摘要：對(duì)某廠催化劑反應(yīng)釜密封系統(tǒng)失效的原因進(jìn)行了分析,結(jié)合釜用密封特點(diǎn)將機(jī)械密封改為填料密封,并對(duì)設(shè)備工藝進(jìn)行了改進(jìn),解決了設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行、配件消耗費(fèi)用高和檢修勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題。

　　關(guān)鍵詞：反應(yīng)釜;機(jī)械密封;泄漏;盤根密封

　　催化劑反應(yīng)釜是催化劑擇形分子篩裝置生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備,物料由上部一次性或間歇加入釜內(nèi),在攪拌機(jī)的作用下,迅速地混合并進(jìn)行成膠、晶化2 個(gè)反應(yīng)過程。因此,反應(yīng)釜運(yùn)行的好壞決定了產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。反應(yīng)釜的攪拌裝置是其核心部件,直接影響2 個(gè)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)程。釜內(nèi)物料湍流強(qiáng)度大,為防止介質(zhì)泄漏,在反應(yīng)釜主軸上裝有機(jī)械密封裝置,密封失效可導(dǎo)致物料泄漏,嚴(yán)重影響設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行。

　　某催化劑廠一套分子篩反應(yīng)釜4 在2007-08 ～2007-11 、 2008-07 ～ 2008-08 頻繁發(fā)生機(jī)械密封泄漏和損壞,月平均出現(xiàn)機(jī)械密封泄漏故障4 次，嚴(yán)重時(shí)設(shè)備無(wú)法運(yùn)行,有時(shí)甚至啟動(dòng)一次修理一次,造成設(shè)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(jìn)行。為此,筆者參考文獻(xiàn)[ 1 ～ 12] 對(duì)其進(jìn)行了失效分析和改造,文中介紹對(duì)該反應(yīng)釜用密封故障頻發(fā)的原因分析、采取的改進(jìn)措施以及改造效果。

　　1　反應(yīng)釜密封系統(tǒng)失效分析

　　1. 1　機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

　　反應(yīng)釜4 的原裝機(jī)械密封為 207 系列雙端面機(jī)械密封，結(jié)構(gòu)見圖1。反應(yīng)釜采用的機(jī)械密封包括彈簧加荷裝置、動(dòng)環(huán)、靜環(huán)及輔助密封圈4 部分,有3 個(gè)靜密封工作面和 1 個(gè)動(dòng)密封工作面: ①反應(yīng)釜機(jī)械密封靜環(huán)與靜環(huán)座之間的密封,是反應(yīng)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(yīng)釜機(jī)械密封靜環(huán)座與設(shè)備之間的密封,也是反應(yīng)釜的靜密封,采用普通墊片就能夠?qū)崿F(xiàn)密封要求。 ③反應(yīng)釜機(jī)械密封動(dòng)環(huán)和軸( 軸套) 之間的密封也是一個(gè)相對(duì)靜止的密封,常用O 型圈來(lái)密封。 ④反應(yīng)釜機(jī)械密封靜環(huán)與動(dòng)環(huán)間相對(duì)旋轉(zhuǎn)密封,屬于動(dòng)密封,是依靠彈簧加載裝置和介質(zhì)壓力,在相對(duì)旋轉(zhuǎn)的靜環(huán)和動(dòng)環(huán)間的接觸面( 端面) 上產(chǎn)生一個(gè)合適的壓緊力,使這兩個(gè)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(dá)到密封的目的。

　　圖 1　雙端面機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示圖

　　1. 2　機(jī)械密封泄漏現(xiàn)狀

　　對(duì)反應(yīng)釜機(jī)械密封進(jìn)行拆檢,發(fā)現(xiàn)動(dòng)、靜環(huán)嚴(yán)重磨損甚至破裂,多處密封圈燒損老化。雙端面機(jī)械密封有7 處密封圈( 機(jī)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(dòng)環(huán)密封圈140 mm 、靜環(huán)密封圈 165 mm 、兩機(jī)械密封接縫處密封圈 220 mm 、軸承大蓋與機(jī)械密封盒處密封圈 280 mm、機(jī)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(fù)拆卸使得動(dòng)、靜環(huán)的密封面碰傷或破壞,嚴(yán)重時(shí)造成一個(gè)月更換一次機(jī)械密封總成。

　　機(jī)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(nèi)介質(zhì)中,污染工作環(huán)境或破壞物料反應(yīng)性質(zhì),造成產(chǎn)品質(zhì)量不合格。

　　機(jī)械密封與軸承箱為一體,由于罐內(nèi)與密封腔的壓差作用,機(jī)械密封失效后,常使物料進(jìn)入軸承盒中,腐蝕和損壞軸承,造成設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行。

　　另外,檢修和更換反應(yīng)釜4 雙端面多彈簧的機(jī)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(jī)械密封故障或更換機(jī)械密封,從而增加了配件費(fèi)用的消耗和檢修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,增大了設(shè)備維護(hù)成本。

　　1. 3　故障原因

　　207 型機(jī)械密封系軸向雙端面平衡型,具有多彈簧、外流、傳動(dòng)套傳動(dòng)的特點(diǎn)。雙端面機(jī)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(cè)壓力,因而可避免工藝流體外漏。其應(yīng)用于極為危險(xiǎn)的場(chǎng)合,防止劇毒、有害、易燃、易爆介質(zhì)的泄漏。由于靠近大氣側(cè)密封的端面壓差較大,所以很多雙端面密封的介質(zhì)側(cè)布置非平衡型密封而大氣側(cè)布置平衡型密封。在采用雙端面機(jī)械密封時(shí),應(yīng)考慮封油系統(tǒng)的壓力源與動(dòng)力源,其目的是使封油系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高壓阻隔和冷卻循環(huán)流動(dòng)兩方面的功能。但是雙端面機(jī)械密封對(duì)軸的竄動(dòng)量和徑向跳動(dòng)有較高的要求, 一般的釜用雙端面機(jī)械密封要求軸的軸向竄動(dòng)不大于0. 5 mm ,徑向跳動(dòng)不大于0 . 5 mm ,安裝機(jī)械密封的法蘭與軸線垂直度不大于0. 05 mm ,安裝機(jī)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(yīng)釜 4 上不太容易實(shí)現(xiàn)。此外,攪拌軸在罐內(nèi)攪拌物料,軸與底護(hù)套之間存在間隙,使軸的軸向竄量和徑向跳動(dòng)增大,極易造成端面機(jī)械密封磨損。機(jī)械密封泄漏導(dǎo)致物料泄漏,釜內(nèi)壓力降低,直至設(shè)備停止運(yùn)行。

　　1. 3. 1　機(jī)械密封失效原因

　　( 1) 此釜用機(jī)械密封處于氣相空間中( 只有物料為滿釜時(shí)才是液相),易出現(xiàn)干運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　( 2) 介質(zhì)在釜內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),其壓力、溫度和物料的形態(tài)等都隨時(shí)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(nèi)的高溫條件使用時(shí),由于熱傳導(dǎo)的作用使其溫度上升,引起摩擦面的液膜汽化,產(chǎn)生干運(yùn)轉(zhuǎn),并促進(jìn)腐蝕,加速輔助密封圈老化,致使密封性能在短期內(nèi)惡化。

　　( 4) 攪拌軸長(zhǎng)徑比大,運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生一定的擺動(dòng)量,這會(huì)影響動(dòng)、靜環(huán)端面的貼合,導(dǎo)致泄漏。在反應(yīng)釜的運(yùn)行過程中,攪拌器槳葉和物料之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的渦流也會(huì)引起攪拌軸的振動(dòng),進(jìn)而影響動(dòng)、靜環(huán)端面的貼合,造成機(jī)械密封的泄漏。這些泄漏會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)外泄,使密封系統(tǒng)失效,影響釜內(nèi)成膠、晶化過程的同時(shí)造成環(huán)境污染。

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

　　1. 3. 2　機(jī)械密封泄漏征兆判斷

　　在反應(yīng)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(shí),出現(xiàn)氣泡,罐內(nèi)的壓力大于密封腔的壓力,說明上機(jī)械密封的密封圈失效,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成潤(rùn)滑油泄漏,污染檢修現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。

　　油箱液面低或潤(rùn)滑油回流到介質(zhì)中時(shí),若罐內(nèi)壓力小于密封腔壓力,潤(rùn)滑油泄漏,說明上機(jī)械密封密封圈失效。若油箱液面越來(lái)越低,潤(rùn)滑油內(nèi)漏,判斷為下機(jī)械密封密封圈失效造成泄漏,潤(rùn)滑油回流到罐內(nèi)介質(zhì)中,污染物料,影響產(chǎn)品質(zhì)量。油箱內(nèi)供油設(shè)備( 泵) 磨損后,供油量不足,壓力一般在 0. 5 ～0. 6 MPa 時(shí),造成密封腔壓力低于反應(yīng)釜內(nèi)壓力,在壓差的作用下,密封圈承受負(fù)荷大,說明下機(jī)械密封的密封圈失效,造成泄漏。

　　2　密封改造

　　與雙端面機(jī)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(xué)穩(wěn)定性,不污染介質(zhì),填料不被介質(zhì)泡脹,填料中的浸漬劑不被介質(zhì)溶解,填料本身不腐蝕密封面,且其自潤(rùn)滑性能良好,耐磨。軸存在少量偏心時(shí),填料有足夠的浮動(dòng)彈性。盤根密封制造簡(jiǎn)單,安裝方便。因此,盤根密封能滿足反應(yīng)釜4的密封要求。

　　2. 1　改造方案

　　改原機(jī)械密封為盤根密封,盤根密封主要取決于迷宮效應(yīng)和軸封效應(yīng)。其中迷宮效應(yīng)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(zhì)在間隙中多次被節(jié)流,從而達(dá)到密封的作用。軸封效應(yīng)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(rùn)滑作用,從而避免了盤根和軸的過度磨損。因此,設(shè)計(jì)填料盤根結(jié)構(gòu),在原機(jī)械密封處安裝盤根箱( 圖 2),改造傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。根據(jù)工藝條件和工序要求,研究反應(yīng)釜 4 原軸和各配件的尺寸,分析多家反應(yīng)釜密封圈的橡膠產(chǎn)品,通過試驗(yàn)選取合適的密封圈。

　　圖 2　反應(yīng)釜 4 盤根箱結(jié)構(gòu)

　　在原有設(shè)備框架基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)加工填料密封結(jié)構(gòu),加工軸套、軸、盤根箱、壓蓋等相關(guān)配件。

　　此次改造中,將攪拌大軸加長(zhǎng)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(rùn)滑油不會(huì)回流罐內(nèi)而影響產(chǎn)品質(zhì)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(shí)減少檢修程序的作業(yè)環(huán)節(jié),大幅降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

　　2. 2　改進(jìn)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(yīng)釜4 、反應(yīng)釜5 和反應(yīng)釜2 、反應(yīng)釜 3 之間增加一臺(tái)乳化機(jī)。增加乳化機(jī)后,反應(yīng)釜 4 、反應(yīng)釜 5 內(nèi)的物料反應(yīng)后經(jīng)乳化機(jī)高速剪切,分別輸送到反應(yīng)釜2 以及反應(yīng)釜 3中繼續(xù)進(jìn)行反應(yīng)。將原來(lái)在反應(yīng)釜4 、反應(yīng)釜5 罐內(nèi)進(jìn)行的成膠-晶化過程改成了只進(jìn)行成膠反應(yīng)過程,而晶化過程分別在反應(yīng)釜2 、反應(yīng)釜3 罐內(nèi)進(jìn)行,生產(chǎn)出的半成品由輸送泵直接輸入儲(chǔ)存罐中。這一工藝流程的改變使反應(yīng)釜 4 、反應(yīng)釜5 中的反應(yīng)介質(zhì)由正丁胺液體、硫酸鋁和化學(xué)水改變成了水玻璃、硫酸鋁、化學(xué)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(zhǎng)密封裝置的使用周期。

　　3　改造效果

　　以反應(yīng)釜4 為例,改進(jìn)工藝流程,將原機(jī)械密封更換為盤根密封,密封裝置的使用壽命和相關(guān)配件材料費(fèi)消耗都取得了明顯的效果。

　　改造前的2008 年,由于機(jī)械密封配件是由原設(shè)計(jì)廠家提供貨源,常常存在供貨不及時(shí)的問題,再加上機(jī)械密封使用壽命短,造成了反應(yīng)釜 4 有 4 個(gè)多月缺配件,設(shè)備無(wú)法運(yùn)行。根據(jù)統(tǒng)計(jì),反應(yīng)釜 4 在2008 年共進(jìn)行了 12 次維修,其中一次檢修的配件費(fèi)用可達(dá) 4763. 96 元,全年配件費(fèi)用共 57 167. 52元,造成間接產(chǎn)值損失大于90 萬(wàn)元。

　　反應(yīng)釜4 改造后已運(yùn)行近2 a ,僅進(jìn)行了2 次加盤根的泄漏故障處理。每年檢修費(fèi)用可節(jié)省大約4.54 萬(wàn)元,間接經(jīng)濟(jì)效益非常可觀。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(dòng)強(qiáng)度很低。

　　盤根密封在催化劑分子篩反應(yīng)釜中的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的長(zhǎng)周期運(yùn)行,降低了配件維護(hù)費(fèi)用和維修員工的勞動(dòng)強(qiáng)度,效果良好。這項(xiàng)改造在分子篩反應(yīng)釜中有推廣意義。