜、制造精度高、價(jià)格較貴，為了解決常規(guī)機(jī)械密封維修不方便的問題，目前已經(jīng)有維修使用方便的集裝式機(jī)械密封。集裝式機(jī)械密封裝置的預(yù)安裝設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了測(cè)量、調(diào)整等過(guò)程，具有安裝簡(jiǎn)便、互換性強(qiáng)的特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)比，在改分子篩生產(chǎn)工況下，螺旋輸送機(jī)應(yīng)用集裝式機(jī)械密封比填料密封有著非常顯著的優(yōu)勢(shì)，遂決定采用集裝式機(jī)械密封替換填料密封。

針對(duì)填料密封存在的問題，我們對(duì)集裝式機(jī)械密封設(shè)計(jì)、制造及選用提出了以下五個(gè)方面的要求。

3.1.1 采用雙端面機(jī)封

單端面密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、安裝容易，一般用于介質(zhì)本身潤(rùn)滑性好和允許微量泄漏的條件，是常用的密封型式，當(dāng)介質(zhì)有毒、易燃、易爆以及對(duì)泄漏量有嚴(yán)格要求時(shí)，不宜使用。雙端面密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜，配套有輔助密封系統(tǒng)，適用于介質(zhì)本身潤(rùn)滑性差、有毒、易燃、易爆、易揮發(fā)、含磨粒及氣體，即在密封可靠性要求較高的工況下宜選用雙端面密封。

3.1.2 動(dòng)靜環(huán)材質(zhì)的選擇確定

對(duì)摩擦副材料的總的要求是耐磨、耐熱、耐腐蝕，抗沖擊和抗熱裂等。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，決定采用如下動(dòng)靜環(huán)配對(duì)方案。靜環(huán)采用浸漬樹脂石墨環(huán)。它是一種耐磨、低摩擦系數(shù)(摩擦系數(shù)在0.01～0.08),且有有優(yōu)良的自潤(rùn)滑性和高熱導(dǎo)率、高抗熱沖擊性、低膨脹系數(shù)、耐多種介質(zhì)腐蝕，并有良好的可加工性的材料，使用范圍較廣，在絕大多數(shù)工況中，與其它硬質(zhì)材料配對(duì)是較為理想的摩擦副材料。動(dòng)環(huán)采用整體硬質(zhì)合金密封環(huán)。整體硬質(zhì)合金密封環(huán)基本上不受使用溫度的影響，耐腐蝕、硬度高，與石墨環(huán)配對(duì)效果非常好。

3.1.3 密封腔引入密封液

軸向雙端面密封的密封腔工作時(shí)在兩對(duì)端面間引入高于介質(zhì)壓力0.05～0.15MPa的封液，密封液采用外接密封液儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)，可以改善端面間的潤(rùn)滑及冷卻條件，并把介質(zhì)與外界隔離，接近實(shí)現(xiàn)介質(zhì)"零泄漏"。同時(shí)避免在實(shí)際使用時(shí)，有可能出現(xiàn)的瞬間的干摩擦狀態(tài)，避免瞬間摩擦系數(shù)增大造成特別嚴(yán)重發(fā)熱和磨損。密封液的管路設(shè)計(jì)參考API 682 Plan 53沖洗方案，方案原圖如圖1。

圖1 沖洗方案圖

Plan53主要應(yīng)用于帶壓的雙端面密封結(jié)構(gòu)，密封液存放于儲(chǔ)液罐中并經(jīng)由外部系統(tǒng)加壓(通常是氮?dú)?。密封液的流動(dòng)是同時(shí)受到外部壓力和靠密封內(nèi)部的泵效環(huán)或熱虹吸作用維持循環(huán)。儲(chǔ)液罐內(nèi)的壓力要大于密封腔內(nèi)的壓力。

3.1.4 機(jī)械密封密封腔外殼設(shè)計(jì)為夾套式水冷卻的間接冷卻方式

間接冷卻的效果比直接冷卻要差一些，但冷卻水不與密封面接觸接觸，不會(huì)被介質(zhì)污染，可以循環(huán)使用，杜絕了冷卻水進(jìn)入輸送器內(nèi)部與生產(chǎn)物料接觸反應(yīng)的可能。

3.1.5 機(jī)械密封均帶有軸套

集裝式機(jī)械密封均帶有軸套，以減少密封部件對(duì)主軸的磨損，延長(zhǎng)主軸壽命。按照上述要求改造后密封的非驅(qū)動(dòng)端照片見圖2。

圖2 改造后密封的非驅(qū)動(dòng)端

3.2 材質(zhì)由321不銹鋼升級(jí)為316L+310S不銹鋼

321不銹鋼是Ni-Cr-Ti型奧氏體不銹鋼，雖然加入了金屬鈦，但從實(shí)際情況來(lái)，耐腐蝕性能仍然無(wú)法滿足在該工況下輸送機(jī)的使用要求。316L不銹鋼也是奧氏體不銹鋼，316L不銹鋼由于添加Mo，且含碳量更低，耐腐蝕性能更強(qiáng)，特別是耐點(diǎn)蝕性能優(yōu)秀，高溫強(qiáng)度也很好，具有優(yōu)秀的加工硬化性。310S不銹鋼(0Cr25Ni20)是奧氏體鉻鎳不銹鋼，310S擁有很好的蠕變強(qiáng)度，連續(xù)使用溫度可達(dá)1150℃，具有良好的耐高溫性，耐腐蝕性，抗氧化性，良好的可焊性，高溫強(qiáng)度高。

通過(guò)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)316L不銹鋼性能優(yōu)于321不銹鋼，310S不銹鋼性能最是優(yōu)良，且都宜用于加工螺旋輸送機(jī)，因310S鋼材價(jià)格昂貴，綜合考慮材料性能和價(jià)格后，決定將轉(zhuǎn)子、外殼等接觸物料的零部件原來(lái)采用的321不銹鋼更換為殼體316L不銹鋼+轉(zhuǎn)子310S不銹鋼的組合，這樣就可以極大提高螺旋輸送機(jī)耐腐蝕性能。

把螺旋輸送機(jī)的填料密封改造為集裝式雙端面機(jī)械密封，將轉(zhuǎn)子、外殼等接觸物料的零部件原來(lái)采用的321不銹鋼更換為殼體316L不銹鋼+轉(zhuǎn)子310S不銹鋼的組合，重新加工制作新螺旋輸送機(jī)后在生產(chǎn)裝置進(jìn)行了使用。

4 改造效果

密封改造效果對(duì)比：填料密封在生產(chǎn)使用中，平均壽命約30～45天，簡(jiǎn)單說(shuō)就是每次檢修都需要對(duì)密封填料進(jìn)行更換；機(jī)械密封壽命為300～360天，可以在檢修中多次拆安重復(fù)使用，改造后，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)粉塵和HCl氣體泄漏，符合如今環(huán)保和職業(yè)衛(wèi)生的嚴(yán)格要求。腐蝕情況改善：螺旋輸送機(jī)的腐蝕主要發(fā)生在葉片、主軸和外殼，采用321不銹鋼轉(zhuǎn)子的平均壽命約180天，在改用310S后，壽命至少延長(zhǎng)了360天以上。改造之后，螺旋輸送機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)能力大幅提高，大幅度減少了開停車的頻次，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益，且外漏粉塵和HCl氣體得到徹底治理，也產(chǎn)生了良好環(huán)境效益。

[1] 胡建軍，張永芳.淺談氯離子對(duì)奧氏體不銹鋼的腐蝕[J].化工裝備技術(shù)，2017,38(6):35-37.

[2] 張國(guó)釗.機(jī)械密封及沖洗系統(tǒng)在原油輸送離心泵中的應(yīng)用[J].煉油與化工,2011,(5):1-2.