立式搅拌釜机械密封的结构分析与改进

顾炳其

(中国石化上海石油化工股份有限公司涤纶部， 200540)

立式搅拌釜机械密封的结构分析与改进

顾炳其

(中国石化上海石油化工股份有限公司涤纶部， 200540)

立式搅拌釜R－21机械密封原设计采用双端面非平衡型多弹簧机械密封，带外置反冲洗装置和循环冷却液，由于高温导致密封圈失效和轴的大摆动导致密封面跳动大，使得原结构机械密封使用周期较短。2002年进行了增量改造，加长了搅拌轴，搅拌桨叶由二级改成三级，加大了轴的径向摆动，更加剧了机械密封的失效。对机械密封使用周期短的原因进行了深入分析，提出了改进方案并进行了实施，延长了使用周期。

机械密封 失效 改进 效果

立式搅拌釜R－21是中国石化上海石油化工股份有限公司涤纶部200 kt/a钟纺聚酯生产流程中的关键设备，从日本引进，1983年投产，釜腔压力为0.07 MPa，温度290℃左右。该反应釜带有立式搅拌装置，包括电机、减速箱、机械密封轴与搅拌轴。搅拌轴为悬臂式，悬臂长度达到4 000 mm，为二级搅拌桨叶，搅拌轴转速为200 r/min。搅拌轴密封采用的是Φ180 mm双端面非平衡型机械密封，有外置的反冲洗装置，冲洗液为乙二醇。机械密封轴上有冷却夹套，在运行中机械密封失效是该反应釜的主要故障。2002年装置进行了增量改造，生产能力从200 kt/a扩能到370 kt/a。立式搅拌釜R－21是生产线上第一酯化反应釜，为了满足整条生产线增量改造，立式搅拌釜R－21筒体增加1 500 mm，同时搅拌轴也增加1 500 mm。搅拌轴悬臂长达5 500 mm，再加上机械密封轴法兰端面到轴承支撑点为1 000 mm，使得搅拌轴下端到轴承支撑点总长达6 500 mm，为三级搅拌桨叶。仅靠机械密封组件上端的两副角接触向心球轴承固支，底部无支撑轴承，轴的刚度相对较小，搅拌轴工作时轴下端摆动比原来更大，导致下端机械密封的径向跳动很大，下端机械密封又靠近高温区，使机械密封的失效问题更严重，因此解决机械密封失效问题以方便检修至关重要。

1 聚酯生产线非计划停车故障情况

200 kt/a(改造后为370 kt/a)钟纺聚酯共有6条生产线，每条生产线上主要设备有5台反应器、4台熔体齿轮泵及3套真空泵系统，2000－2006年，共发生6次引起检修的设备故障，其中R－21反应釜故障所占比例见表1。

表1 设备故障引起生产线停车检修统计

由表1可知，R－21反应釜引起的故障在钟纺聚酯装置故障次数中的比例达到67%，常见故障为机械密封泄漏失效。上端面机械密封失效导致反冲洗液外漏到轴承导致轴承损坏，而漏到高温釜体上则引起火灾;下端面机械密封失效则反冲洗液内漏到釜内导致工艺无法控制。一旦出现严重故障，就要进行釜内物料排空、清洗、降温、机械密封修复、再组装、升温等复杂的检修工程，检修时间很长。

2 原装机械密封结构在增量改造后的失效分析

2.1 原装机械密封结构

原装机械密封结构见图1所示。该设计采用Φ180 mm双端面非平衡型多弹簧机械密封，无轴套直接安装在轴上。轴上开冷却槽，槽内焊接了一只长200 mm，壁厚10 mm的冷却夹套，夹套上开孔使冷却液进入轴的槽内，对机械密封进行冷却。密封腔体上开有两个冲洗冷却孔，冲洗液下进上出。此外，密封腔体上还有一个冷却腔体，通过冷循环却水对腔体降温。机械密封轴下端法兰联接搅拌轴，上端联接减速箱，整个搅拌与机械密封的支撑为两副角接触向心球轴承。

图1 原装机械密封结构

2.2 增量改造后机械密封失效分析

原装机械密封在反应釜未增量改造时故障也较多，而R－21反应釜增量改造后故障更频繁、使用寿命更短，为此对密封失效的原因进行具体分析。

(1)该机械密封采用双端面非平衡型多弹簧机械密封。改造后机械密封与搅拌轴总长达到6 500 mm，轴径向摆动更大，动静环摩擦副跳动增加;下端多弹簧机械密封追随性较差，下端辅助密封圈在高温条件容易失效，在高温与径向摆动双重作用下机械密封使用寿命短。

(2)机械密封离高温区较近、传热路径短，因此原结构在轴上设计了冷却夹套腔体，但是这样直接导致轴的刚性变差。

(3)原设计为两副NSK 7236A角接触向心球轴承，考虑到轴承润滑问题，因此采取了面对面安装，此安装导致轴承的支撑距离短，轴的摆动大，影响机械密封寿命。

(4)壳体夹套冷却下部腔体较小，冷却不充分。冷却液面较低，容易引起上端机械密封冷却和润滑不充分。

(5)原机械密封的检修维护必须对釜进行置换清洗后才能进行，因此极不方便。

(6)底部无支撑轴承，轴的刚度相对较弱，釜工作时轴下端摆动较大，导致下端机械密封的径向跳动变大。

2.3 确保机械密封运行平稳及方便检修的改进措施

2.3.1 改进轴径向载荷

考虑到轴的刚性、受力问题及降低悬臂梁的摆动，选用径向载荷性能好的轴承型号，以两副NSK HR32040XJ圆锥滚子轴承替代原两副NSK 7236A角接触向心球轴承。为了进一步增加轴的刚性，改善密封环境，轴承采取背对背的安装方式，以达到增加支撑距离，减小轴的摆动的目的;为了保证轴承的润滑，在两轴承之间增加导油环，使润滑油通过导油环向两轴承分配，保证润滑充分。轴的悬臂下端增设一个辅助支撑轴承，降低搅拌轴的振摆值，改善机械密封运行条件。轴承载荷能力由表2可知，负载能力得到很大提高。

表2 轴承载负能力对照 N

2.3.2 增加冷却效果

机械密封设置于轴承下部，离高温釜体较近，因此在保留原来的两套冷却系统基础上增大冷却腔体，壳体在保证强度的情况下要尽量薄，从而能够迅速带走热量。改善密封部位的工作环境，润滑冷却密封介质的出口设置应该高于上密润滑液进口(见图2)，使整个密封系统润滑冷却充分。

图2 改进后的机械密封结构

2.3.3 增加机械密封轴刚性，取消冷却槽夹套

经分析认为，原轴结构上的冷却槽夹套设置不合理，在直径为Φ180 mm，转速为200 r/min，线速度为1.9 m/s的条件下冷却槽夹套内腔起不了作用，冷却液不可能从进口入从出口出，降低了轴性能，并且在夹套焊接处产生疲劳裂纹，此时夹套处实际工作轴径为140 mm(轴槽腔体加夹套壁厚)，轴性能进一步降低，工作风险很大。另外壳体上已经采取了增加冷却效果的措施，因此取消轴冷却夹套，消除夹套焊接处产生疲劳裂纹造成密封内漏及轴性能降低的问题，改善轴的工艺性与性能，尺寸设计保证原有安装尺寸不变。取消了冷却夹套，加工工艺性能更好，轴强度和刚度得到改善［1］。根据轴强度和刚度计算式可知，在其他条件相同情况下，轴的强度和刚度与轴径正相关，所以不再进行强度和刚度计算。

2.3.4 改进机械密封结构

由于机械密封下端面相对刚性差、温度高，因此将下端面机械密封设计成金属波纹管密封，保证机械密封有较强的追随性并能耐高温，使辅助密封的结构变化，形式多样。同时远离高温区，特别是补偿环O型圈静置于上部，密封环轴向移动时影响不到O型圈密，密封性能好，充分保证机械密封整体长周期运行。

由于上端面机械密封离轴承较近，刚性较好，同时远离高温区，有较好的密封环境，使机械密封长周期运行成为可能，因此将上端面机械密封设计成多弹簧平衡型机械密封。

2.3.5 改进组成集装式机械密封的结构

原密封装置检修维护性差，机械密封直接在轴上组装，合格率低、反复多，因此将机械密封、轴承和壳体等组装成集装式机械密封。具体措施是设计一个长轴套，将机械密封组件、轴承及密封腔体等与它组装在一起，组成集装式机械密封，组装好的密封装置经静态与动态试车合格后，检修时整体安装，保证密封质量，并在较短时间内完成。

2.3.6 设置方便检修的密封装置与支撑结构

考虑到检修过程中希望仅更换机械密封，不对釜进行置换清洗，以减少化工原料损失并能在较短时间完成检修，因此增设了方便检修的密封装置与支撑结构。具体方法是在釜口法兰上设计一锥面作为检修密封座(见图2)，检修维护时不用拆卸，并设计一个检修密封体及分瓣支撑环，让密封体固定于轴上。其工作原理是，工作时密封体与密封座分离并随轴转动;停车检修时，松开上部锁紧螺母后，检修密封体随轴及搅拌轴在重力作用下自动下移，使密封体与密封座接触并支撑于密封座上，使其达到常压密封，以利于后续检修。密封锥面的设计应充分考虑初始密封状态的形成，保证有效密封。

3 机械密封的设计计算［2］

改造后密封结构已改变，对几个主要参数进行校验计算，确定改进后的机械密封达到改进要求，特别是PcV值是衡量机械密封性能的重要指标，必须符合密封材料的许用(PcV)p值。

3.1 上端面机械密封的设计计算

3.1.1 弹簧比压

弹簧比压的作用在于当介质压力很小或者波动时仍能维持一定的端面比压，使介质不致泄漏;同时保证主机在起动、停车时密封端面能紧密贴合。此外它还用于克服补偿环辅助密封圈与相关元件表面的摩擦阻力，使补偿环能追随端面的磨损沿轴向移动。

弹簧比压Ps的计算见式(1):

式中:Fs——总弹簧力，N;

D1、D2——密封面内、外径，mm;

Ps——弹簧比压，取值的范围根据经验确定，介质压力低，则取低值。

根据式(1)计算可得Ps为0.12 MPa。

3.1.2 端面比压

端面比压是机械密封的关键因子，若端面比压过大，易使密封摩擦副出现干摩擦工况，使端面磨损加剧;若端面比压过小，则因泄漏过大导致密封失效。端面比压Pc的计算见式(2)～(4):

式中:Pc——端面比压;

PL——冷却冲洗介质压力与大气压之差，0.4 MPa;

K——载荷因子，平衡型K＜ 1;

λ——反压因子，不仅与密封端面尺寸有关，而且与介质黏度有关，乙二醇属于低黏度不易挥发介质，对内装式密封一般取0. 5;

D1、D2——密封面内、外径，mm;

d0——平衡直径，214 mm。

计算得到Pc=0.23 MPa

3.1.3 校验PcV值

PcV值是衡量机械密封性能的重要指标之一，它作为耐热性和耐磨性的指标，其值大小与密封润滑状态、摩擦副的材质、各端面表面粗糙度和介质黏度等密切相关。PcV值的计算式见式(5):

式中:n为轴的转速，200 r/min。

而PcV应不大于密封材料的许用PcV值即(PcV)p，根据式(5)计算可得PcV值为0.53，小于(PcV)p值14.7，满足设计要求。

3.2 下端面机械密封的设计计算

3.2.1 弹簧比压

弹簧比压的计算方法同上，只是这里用波纹管代替小弹簧。波纹管既可以提供弹力，也可以代替O圈起密封作用。根据式(1)计算:

式中:Fs——总弹簧力，250 N左右;

Ps取值的范围根据经验确定，介质压力低时取小值，因为波纹管与轴套不接触，所以不需要克服摩擦力，弹簧比压可以取得比较小。

计算可得Ps为0.08 MPa。

3.2.2 端面比压

端面比压的计算方法见式(2)～(4)，此处的波纹管机械密封为平衡型。

PL为冷却冲洗介质压力与釜腔压差为0.4－0.07=0.33 MPa;平衡型K=0.836＜ 1;波纹管的平衡直径有多种计算方法［2］，d0=230.5，计算得到，Pc=0.15 MPa

3.2.3 校验PcV值

Pc为0.15 MPa，根据式(5)，

4 改进前后机械密封运行情况比较

立式搅拌釜R－21运行中原机械密封有较多难以克服的缺点，特别反应釜增量改造后问题更严重，存在着高温条件下辅助密封圈使用寿命短，搅拌轴的摆振大，下端机械密封的径向跳动较大，壳体夹套冷却下部腔体较小，冷却不充分，轴冷却夹套产生裂纹等问题，只能对釜进行置换清洗后才能抢修，严重影响装置正常生产。而改进后的R－21机械密封克服了以上缺点。表3是经改进后对6条生产线生产运行进行的一些技术统计。

表3 改进前后机械密封运行比较

从表3中可以看出，尽管经过多个生产周期运行，改进后立式搅拌釜R－21机械密封没有出现一次故障。达到了改造目的，效果非常好。

5 结论

通过对立式搅拌釜R－21机械密封进行改造，消除了原机械密封缺点。改造后立式搅拌釜运行状况良好，机械密封一直处于非常稳定状态，使用周期也由原来的平均8个月提高到连续使用3 a以上，从2007年到目前为止没有出过一次停车检修故障，为生产的正常运行提供了保障，为企业降本增益打下了坚实的基础。

［1］ 关天地，王淑兰，林基明，等．轴及其连接［M］//成大先．机械设计手册:第2卷．4版．北京:化学工业出版社，2004．

［2］ 王德涛，韩学铨，柯蕊珍．润滑与密封［M］//成大先．机械设计手册:第3卷．4版．北京:化学工业出版社，2004．

Structure Analysis and Improvement of Mechanical Seal of Vertical Agitator

Gu Bingqi
(Polyester Division，SINOPEC Shanghai Petrochemical Co．，Ltd．200540)

The original design of mechanical seal of vertical agitator R－21 adopted double end face unbalanced type multi－spring mechanical seal with outboard backwash system and circulating cooling fluid．Due to the failure of seal ring caused by high temperature and heat of sealing face caused by shaft swing，the life cycle of such kind of mechanical seal is short．After the incremental transformation in 2002，the mixer shaft was lengthened，and the stirring blades were changed from two stages to three stages to increase radial swing of shaft，which accelerated the failure of mechanical seal．Based on deep analysis of short life cycle of mechanical seal，improvement measures were raised and put into practice to extend the life cycle．

mechanical seal，failure，improvement，effectiveness

1674－1099 (2012)04－0050－05

TB42

A

2012-06-13。

顾炳其，男，1957年出生，1981年毕业于上海石油化工中等专业学校化纤专业，助理工程师，现从事设备管理工作。