摘要：對某廠催化劑反應釜密封系統(tǒng)失效的原因進行了分析,結合釜用密封特點將機械密封改為填料密封,并對設備工藝進行了改進,解決了設備無法正常運行、配件消耗費用高和檢修勞動強度大等問題。

　　關鍵詞：反應釜;機械密封;泄漏;盤根密封

　　催化劑反應釜是催化劑擇形分子篩裝置生產(chǎn)中的關鍵設備,物料由上部一次性或間歇加入釜內,在攪拌機的作用下,迅速地混合并進行成膠、晶化2 個反應過程。因此,反應釜運行的好壞決定了產(chǎn)品的產(chǎn)量和質量。反應釜的攪拌裝置是其核心部件,直接影響2 個化學反應的進程。釜內物料湍流強度大,為防止介質泄漏,在反應釜主軸上裝有機械密封裝置,密封失效可導致物料泄漏,嚴重影響設備的平穩(wěn)運行。

　　某催化劑廠一套分子篩反應釜4 在2007-08 ～2007-11 、 2008-07 ～ 2008-08 頻繁發(fā)生機械密封泄漏和損壞,月平均出現(xiàn)機械密封泄漏故障4 次，嚴重時設備無法運行,有時甚至啟動一次修理一次,造成設備配件消耗及人力維修成本大幅增加,直接影響裝置生產(chǎn)的順利進行。為此,筆者參考文獻[ 1 ～ 12] 對其進行了失效分析和改造,文中介紹對該反應釜用密封故障頻發(fā)的原因分析、采取的改進措施以及改造效果。

　　1　反應釜密封系統(tǒng)失效分析

　　1. 1　機械密封結構

　　反應釜4 的原裝機械密封為 207 系列雙端面機械密封，結構見圖1。反應釜采用的機械密封包括彈簧加荷裝置、動環(huán)、靜環(huán)及輔助密封圈4 部分,有3 個靜密封工作面和 1 個動密封工作面: ①反應釜機械密封靜環(huán)與靜環(huán)座之間的密封,是反應釜的靜密封,一般采用具有彈性的輔助密封圈防止泄漏。②反應釜機械密封靜環(huán)座與設備之間的密封,也是反應釜的靜密封,采用普通墊片就能夠實現(xiàn)密封要求。 ③反應釜機械密封動環(huán)和軸( 軸套) 之間的密封也是一個相對靜止的密封,常用O 型圈來密封。 ④反應釜機械密封靜環(huán)與動環(huán)間相對旋轉密封,屬于動密封,是依靠彈簧加載裝置和介質壓力,在相對旋轉的靜環(huán)和動環(huán)間的接觸面( 端面) 上產(chǎn)生一個合適的壓緊力,使這兩個光潔、平直的端面緊密貼合,端面間維持一層極薄的流體而達到密封的目的。

　　圖 1　雙端面機械密封結構示圖

　　1. 2　機械密封泄漏現(xiàn)狀

　　對反應釜機械密封進行拆檢,發(fā)現(xiàn)動、靜環(huán)嚴重磨損甚至破裂,多處密封圈燒損老化。雙端面機械密封有7 處密封圈( 機械密封套與軸肩處密封圈120 mm 、密封腔與罐頂處密封圈 160 mm 、2 組動環(huán)密封圈140 mm 、靜環(huán)密封圈 165 mm 、兩機械密封接縫處密封圈 220 mm 、軸承大蓋與機械密封盒處密封圈 280 mm、機械密封與罐頂密封處密封圈 240 mm),其中有 5 處( 1 處 160 mm 、2 處140 mm 、2處 220 mm) 密封圈經(jīng)常失效,反復拆卸使得動、靜環(huán)的密封面碰傷或破壞,嚴重時造成一個月更換一次機械密封總成。

　　機械密封失效后,造成油箱的壓力忽高忽低,壓力不穩(wěn)定經(jīng)常使油外泄或者回流到罐內介質中,污染工作環(huán)境或破壞物料反應性質,造成產(chǎn)品質量不合格。

　　機械密封與軸承箱為一體,由于罐內與密封腔的壓差作用,機械密封失效后,常使物料進入軸承盒中,腐蝕和損壞軸承,造成設備無法正常運行。

　　另外,檢修和更換反應釜4 雙端面多彈簧的機械密封難度系數(shù)大,每次都需要將攪拌軸上的軸承拆掉后才能檢修機械密封故障或更換機械密封,從而增加了配件費用的消耗和檢修人員的勞動強度,增大了設備維護成本。

　　1. 3　故障原因

　　207 型機械密封系軸向雙端面平衡型,具有多彈簧、外流、傳動套傳動的特點。雙端面機械密封是2 套單密封按照方向相同或相反方式布置的一種密封方案。密封中的阻塞液體壓力高于工藝流體壓力和大氣側壓力,因而可避免工藝流體外漏。其應用于極為危險的場合,防止劇毒、有害、易燃、易爆介質的泄漏。由于靠近大氣側密封的端面壓差較大,所以很多雙端面密封的介質側布置非平衡型密封而大氣側布置平衡型密封。在采用雙端面機械密封時,應考慮封油系統(tǒng)的壓力源與動力源,其目的是使封油系統(tǒng)實現(xiàn)高壓阻隔和冷卻循環(huán)流動兩方面的功能。但是雙端面機械密封對軸的竄動量和徑向跳動有較高的要求, 一般的釜用雙端面機械密封要求軸的軸向竄動不大于0. 5 mm ,徑向跳動不大于0 . 5 mm ,安裝機械密封的法蘭與軸線垂直度不大于0. 05 mm ,安裝機械密封部位的軸公差為 h8 ,表面粗糙度 Ra 為1.6 μ m。這些要求在反應釜 4 上不太容易實現(xiàn)。此外,攪拌軸在罐內攪拌物料,軸與底護套之間存在間隙,使軸的軸向竄量和徑向跳動增大,極易造成端面機械密封磨損。機械密封泄漏導致物料泄漏,釜內壓力降低,直至設備停止運行。

　　1. 3. 1　機械密封失效原因

　　( 1) 此釜用機械密封處于氣相空間中( 只有物料為滿釜時才是液相),易出現(xiàn)干運轉。

　　( 2) 介質在釜內進行化學反應,其壓力、溫度和物料的形態(tài)等都隨時間變化,在壓力循環(huán)和冷熱循環(huán)的作用下,密封端面易產(chǎn)生變形。

　　( 3) 在釜內的高溫條件使用時,由于熱傳導的作用使其溫度上升,引起摩擦面的液膜汽化,產(chǎn)生干運轉,并促進腐蝕,加速輔助密封圈老化,致使密封性能在短期內惡化。

　　( 4) 攪拌軸長徑比大,運行中會產(chǎn)生一定的擺動量,這會影響動、靜環(huán)端面的貼合,導致泄漏。在反應釜的運行過程中,攪拌器槳葉和物料之間的相對運動所產(chǎn)生的渦流也會引起攪拌軸的振動,進而影響動、靜環(huán)端面的貼合,造成機械密封的泄漏。這些泄漏會導致介質外泄,使密封系統(tǒng)失效,影響釜內成膠、晶化過程的同時造成環(huán)境污染。

　　( 5) 在安裝時若不能保證機械密封格蘭面與攪拌主軸的垂直度要求,安裝初期就會出現(xiàn)摩擦副不貼合的現(xiàn)象。相對于精度較高的機械密封,攪拌軸的擺動、振動不能滿足穩(wěn)定密封的要求,而機械密封干摩擦后產(chǎn)生的高溫則會加劇密封圈的老化。

　　1. 3. 2　機械密封泄漏征兆判斷

　　在反應釜壓力正常的條件下,油箱液面高出總液位2/3 甚至滿液位時,出現(xiàn)氣泡,罐內的壓力大于密封腔的壓力,說明上機械密封的密封圈失效,嚴重時會造成潤滑油泄漏,污染檢修現(xiàn)場環(huán)境。

　　油箱液面低或潤滑油回流到介質中時,若罐內壓力小于密封腔壓力,潤滑油泄漏,說明上機械密封密封圈失效。若油箱液面越來越低,潤滑油內漏,判斷為下機械密封密封圈失效造成泄漏,潤滑油回流到罐內介質中,污染物料,影響產(chǎn)品質量。油箱內供油設備( 泵) 磨損后,供油量不足,壓力一般在 0. 5 ～0. 6 MPa 時,造成密封腔壓力低于反應釜內壓力,在壓差的作用下,密封圈承受負荷大,說明下機械密封的密封圈失效,造成泄漏。

　　2　密封改造

　　與雙端面機械密封相比,盤根密封有一定的塑性,在壓緊力作用下能產(chǎn)生一定的徑向力并緊密與軸接觸。其次,盤根密封有足夠的化學穩(wěn)定性,不污染介質,填料不被介質泡脹,填料中的浸漬劑不被介質溶解,填料本身不腐蝕密封面,且其自潤滑性能良好,耐磨。軸存在少量偏心時,填料有足夠的浮動彈性。盤根密封制造簡單,安裝方便。因此,盤根密封能滿足反應釜4的密封要求。

　　2. 1　改造方案

　　改原機械密封為盤根密封,盤根密封主要取決于迷宮效應和軸封效應。其中迷宮效應是指軸表面在微觀下非常的不平整,與盤根只能部分貼合,而部分未接觸,所以在盤根和軸之間有微小間隙,像迷宮一樣,帶壓介質在間隙中多次被節(jié)流,從而達到密封的作用。軸封效應是指在盤根與軸之間存在著一層薄液膜,在盤根與軸之間起潤滑作用,從而避免了盤根和軸的過度磨損。因此,設計填料盤根結構,在原機械密封處安裝盤根箱( 圖 2),改造傳動結構。根據(jù)工藝條件和工序要求,研究反應釜 4 原軸和各配件的尺寸,分析多家反應釜密封圈的橡膠產(chǎn)品,通過試驗選取合適的密封圈。

　　圖 2　反應釜 4 盤根箱結構

　　在原有設備框架基礎上,設計加工填料密封結構,加工軸套、軸、盤根箱、壓蓋等相關配件。

　　此次改造中,將攪拌大軸加長300 mm ,在密封處留出足夠的填料密封位置,在罐頂部裝上盤根箱,然后再裝入軸承箱。如此,盤根泄漏發(fā)生后,潤滑油不會回流罐內而影響產(chǎn)品質量。由于采用填料密封裝置后,不需要供油系統(tǒng),因此拆除它可增大檢修作業(yè)空間,同時減少檢修程序的作業(yè)環(huán)節(jié),大幅降低勞動強度。

　　2. 2　改進工藝流程

　　為提高密封裝置的使用周期,在該生產(chǎn)裝置的反應釜4 、反應釜5 和反應釜2 、反應釜 3 之間增加一臺乳化機。增加乳化機后,反應釜 4 、反應釜 5 內的物料反應后經(jīng)乳化機高速剪切,分別輸送到反應釜2 以及反應釜 3中繼續(xù)進行反應。將原來在反應釜4 、反應釜5 罐內進行的成膠-晶化過程改成了只進行成膠反應過程,而晶化過程分別在反應釜2 、反應釜3 罐內進行,生產(chǎn)出的半成品由輸送泵直接輸入儲存罐中。這一工藝流程的改變使反應釜 4 、反應釜5 中的反應介質由正丁胺液體、硫酸鋁和化學水改變成了水玻璃、硫酸鋁、化學水,釜用填料密封和攪拌系統(tǒng)的腐蝕得到很大改善,可延長密封裝置的使用周期。

　　3　改造效果

　　以反應釜4 為例,改進工藝流程,將原機械密封更換為盤根密封,密封裝置的使用壽命和相關配件材料費消耗都取得了明顯的效果。

　　改造前的2008 年,由于機械密封配件是由原設計廠家提供貨源,常常存在供貨不及時的問題,再加上機械密封使用壽命短,造成了反應釜 4 有 4 個多月缺配件,設備無法運行。根據(jù)統(tǒng)計,反應釜 4 在2008 年共進行了 12 次維修,其中一次檢修的配件費用可達 4763. 96 元,全年配件費用共 57 167. 52元,造成間接產(chǎn)值損失大于90 萬元。

　　反應釜4 改造后已運行近2 a ,僅進行了2 次加盤根的泄漏故障處理。每年檢修費用可節(jié)省大約4.54 萬元,間接經(jīng)濟效益非?？捎^。此外,填料盤根密封泄漏故障檢修只需 1 人即可,且維修員工的勞動強度很低。

　　盤根密封在催化劑分子篩反應釜中的應用,實現(xiàn)了設備的長周期運行,降低了配件維護費用和維修員工的勞動強度,效果良好。這項改造在分子篩反應釜中有推廣意義。