聚丙烯装置A301机械密封的改造

聚丙烯装置A301机械密封的改造

密封装置是机器和设备的重要组成部分，密封的性能对机器的工作效率和可靠性有很大影响。中原乙烯聚丙烯装置是引进MONTAIL环管法生产技术，A301是位于丙烯闪蒸罐顶部的动力分离器，其作用是脱除闪蒸后丙烯气中夹带的聚丙烯粉末，它是聚丙烯工艺流程中的关键设备之一，该设备一旦出现故障，将造成整个装置停车。中原A301是意大利ZUCCHETTI公司出产的，1996年投入使用，前6个月运行一直不好，经常因为机封泄漏而停车检修，严重威胁着装置的平稳运行。我们通过对该设备进行进行系统地分析和核算，找出了故障的主要原因，使问题得到解决，现介绍如下。

1　密封系统简介

A301密封采用双端面机械密封，用白油作为封液。机械密封型号为909B(平衡型双端面机封，辅助密封圈是四氟楔型圈)。操作参数和密封系统如图1。

图1　A301密封系统示意图

有关操作参数：

A301转速1480r／min
闪蒸罐操作压力1.8MPa(G)，操作温度80℃
机封密封腔压力2.1MPa(G)，要求温度30℃
密封液冷却水进水压力0.45MPa(G),温度32℃
冷却水流量0.5m3／h

2　存在的问题及原因分析

在1996年的前后9次检修中，检查发现机封大气端动环磨损严重，因此造成机封失效的主要原因是大气端动环磨损太快，平均寿命为8天。期间虽检查了轴的直线度，更换了轴承，并多次调整机封轴套的装置，改变上下机封的压缩量，调整密封系统，仍未能使问题得到解决，严重影响了装置长周期运行。

造成机封端面很快磨损的原因很多，主要有：①密封端面间侵入外来杂质；②密封端面润滑不良；③机封动静环端面间做轴向开闭运动；④动环制造质量不好；⑤密封液量不够或者冷却效果不好，造成密封件温度过高；⑥大气端机封弹簧压缩量过大；⑦端面比压过大。我们根据多次开车和使用的情况，结合机封的设计、安装等各方面进行分析认为前四种原因的可能性比较小，因此对后三种原因进行分析。

(1)密封液循环量不够或者冷却效果不好，造成密封温度过高。工艺设计要求的冷却水进水压力0.45MPa(G)，而实际上，由于A301安装高度为32m，其密封液冷却的进水压力只有约0.15MPa(G)， 说明实际的冷却水循环量不可能达到设计的0.5m3／h， 就可能引起密封液温度过高，密封端面的摩擦热散热差，导致端面磨损过快。针对这一情况，这们检查了密封液的循环温度：密封液进口温度45℃，出口温度49℃，密封腔壁温度72℃(闪蒸罐操作温度80℃，导热所致)。实际测量的温度对所选用的密封环材料来说并不算高(动环为石墨，静环为碳化硅)，密封件温度过高的因素可以排除。(2)大气端机封弹簧压缩过大。从A301的结构上看，机封轴套应该位于密封腔的正中部位，但可以通过少量调整机封轴套与密封腔的相对位置来改变大气端机封和介质端机封的弹簧压缩量。为此在检修中我们试着多次检查调整轴套位置，使大气弹簧压缩量不同程度的减少，但大气端机封仍然磨损较快，最长运行时间为12天，并且调整后介质端机封较大磨损。因此这个原因也不是根本原因。

(3)端面比压过大。根据接触式端面密封的磨损理论，在机封设计合理的情况下，端面的磨损量与端面比压或成正比关系，如果端面比压过大，冷却效果又不好，还会导致密封间的摩擦热散不掉，进而导致密封面间液膜间歇汽化，增加密封面上的热应力，使端面磨损加剧。

测量原机封的相关结构尺寸如下(两端相同)：

动环端面外径D2＝82．5mm
动环端面内径D1＝70mm
平衡直径D0＝73mm
弹簧个数1
有效圈数12.5
弹簧尺寸D=6.5mm
d=0.9mm
已知密封腔压力 P腔=2.1MPa(G)
弹簧安装后的总压缩量x＝16.7mm
弹簧材质为碳钢，取弹性模量G=75000N/m2
密封液为油，根据设计手册推荐值取液膜反压系数λ=0.33～0.5
下面进行端面比压的计算。
动环端面面积S=15cm2
弹簧刚度k₁＝Gd⁴／8nD₃＝0．182kgf/mm
单个弹簧工作负荷F_弹＝K₁x＝3kgf
总的弹簧力F_总＝F_弹×12＝36kgf
弹簧比压P_弹＝F_总/S＝2．4kgf/cm²
载荷系数k＝(D₂²-D₀²)/(D²₂-D²₁)＝0．775
大气端介质作用压差P_大＝P_腔-P_外＝21kgf/cm²
介质端介质作用压差P_介＝P_腔-P_介＝3kgf/cm²
大气端机封端面比压P_大比＝P_端+P_介(k-λ)＝8．175～11．7 45kgf/cm²
介质端机封端面比压P_介比＝P_弹+P_介(k-λ)＝3．225～3．735 kgf/cm²

通过端面比压的计算可以发现，大气机封的端面比压远大于通常的端面比压范围3～5kgf/ cm²，而密封介质端的端面比压则在正常值的范围内。这说明厂商在选择机封时重点考虑了介质端密封，忽视了密封腔压力对大气端密封的影响。因此大气端机封端面比压过大应是A301机封大气端磨损严重的主要原因。

3　改造措施

针对A301机封大气端端面比压过大而磨损严重的问题，可以有多种改造方案，例如机封动静环采用更耐磨的材料、缩短大气端机封环座的轴向尺寸、缩短中间泵环的轴向尺寸、改变弹簧的尺寸、改变动环的端面尺寸并使载荷系数降低等，都是可以的。但是每种方案也都有不利的一面，如动静环采用更耐磨的材料并没有减少摩擦热；缩短大气端机封动环座的轴向尺寸可能给安装造成不便。

上述不同的改造方案各有利弊，为此我们同四川密封技术研究所共同研究分析，决定采用只改变环端面尺寸(两端一样)，使载荷系数降低的方案，并由四川密封技术研究所制造加工。这一改造方案有如下优点：

(1)动环是易损件，改变结构最经济，也较容易。
(2)保持两端动环尺寸一样以减少安装失误，降低载荷系数后，可使大气端密封的端面比压接近正常值。
(3)缩小动环的端面尺寸更利于动环与轴之间同心旋转，并对摩擦的传导有利。

经过多次试算和比较，并结合机封轴套、机封座等部件的结构尺寸，最终确定动环的端面 尺寸为：外径79.5cm，内径68.3cm。现核算如下：

动环端面面积S=12.8cm²
弹簧比压P_弹＝F_总/S＝2.8kgf/cm²
载荷系数k＝(D₂²-D₀²)／(D²₂-D²₁)＝0.599
大气端机封端面比压P_大比＝P_弹＋P_介(k-λ)＝4.85～ 8.4kgf/cm²
介质端机封端面比压P_介比＝P_弹＋P_介(k-λ)＝3.09～-3.6kg f/cm²

通过计算可以看到，改造后机封大气端的端面比压下限进入正常值范围，而介质端的端面 比压变动很小，也在正常值范围内。