聚丙烯挤压造粒机剖分式干式机械密封研究

奉明忠，王刚



聚丙烯挤压造粒机剖分式干式机械密封研究

奉明忠，王刚

（四川日机密封件股份有限公司，四川 成都 610045）

聚丙烯挤压造粒机的轴端密封采用干式机械密封替代传统浮环密封，避免了浮环密封磨损螺杆轴的显著缺点，实现长周期平稳运行、且密封性能可靠。研制出一种特殊的耐干运转摩擦副，并通过对密封结构和参数进行优化设计使摩擦副耐磨性能优异且密封补偿调节方便、散热平衡，该干式机械密封的设计为剖分式。该新型剖分式干式机械密封已成功应用于国内多家石化企业挤压造粒机上。

挤压造粒机；剖分式；干式；机械密封

挤压造粒机是聚丙烯、聚乙烯装置后处理设备中的关键大型设备，涉及众多关键技术、设计制造难度大，我国主要依赖进口，一般从德国J. S. W公司或日本神户制钢公司进口。挤压造粒机的轴端密封一般采用A. B. C浮环密封，以20～30 kPa氮气作为缓冲气来密封挤压造粒机内带微正压的聚丙烯粉末，最大缺点是经常出现浮环对螺杆的磨损，修复困难、损失巨大，因此浮环密封的技术方案正逐步被淘汰。近年国外采用干式机械密封来取代浮环密封，由于进口的干式机械密封技术未过关，使用过程中寿命偏短。

四川日机密封件股份有限公司通过对干式机械密封进行研究，提高了机械密封寿命，实现了挤压造粒机干式机械密封长周期运转。将国内多家聚丙烯工厂挤压造粒机A. B. C浮环密封改造为干式机械密封后，使用效果优良，填补了国内空白。

1 挤压造粒机机械密封形式的确定

如图1所示，挤压造粒机的轴端密封主要是密封从料仓进入挤压造粒机的聚丙烯粉末。挤压造粒机内的粉末带微正压，如果密封失效，大量粉末从电机侧轴端漏入厂房内，覆盖电机表面，易引起粉尘爆炸和使电机表面无法散热。

图1 聚丙烯挤压造粒机示意图

挤压造粒机转速为250 r/min左右，轴径为200～240 mm，螺杆机运转与压缩机、泵相比平稳性较差，该工况不能采用湿式机械密封，现场不允许任何液体进入挤压造粒机内。由于运行不平稳，又是粉末介质，螺杆转速偏低，因此不适宜采用干气密封。挤压造粒机机组庞大，装拆螺杆困难，为装拆方便，机械密封必须设计成剖分式。综上所述，挤压造粒机轴封的最佳技术方案是剖分干式机械密封，既避免浮环密封磨损螺杆轴，又可实现长寿命运转。

2 剖分式干式机械密封的结构

如图2所示，该干式机械密封工作在粉末介质中，其结构要求介质与弹簧隔离，保证弹簧不被粉末阻塞失弹。选择弹簧外置式，保证了弹簧不与粉末接触，且动静环磨损后可以通过拧紧调节螺母补充弹簧压缩量，使动静环密封面继续保持贴合，实现密封继续运转。

在选用的双端面机械密封腔内通入20～25 kPa氮气作为缓冲气，通过密封端面向挤压机内部微泄漏。双端面干运转必然产生巨大热量，将热量及时传走，使得密封腔内保持热平衡，是该干式机械密封成功的关键，因此必须恒定压力，保证氮气在进出口维持一个合理的流量以带走热量。动静环采用剖分式，密封胶条和O型圈都切断剖分。采用密封胶条传动，简化了密封结构。密封胶条既做动环轴向密封，又通过径向过盈起到传动作用，通过胶条足够的过盈压缩使动环随轴旋转。密封胶条若过盈量太小，将导致动环传动失效打滑，胶条会把螺杆轴磨出深槽；若过盈量太大，胶条与轴之间摩擦力巨大，弹簧力无法克服轴向摩擦力，就无法使动静环紧密贴合，密封也就失效了。

图2 剖分式机械密封示意图

3 干运转摩擦副的研制

干运转机械密封的动静环密封端面没有液膜和气膜，因此这一对摩擦副至关重要，其自身必须有优良的减摩特性，才能实现长周期干摩擦干运转。由于动静环都要做成剖分，而碳化硅、硬质合金、石墨做成剖分都制造、定位困难，加之运转平稳性差，所以不宜选用这些脆性材料。因此研发一对抗震动、耐干磨的摩擦副是本课题的关键。

采用高分子材料添加抗磨剂，经过多次试验确定配方和成型工艺，做成的动环能抗干运转、自润滑性能良好。基体采用高分子材料，做成剖分式，成型容易，加工方便。该塑性材料具有抗震性能，避免了脆裂。

静环选用硬材料，既便于剖分制造，又保证有一定硬度耐磨。采用304不锈钢表面喷焊2 mm耐磨合金层。耐磨合金层采用超声波喷焊，与304不锈钢基体有良好的结合力。合金层硬度不宜太高，保持HRC 45～50，实现运转过程磨损静环（硬环）。静环磨损后，氮气流量增大，可以拧紧调节螺母，使动静环紧密贴合，氮气流量又恢复正常，这样直到合金层全磨损后，该密封才失效。因此其使用寿命可达两年。合金层硬度要保持基本一致，不能随深度衰减，因此合金喷焊工艺非常重要，既要保证深度改变后硬度一致，又要保证不出现砂眼、裂纹。

4 干式机械密封参数设计[1-2]

15万吨/年聚丙烯挤压造粒机螺杆，直径1＝220 mm，转速＝246 r/min。根据设计经验，将干式机械密封设计为宽密封面、低弹簧比压，密封面宽度12.5 mm，动环外径2＝245 mm，确定弹簧比压为P＝0.6 kgf/cm2。

4.1 弹簧力的确定

密封带面积＝π(22－12)/4＝91.25 cm2

弹簧力F＝PA＝549 N

三根圆柱弹簧每根弹簧力＝F/3＝183 N

4.2 平衡直径的确定

为降低端面比压、减少端面发热，将氮气压力部分作用在动环上，通过橡胶条外径设计来实现压力平衡，平衡系数定为＝0.9，橡胶条外径为有效直径0。根据＝（22－02）/（22－12），计算出0＝222.6 mm，胶条厚度＝(0－1)/2＝1.3 mm，加上合适的过盈量，即可确定胶条外径。胶条轴向长度定为10 mm。

4.3 氮气消耗量（流量）的确定

挤压造粒机内为微正压，设定其表压为5 kPa，则密封氮气压力为表压20 kPa，即介质压力P＝1.05 kgf/cm2、氮气压力1＝1.2 kgf/cm2，端面比压＝(1－P)＋P＝1.635 kgf/cm2。

端面摩擦系数为0～0.1，取＝0.1。

单端面摩擦力＝＝149 N，摩擦扭矩M＝(1＋2)/4＝17.3 N·m，摩擦功率＝M·2π/60＝445 W，双端面密封的摩擦热功率总＝2＝890 W。

氮气以常温20℃进入密封腔，吸热后设计温度＝293 K（约20℃），要求以不超过45℃排入大气，则Δ＝25℃，氮气绝压＝102000 Pa，氮气摩尔质量＝28，比热容C＝1.035 J/g·K，氮气密度＝/，为质量，根据阿弗加德罗定律＝＝(/)，知＝/＝/＝118.8 g/L。注入氮气体积流量为（L/min），注入质量＝＝118.8g/min，根据总吸热量吸＝60总＝mCΔ，有＝60总/CΔ＝1.04 m3/h。为使生产更可靠，氮气的流量确定为1～3 m3/h。

5 氮气系统的设置

设置一个氮气系统，稳定氮气的压力恒定在表压0.02～0.25 MPa、流量维持在1～3 m3/h，并且监控密封腔温度使温升不超过25℃，如图3所示。通过调压阀调整压力，如果流量偏大则拧紧调节螺母使流量达标。

6 结论

研制出的新型剖分式干式机械密封已用在大庆炼化、独山子石化、海南炼化、神华包头分公司等聚丙烯工厂的挤压造粒机干式机械密封国产化和浮环密封改干式机械密封的工作中，取得了良好业绩。该研究成果还推广到反应釜干式机械密封、电机氟利昂介质的干式机械密封等领域。

图3 氮气系统

[1]顾永泉. 机械端面密封[M]. 东营：石油大学出版社，1994.

[2]顾永泉，等. 机械端面温度[J]. 流体工程，1985，13（4）：2-10，64.

[3]ANS/API Standard 682，Pumps-Shaft Sealing Systems for Centrifugal and Rotary Pumps (Third Edition)[S]. 2004：151-153.

TheStudyontheSplitDryMechanicalSealforPolypropyleneSqueezingGranulator

FENG Mingzhong，WANG Gang

( Sichuan Sunny Seal Co., Ltd. Chengdu610045, China )

Using the dry type mechanical seal to replace the traditional floating ring seal on the face seal of polypropylene squeezing granulator, great achievements have been made in these respects, avoid the floating ring seal wear seriously, realize the screw shaft running smoothly for a long period of time, and have reliable sealing performance. In order to improve the resistance ability, a special material for dry running friction pair have been developed. Through the optimization of seals structure design and parameters, it is realized that the friction pair compensation adjustment is convenient, excellent wear resistance and seal heat balance have been achieved. The structure of dry mechanical seal in this design is split. The new type of split dry mechanical seal is successfully applied to the extrusion granulator for many petrochemical enterprises in China.

squeezing granulator；split；dry-running；split mechanical seal

TB42

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.05.015

1006－0316 (2018) 05－0056－04

2017－05－08

奉明忠（1967－），男，四川省渠县人，硕士，高级工程师，主要研究方向为流体动密封和流体机械；王刚（1979－），男，四川内江人，本科，工程师，主要研究方向为流体动密封和流体机械。