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聚丙烯裝置A301機械密封的改造
時間:2005-07-02
密封裝置是機器和設備的重要組成部分，密封的性能對機器的工作效率和可靠性有很大影響。中原乙烯聚丙烯裝置是引進MONTAIL環管法生產技術，A301是位于丙烯閃蒸罐頂部的動力分離器，其作用是脫除閃蒸后丙烯氣中夾帶的聚丙烯粉末，它是聚丙烯工藝流程中的關鍵設備之一，該設備一旦出現故障，將造成整個裝置停車。中原A301是意大利ZUCCHETTI公司出產的，1996年投入使用，前6個月運行一直不好，經常因為機封泄漏而停車檢修，嚴重威脅著裝置的平穩運行。我們通過對該設備進行進行系統地分析和核算，找出了故障的主要原因，使問題得到解決，現介紹如下。
1 密封系統簡介
A301密封采用雙端面機械密封，用白油作為封液。機械密封型號為909B(平衡型雙端面機封，輔助密封圈是四氟楔型圈)。操作參數和密封系統如圖1。
圖1 A301密封系統示意圖
有關操作參數：
A301轉速1480r／min
閃蒸罐操作壓力1.8MPa(G)，操作溫度80℃
機封密封腔壓力2.1MPa(G)，要求溫度30℃
密封液冷卻水進水壓力0.45MPa(G),溫度32℃
冷卻水流量0.5m3／h
2 存在的問題及原因分析
在1996年的前后9次檢修中，檢查發現機封大氣端動環磨損嚴重，因此造成機封失效的主要原因是大氣端動環磨損太快，平均壽命為8天。期間雖檢查了軸的直線度，更換了軸承，并多次調整機封軸套的裝置，改變上下機封的壓縮量，調整密封系統，仍未能使問題得到解決，嚴重影響了裝置長周期運行。
造成機封端面很快磨損的原因很多，主要有：①密封端面間侵入外來雜質；②密封端面潤滑不良；③機封動靜環端面間做軸向開閉運動；④動環制造質量不好；⑤密封液量不夠或者冷卻效果不好，造成密封件溫度過高；⑥大氣端機封彈簧壓縮量過大；⑦端面比壓過大。我們根據多次開車和使用的情況，結合機封的設計、安裝等各方面進行分析認為前四種原因的可能性比較小，因此對后三種原因進行分析。
(1)密封液循環量不夠或者冷卻效果不好，造成密封溫度過高。工藝設計要求的冷卻水進水壓力0.45MPa(G)，而實際上，由于A301安裝高度為32m，其密封液冷卻的進水壓力只有約0.15MPa(G)， 說明實際的冷卻水循環量不可能達到設計的0.5m3／h， 就可能引起密封液溫度過高，密封端面的摩擦熱散熱差，導致端面磨損過快。針對這一情況，這們檢查了密封液的循環溫度：密封液進口溫度45℃，出口溫度49℃，密封腔壁溫度72℃(閃蒸罐操作溫度80℃，導熱所致)。實際測量的溫度對所選用的密封環材料來說并不算高(動環為石墨，靜環為碳化硅)，密封件溫度過高的因素可以排除。(2)大氣端機封彈簧壓縮過大。從A301的結構上看，機封軸套應該位于密封腔的正中部位，但可以通過少量調整機封軸套與密封腔的相對位置來改變大氣端機封和介質端機封的彈簧壓縮量。為此在檢修中我們試著多次檢查調整軸套位置，使大氣彈簧壓縮量不同程度的減少，但大氣端機封仍然磨損較快，最長運行時間為12天，并且調整后介質端機封較大磨損。因此這個原因也不是根本原因。
(3)端面比壓過大。根據接觸式端面密封的磨損理論，在機封設計合理的情況下，端面的磨損量與端面比壓或成正比關系，如果端面比壓過大，冷卻效果又不好，還會導致密封間的摩擦熱散不掉，進而導致密封面間液膜間歇汽化，增加密封面上的熱應力，使端面磨損加劇。
測量原機封的相關結構尺寸如下(兩端相同)：
動環端面外徑D2＝82．5mm
動環端面內徑D1＝70mm
平衡直徑D0＝73mm
彈簧個數1
有效圈數12.5
彈簧尺寸D=6.5mm
d=0.9mm
已知密封腔壓力 P腔=2.1MPa(G)
彈簧安裝后的總壓縮量x＝16.7mm
彈簧材質為碳鋼，取彈性模量G=75000N/m2
密封液為油，根據設計手冊推薦值取液膜反壓系數λ=0.33～0.5
下面進行端面比壓的計算。
動環端面面積S=15cm2
彈簧剛度k1＝Gd4／8nD3＝0．182kgf/mm
單個彈簧工作負荷F彈＝K1x＝3kgf
總的彈簧力F總＝F彈×12＝36kgf
彈簧比壓P彈＝F總/S＝2．4kgf/cm2
載荷系數k＝(D22-D02)/(D22-D21)＝0．775
大氣端介質作用壓差P大＝P腔-P外＝21kgf/cm2
介質端介質作用壓差P介＝P腔-P介＝3kgf/cm2
大氣端機封端面比壓P大比＝P端+P介(k-λ)＝8．175～11．7 45kgf/cm2
介質端機封端面比壓P介比＝P彈+P介(k-λ)＝3．225～3．735 kgf/cm2
通過端面比壓的計算可以發現，大氣機封的端面比壓遠大于通常的端面比壓范圍3～5kgf/ cm2，而密封介質端的端面比壓則在正常值的范圍內。這說明廠商在選擇機封時重點考慮了介質端密封，忽視了密封腔壓力對大氣端密封的影響。因此大氣端機封端面比壓過大應是A301機封大氣端磨損嚴重的主要原因。
3 改造措施
針對A301機封大氣端端面比壓過大而磨損嚴重的問題，可以有多種改造方案，例如機封動靜環采用更耐磨的材料、縮短大氣端機封環座的軸向尺寸、縮短中間泵環的軸向尺寸、改變彈簧的尺寸、改變動環的端面尺寸并使載荷系數降低等，都是可以的。但是每種方案也都有不利的一面，如動靜環采用更耐磨的材料并沒有減少摩擦熱；縮短大氣端機封動環座的軸向尺寸可能給安裝造成不便。
上述不同的改造方案各有利弊，為此我們同四川密封技術研究所共同研究分析，決定采用只改變環端面尺寸(兩端一樣)，使載荷系數降低的方案，并由四川密封技術研究所制造加工。這一改造方案有如下優點：
(1)動環是易損件，改變結構最經濟，也較容易。
(2)保持兩端動環尺寸一樣以減少安裝失誤，降低載荷系數后，可使大氣端密封的端面比壓接近正常值。
(3)縮小動環的端面尺寸更利于動環與軸之間同心旋轉，并對摩擦的傳導有利。
經過多次試算和比較，并結合機封軸套、機封座等部件的結構尺寸，最終確定動環的端面 尺寸為：外徑79.5cm，內徑68.3cm。現核算如下：
動環端面面積S=12.8cm2
彈簧比壓P彈＝F總/S＝2.8kgf/cm2
載荷系數k＝(D22-D02)／(D22-D21)＝0.599
大氣端機封端面比壓P大比＝P彈＋P介(k-λ)＝4.85～ 8.4kgf/cm2
介質端機封端面比壓P介比＝P彈＋P介(k-λ)＝3.09～-3.6kg f/cm2
通過計算可以看到，改造后機封大氣端的端面比壓下限進入正常值范圍，而介質端的端面 比壓變動很小，也在正常值范圍內
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