楊 成

（中國(guó)石油大慶煉化公司，黑龍江大慶 163400）

0 引言

某煉化公司30 萬(wàn)噸/年聚丙烯裝置采用巴塞爾公司的Spherizone 專(zhuān)利技術(shù)，該技術(shù)是目前國(guó)際上的先進(jìn)聚合反應(yīng)工藝，替代原用的間歇式反應(yīng)釜工藝實(shí)現(xiàn)了聚合反應(yīng)的連續(xù)運(yùn)行。預(yù)聚合反應(yīng)器小環(huán)軸流泵是該裝置的關(guān)鍵設(shè)備，而軸流泵的穩(wěn)定運(yùn)行取決于關(guān)鍵零部件機(jī)械密封的可靠性，同時(shí)由于原裝進(jìn)口機(jī)封采用分體式設(shè)計(jì)，配件價(jià)格昂貴，不利于日后維修工作。根據(jù)小環(huán)軸流泵介質(zhì)、沖洗及泵的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)設(shè)備和工藝的細(xì)致了解和分析，采用先進(jìn)的理論計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算，對(duì)小環(huán)軸流機(jī)封進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料優(yōu)化、技術(shù)升級(jí)，將原分體式機(jī)封改造為三端面集裝式機(jī)械密封，從而保證軸流泵關(guān)鍵設(shè)備的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

1 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)與沖洗方案介紹

國(guó)產(chǎn)后的機(jī)封采用三端面集裝結(jié)構(gòu)，密封方案為PLAN 32+PLAN 53C+PLAN 52，一、二級(jí)密封強(qiáng)采用帶壓的PLAN 53C 方案，兩套密封背對(duì)背布置，在雙端面之間的密封腔引入封液進(jìn)行堵封、潤(rùn)滑和冷卻。封液選用潔凈和潤(rùn)滑性好的介質(zhì)，封液壓力高于介質(zhì)壓力0.2～0.3 MPa。保證密封運(yùn)行過(guò)程中始終保持封液壓力高于介質(zhì)壓力。

為了保證一、二級(jí)高壓密封的可靠性，增加了三級(jí)PLAN 52方案的端面密封。三級(jí)密封為保護(hù)密封，在低壓下運(yùn)行一級(jí)密封失效后，短時(shí)間內(nèi)可起到主密封作用。

為了阻止介質(zhì)中聚合物顆粒對(duì)密封的阻塞，在介質(zhì)側(cè)增加了節(jié)流套組件，并通入PLAN 32 方案外引沖洗液。外引沖洗應(yīng)連續(xù)、可靠的，與小間隙節(jié)流組件配合使用，使密封腔維護(hù)一定的壓力，同時(shí)將沖洗介質(zhì)和泵送流程隔離。

由于旋轉(zhuǎn)軸較長(zhǎng)，為保證軸的旋轉(zhuǎn)精度，在密封內(nèi)部增加了能承受軸向力和徑向力的軸承，確保密封的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)也保證軸的安裝精度。這樣的結(jié)構(gòu)也取消了外部軸承座，節(jié)省了安裝空間。

PLAN 32+PLAN 53C+PLAN 52 的沖洗方案確保密封在一個(gè)良好的維護(hù)環(huán)境中運(yùn)行，同時(shí)也提供了自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，解決非集裝密封現(xiàn)場(chǎng)安裝精度和安全性，節(jié)省安裝密封更換時(shí)間，降低維修費(fèi)用，保證密封安全的運(yùn)行。

2 機(jī)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(yīng)器內(nèi)介質(zhì)壓力，在前端節(jié)流套的作用下，阻止環(huán)管內(nèi)的顆粒聚丙烯進(jìn)入到一級(jí)密封的端面和浮動(dòng)圈部位，保證一級(jí)密封處在一個(gè)干凈的封液環(huán)境中，避免失效。

一、二級(jí)密封之間采用PLAN 53C 密封沖洗方案，一級(jí)密封靠近介質(zhì)側(cè)、二級(jí)密封靠近PLAN 52 方案?jìng)?cè)，PLAN 53C 方案主要由一臺(tái)增壓活塞和一臺(tái)主密封油罐組成，其中增壓活塞上部的介質(zhì)為高壓油、下部為PLAN 32 液相丙烯，當(dāng)一、二級(jí)密封完好時(shí)，增壓活塞內(nèi)部壓力處于平衡狀態(tài)，增壓活塞標(biāo)尺穩(wěn)定平衡。通過(guò)計(jì)算公式F密封油=F沖洗介質(zhì)，可推出P53C×S活塞上=P沖洗×S活塞下，其中P 為壓強(qiáng)、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(shí)P53C＞P52。這說(shuō)明無(wú)論一級(jí)機(jī)械密封還是二級(jí)機(jī)械密封泄漏，都會(huì)使密封油向低壓側(cè)泄漏，危險(xiǎn)介質(zhì)不會(huì)向外泄漏。當(dāng)一級(jí)密封泄漏時(shí)，增壓活塞中的液壓油會(huì)進(jìn)入介質(zhì)側(cè)，增壓活塞標(biāo)尺上移，觸發(fā)低報(bào)報(bào)警。當(dāng)二級(jí)密封泄漏時(shí)增壓活塞中的液壓油會(huì)進(jìn)入PLAN 52 沖洗方案中，PLAN 52 方案中安全密封罐觸發(fā)液位高報(bào)報(bào)警，由于丙烯汽化會(huì)造成安全密封罐壓力升高，同時(shí)增壓活塞標(biāo)尺上移，觸發(fā)低報(bào)報(bào)警。由于PLAN 52 方案中密封腔壓力大于大氣壓力，如果三級(jí)密封泄漏，將會(huì)向外泄漏，安全密封罐觸發(fā)液位低報(bào)報(bào)警（圖1）。

圖1 三級(jí)密封泄漏

3 三端面集裝結(jié)構(gòu)機(jī)械密封泄漏點(diǎn)介紹

3.1 一級(jí)密封泄漏點(diǎn)

一級(jí)密封關(guān)鍵泄漏點(diǎn)共有6 處，其中動(dòng)密封泄漏點(diǎn)有2處，分別是動(dòng)靜環(huán)端面、動(dòng)環(huán)密封圈；靜密封泄漏點(diǎn)4 處，分別是靜環(huán)密封圈、靜環(huán)座密封圈、密封腔體外側(cè)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(diǎn)發(fā)生泄漏時(shí)現(xiàn)象相同，高壓密封油會(huì)向內(nèi)泄漏至丙烯介質(zhì)，導(dǎo)致增壓活塞標(biāo)尺上移，觸發(fā)液位低報(bào)報(bào)警。后1 處泄漏點(diǎn)發(fā)生泄漏時(shí)會(huì)出現(xiàn)高壓密封油會(huì)沿著密封壓蓋與泵腔連接面泄漏至環(huán)境中，在現(xiàn)場(chǎng)可以觀察到泄漏現(xiàn)象，同樣會(huì)導(dǎo)致增壓活塞標(biāo)尺上移、觸發(fā)液位低報(bào)報(bào)警。

3.2 二級(jí)密封泄漏點(diǎn)

二級(jí)密封關(guān)鍵泄漏點(diǎn)有4 處，其中動(dòng)密封泄漏點(diǎn)有2 處，分別是動(dòng)靜環(huán)端面、動(dòng)環(huán)密封圈；靜密封泄漏點(diǎn)有2 處，分別是靜環(huán)密封圈、壓蓋與壓蓋之間密封圈。前3 處泄漏點(diǎn)發(fā)生泄漏時(shí)現(xiàn)象相同，高壓密封油會(huì)向外側(cè)泄漏到三級(jí)安全密封里面，PLAN 52方案中安全密封罐觸發(fā)液位高報(bào)報(bào)警，由于丙烯汽化會(huì)造成安全密封罐壓力升高，同時(shí)增壓活塞標(biāo)尺上移，觸發(fā)低報(bào)報(bào)警。后1 處泄漏點(diǎn)發(fā)生泄漏時(shí)高壓密封油會(huì)沿著壓蓋與壓蓋之間的縫隙泄漏至環(huán)境中，在現(xiàn)場(chǎng)可以觀察到泄漏現(xiàn)象，導(dǎo)致增壓活塞標(biāo)尺上移，觸發(fā)液位低報(bào)報(bào)警。

3.3 三級(jí)密封泄漏點(diǎn)

三級(jí)密封關(guān)鍵泄漏點(diǎn)有4 處，其中動(dòng)密封泄漏點(diǎn)有2 處，分別是動(dòng)靜環(huán)端面和動(dòng)環(huán)密封圈。靜密封泄漏點(diǎn)有2 處，分別是靜環(huán)密封圈、壓蓋與壓蓋之間密封圈。前3 處泄漏點(diǎn)發(fā)生泄漏時(shí)現(xiàn)象相同，密封腔里面的潤(rùn)滑油從軸套和壓蓋之間泄漏到環(huán)境中，PLAN 52 沖洗方案中安全密封罐液位下降，觸發(fā)液位低報(bào)報(bào)警，后1 處泄漏點(diǎn)發(fā)生泄漏時(shí)密封腔里面的密封油會(huì)沿著壓蓋與壓蓋之間縫隙泄漏至環(huán)境中，現(xiàn)場(chǎng)可以觀察到泄漏現(xiàn)象，同時(shí)PLAN 52 沖洗方案中安全密封罐液位下降，觸發(fā)液位低報(bào)報(bào)警。

3.4 其他密封泄漏點(diǎn)

其他密封關(guān)鍵泄漏點(diǎn)有2 處位于軸套處，分別是軸套內(nèi)靠近介質(zhì)側(cè)密封圈和靠近大氣側(cè)密封圈。介質(zhì)內(nèi)側(cè)密封圈發(fā)生失效泄漏時(shí)，內(nèi)部丙烯介質(zhì)會(huì)沿軸套和軸之間縫隙向外泄漏、進(jìn)入三級(jí)密封腔，導(dǎo)致PLAN 52 方案中安全密封罐壓力升高，液位觸發(fā)高報(bào)報(bào)警。如果大氣側(cè)軸套密封圈失效，三級(jí)密封腔內(nèi)密封液會(huì)沿軸套和軸之間縫隙泄漏至環(huán)境中，安全密封罐液位下降，最終觸發(fā)液位低報(bào)報(bào)警。

4 國(guó)產(chǎn)化機(jī)械密封失效原因及改進(jìn)

4.1 軸套介質(zhì)側(cè)密封圈失效原因及改進(jìn)

（1）密封圈失效現(xiàn)象。設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，PLAN 52 沖洗方案中的安全密封罐壓力有持續(xù)上升趨勢(shì)，液位監(jiān)測(cè)也出現(xiàn)了直線變成鋸齒型液位波動(dòng)?，F(xiàn)場(chǎng)檢查PLAN 53C 增壓活塞，沒(méi)有波動(dòng)且封油壓力沒(méi)有變化，判斷PLAN 53C 密封不存在失效問(wèn)題。介質(zhì)沒(méi)有通過(guò)端面密封泄漏至PLAN 52 抑制密封，現(xiàn)場(chǎng)關(guān)閉PLAN 52 沖洗系統(tǒng)的排火炬閥門(mén)，安全密封罐壓力顯示有持續(xù)上升趨勢(shì)，壓力從20 kPa 開(kāi)始，10 min 后上升至30 kPa。經(jīng)過(guò)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)和圖紙分析，懷疑介質(zhì)側(cè)軸套密封圈存在問(wèn)題。通過(guò)裝置窗口檢修查找機(jī)封泄漏原因，密封解體后發(fā)現(xiàn)，軸套介質(zhì)側(cè)密封圈出現(xiàn)脫層、斷裂、融解、飛邊等現(xiàn)象。

（2）失效原因分析。由于軸套介質(zhì)側(cè)密封圈存在缺陷，導(dǎo)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(jìn)入到PLAN 52 抑制密封中來(lái)，由于部分液相丙烯會(huì)在安全密封罐中汽化，從而導(dǎo)致安全密封罐壓力持續(xù)升高，密封罐液位上升且波動(dòng)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪，軸徑實(shí)際值為Φ34.925 mm，軸套內(nèi)孔尺寸按照前期進(jìn)口圖紙Φ35mm 的軸徑進(jìn)行設(shè)計(jì)，裝密封圈處軸套尺寸為Φ35.5 mm。軸套內(nèi)孔與軸的間隙過(guò)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(nèi)、引起損壞泄漏。

（3）改進(jìn)措施：①重做軸套，將軸套內(nèi)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(jí)，由于PLAN 32 沖洗存在低溫情況，接觸介質(zhì)側(cè)密封圈還是使用FKM，軸套第二根密封圈由原來(lái)的氟橡膠升級(jí)為FFKM5，改造后軸套密封圈再未出現(xiàn)失效情況。

4.2 三級(jí)密封環(huán)失效原因及改進(jìn)

（1）密封環(huán)失效現(xiàn)象。在運(yùn)行一段時(shí)間，出現(xiàn)PLAN 52 方案外側(cè)安全密封白油泄漏到環(huán)境中的情況，同時(shí)安全密封罐液位觸發(fā)低報(bào)報(bào)警。利用窗口檢修時(shí)對(duì)密封進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)密封整體外觀干凈，一、二級(jí)密封正常，無(wú)明顯損壞的痕跡，三級(jí)密封端面出現(xiàn)明顯皰疤情況，其他未見(jiàn)異常。

（2）密封失效原因分析。大氣側(cè)安全密封出現(xiàn)滴漏，拆解實(shí)物后發(fā)現(xiàn)，密封大氣側(cè)石墨環(huán)端面皰疤嚴(yán)重。檢測(cè)分析石墨環(huán)材料為含有熱固樹(shù)脂的碳密封石墨材料，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中密封面局部發(fā)熱，造成材料中的樹(shù)脂溢出。在機(jī)械密封運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，動(dòng)靜密封環(huán)緊密貼合旋轉(zhuǎn)并互相摩擦，產(chǎn)生的熱量使接觸面局部溫度上升，當(dāng)溫度超過(guò)碳石墨環(huán)中樹(shù)脂的固化溫度時(shí)，樹(shù)脂會(huì)軟化并從石墨環(huán)摩擦面溢出，同時(shí)產(chǎn)生揮發(fā)性氣體，破壞原有的密封狀態(tài)形成皰疤、導(dǎo)致密封泄漏失效。

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

5 結(jié)論

聚丙烯裝置小環(huán)軸流泵機(jī)封國(guó)產(chǎn)化過(guò)程中，存在設(shè)計(jì)不合理、測(cè)繪錯(cuò)誤、材料選擇不恰當(dāng)?shù)炔焕蛩?，?duì)于首次使用國(guó)產(chǎn)化機(jī)封的裝置存在一定安全隱患。國(guó)產(chǎn)化后的三端面集裝式機(jī)械密封通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化、材料升級(jí)，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行要求，有效提高日常機(jī)械密封的更換效率，同時(shí)具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。