搅拌器机械密封损坏的原因及对策

刘彦伟

（河南省煤业化工集团中原大化公司)

搅拌器机械密封损坏的原因及对策

刘彦伟*

（河南省煤业化工集团中原大化公司)

对造成三聚氰胺料浆槽搅拌器机械密封损坏的原因进行了详细的分析，并进行了有关的技术改造，从而保证了搅拌器的稳定运行。

搅拌器机械密封泄漏原因分析技术改造

0 概述

中原大化公司的三聚氰胺装置在工艺上采用美国联合信号公司的高压尿素法生产工艺。三聚氰胺料浆槽搅拌器的作用是将生成的三聚氰胺料浆搅拌成均匀的悬浮液。而后，该悬浮液被送往三聚氰胺离心机处理，生成成品三聚氰胺。在这一生产过程中，搅拌器一旦发生故障，将会导致三聚氰胺料浆混合不均匀，从而致使三聚氰胺离心机的扭矩与电流升高，迫使三聚氰胺离心机停车，进而导致整个三聚氰胺装置低负荷运行。自三聚氰胺装置投产以来，大部分设备运行良好，但三聚氰胺料浆槽搅拌器却振动较大，导致搅拌轴的摆动也日趋增大，机封处搅拌轴的最大摆动量竟达到了3 mm，从而造成搅拌器的机械密封频繁损坏并泄漏。这一方面会污染环境，导致装置的排放环保指标超标，另一方面需对搅拌器机械密封频繁地检修，造成装置减负荷运行。因此，搅拌器机械密封损坏严重影响着整个三聚氰胺装置的稳定运行。为此，本文对导致搅拌器机械密封泄漏的原因进行了分析，并通过一定的技术改造彻底解决了这一制约三聚氰胺装置稳定运行的难题。

1 搅拌器设备简介及故障情况

三聚氰胺料浆槽搅拌器的参数如表1所示。

表1 搅拌器参数

搅拌器结构如图1所示。搅拌器机械密封组件如图2所示。

图1 改造前搅拌器结构

图2 机械密封组件

对搅拌器机械密封进行解体检查时发现，静环密封面上有几处较大的缺口，动静环密封表面均有深浅不一的沟槽。从机封结构上来看，其静环座（见图2中10）与密封腔之间没有止口定位结构（见图2），安装时静环座和轴套的同心度主要靠人工手动进行调整。对搅拌器进行对中复查并对电机进行单试，发现电机运转平稳，并无明显的振动。进而对配装设备三聚氰胺料浆槽的共振进行分析，认为直径为4 760 mm的料浆槽可能由于壁薄而刚性不足（壁厚仅为6 mm），从而引起共振。为此，在料浆槽内部增加了3条环形加强板来增加其刚性。经过这样的改造后虽然大大降低了搅拌器的振动，但仍然没有从根本上解决搅拌轴运行时摆动及机械密封损坏泄漏的问题。为此，对机械密封组件进行了如下改进:（1）改变静环的材质;（2）在静环座上增加了定位止口，以从结构上保证安装质量；（3）增大了静环的内径，以缓解搅拌轴摆动的影响。但是，这些措施仍然没能彻底改善搅拌器的运行情况，搅拌器机封的损坏仍然非常频繁。每次机封解体进行检修时都会看到动静环的磨损程度非常严重，动环承磨台被磨平，静环碎裂成几块，机封处轴套因受静环碎块的摩擦而被磨穿，机封处轴摆动量目测值为3～5 mm。通过对减速箱的解体检查还发现，减速箱处轴套向着叶轮侧内孔端口处存在宽约8 mm、深约0.5 mm的磨损痕迹。

2 机械密封损坏的原因分析

2.1 搅拌器振动及搅拌轴摆动

由于搅拌器配装的设备三聚氰胺料浆槽的设计壁厚较薄，设备的整体刚度不够，致使搅拌器在运行的过程中振动较大，减速箱处轴套与搅拌轴之间出现磨损，轴套与轴之间配合间隙较大，进而导致搅拌轴出现一定程度的摆动。此外，减速箱两支撑轴承距离太近，该处轴套太短，而且搅拌轴悬臂太长，搅拌轴挠度较大。后来虽然对设备进行了加强，但是搅拌轴与变速箱处轴套的间隙已经变大，搅拌轴运行时其摆动已经不可避免。随着搅拌器的继续运行，搅拌轴与轴套之间的磨损进一步增大，导致搅拌轴摆动量逐渐增大。搅拌轴过大的摆动进一步导致整台搅拌器的振动也越来越大，反过来，搅拌器的剧烈振动又加剧了减速箱轴套与搅拌轴的磨损并进一步促使摆动量增大。如此形成了恶性循环，最终导致机械密封频繁损坏泄漏。

2.2 静环座安装精度过低

由于静环座与密封腔之间没有定位结构，安装时静环与轴套（见图2中1）的同心度完全依靠检修人员自己的把握，因此其安装质量受人为因素的影响太大。同时，静环与轴套之间的间隙非常小，单边间隙仅为0.50 mm，因此，静环座的安装误差加上搅拌器轴过大的摆动量，静环很容易与轴套摩擦并被挤压碎裂，从而导致机械密封失效泄漏。

2.3 机械密封摩擦副所用材料不合理

原来的机械密封所用的摩擦副材料为碳石墨-碳化硅，属于软-硬材料配合。由于工作介质三聚氰胺料浆中含有颗粒状的三聚氰胺结晶体，易对软环即动环造成磨损，从而使机械密封失效造成泄漏。

3 技术改造

3.1 改造配装设备

针对三聚氰胺料浆槽刚度不够的问题，在其内部增加环形加强筋板。一是在设备内壁沿圆周焊接3层扁钢圈加强板，板厚16 mm，板宽126 mm，最下面一层距设备底部2 000 mm，3层加强板间距均为1 500 mm。对整个设备进行加强，可以防止运行时产生共振。二是在搅拌器法兰接管内端口周围的设备内壁上焊接一圆环形加强板（加强板上钻直径为12 mm的孔若干个，使加强板塞焊于设备内壁上），并在该加强板周围焊接若干竖筋，以增加搅拌器连接接管的刚度。

3.2 改变静环的尺寸

原静环设计内径为67 mm，配合的轴套外径为66 mm，两者之间的间隙单边为0.5 mm。针对搅拌器运行过程中搅拌轴摆动量过大、易挤压静环造成其碎裂的问题，将静环内径增大至68 mm，使两者之间的间隙单边增大至1.0 mm，以使静环缓解搅拌轴摆动的能力得到加强，避免搅拌轴非正常摆动时对静环的挤压。

3.3 改变动、静环的材料

原静环设计材料为碳化硅，其抗冲击韧性很差，脆性大，在搅拌轴的挤压下很容易碎裂。为此，将静环材料改为含钴量较大的碳化钨硬质合金，从而在一定程度上提高静环的抗冲击韧性。原动环设计材料为碳-石墨。由于介质中含有三聚氰胺颗粒，动环磨损严重，因此，将动环材料也改为碳化钨硬质合金，机械密封由软硬配合改为硬硬配合。

3.4 静环座止口定位

原静环座与轴套的同心度是依靠定位卡环（见图2中9）来调节的。定位卡环起着两个作用：一是安装时预设波纹管的压缩量；二是安装时通过它与锁紧环及静环座的相对位置来判断静环座与轴是否同心。当机械密封组件安装完毕后，需将定位卡环取出。由于轴套与轴之间、锁紧环与轴套之间均有间隙，单凭定位卡环和轴套与轴、锁紧环与轴套之间的相对位置来判断同心度其精度是不够的，再加上维修人员的目测误差，总误差至少在0.20～0.40 mm之间，安装精度难以保证。为此，对静环座的结构进行了改造，增加了凸台止口定位结构，密封腔壳体内壁与静环座止口间隙单边为0.05 mm，静环座密封垫改用“O”形环，直径3 mm。改造后的静环座结构如图3所示。

图3 改造后的静环座结构

3.5 加长轴套，降低挠度

针对变速箱两支撑轴承距离太近、轴套太短、搅拌轴悬臂太长，导致搅拌轴挠度太大的问题，对原变速箱轴套进行了改造。对原轴套端部内径进行加工，尺寸由原来的直径为55 mm增大为77 mm，并根据现场实际安装空间，测量确定新轴套的长度和其他尺寸，加工了一新轴套，所用材料为45钢，并将其与原轴套配合安装在一起，使其成为一个整体，从而降低搅拌轴的挠度（具体尺寸及连接方法见图4）。两轴套配合处采用过盈配合，过盈量为0.05 mm，热套安装，并在新轴套与旧轴套端面连接处沿圆周点焊4点以加大连接强度。新轴套端部沿圆周加工3个螺纹孔（均布），安装时用3颗M14的顶丝把轴与新轴套锁紧。锁紧轴套时要打表测量，保证轴套与轴的同心度。轴套锁紧后，3颗顶丝分别用螺母背紧，防止运行中顶丝脱落。在图1中可以看到，止推板和其中心螺钉是用来限制搅拌轴向着叶轮方向轴向窜动的，而止推环是用来限制搅拌轴沿背离叶轮方向轴向窜动的。由于新轴套的安装导致原来限制搅拌轴窜动的止推环无法安装，因此对止推板进行了改造，将其外径由原来的80 mm增加到96 mm，重新加工了新的止推板，原中心孔不动，在76 mm圆周上新增加了均匀分布的4个孔，孔径为9 mm，原中心位置螺钉仍然不变，另外用4个M8的螺钉将该止推板通过沿圆周新加工的4个孔固定在原轴套上，从而限制了搅拌轴的反向窜动。

4 改造效果评价

三聚氰胺料浆槽搅拌器经过以上技术改造后，自2008年至今，该搅拌器运转平稳，彻底消除了搅拌器的振动和搅拌轴的过大摆动，机械密封也再未出现过非正常的损坏及泄漏，平均使用寿命也由改造前的3个月左右延长到1年左右，而且在此期间，机械密封无任何泄漏现象发生。因此，对三聚氰胺料浆槽搅拌器的技术改造取得了圆满的成功。

图4 轴套改造示意图

5 结束语

对三聚氰胺料浆槽搅拌器机封泄漏的原因进行了分析，并且有针对性地采取了措施，彻底解决了搅拌器机械密封使用寿命短且经常出现泄漏的问题，消除了制约三聚氰胺装置满负荷运行的难题，有力地保障了装置的稳定运行。这些措施和经验对实际生产具有重要的指导意义。

Damage Causes and Countermeasures of Agitator Mechanical Seal

Liu Yanwei

Damage causes of agitator mechanical seal in melamine slurry tank are analyzed in detail,and relevant technical reformation is presented to ensure stable operation of the agitator.

Agitator;Mechanical seal;Leakage；Cause analysis;Technical reformation

TQ 051.7

*刘彦伟，男，1983年生，助理工程师。濮阳市，457004。

2011-07-04）