氨冷及换冷型套管结晶机传动轴及密封填料材质改造

胡建义 沙诣程 李广林

摘      要：上世纪80年代末至90年代初，全国各炼厂陆续兴建酮苯装置并投入运行，沿袭了粗犷管理的模式，套管结晶机传动轴密封填料泄露问题迟迟悬而未决。在安全生产和环保要求日益严格的21世纪，此种管理模式再也无法适应当今需求，故相关改造势在必行。给出了关于解决困扰套管结晶机传动轴密封泄露的整体方案，兼顾成本、在役周期和环境安全收益。

关  键  词：套管结晶机;密封泄露;解决方案

中图分类号：TQ050.4⁺3      文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）11-2593-04

Material Modification of Drive Shaft and Sealing Filler of

Ammonia-cooled and Exchange-cooled Casing Crystallizer

   HU Jian-yi¹， SHA Yi-cheng¹， LI Guang-lin²

（1. PetroChina Fushun Petrochemical Company No.1 Refinery， Liaoning Fushun 113004， China;

2. Zhejiang Jiangnan Petrochemical Machinery Co.， Ltd.， Zhejiang Wenzhou 325000， China）

Abstract：  Ketone-benzol units were built and put into operation in many Chinese refineries from the late 1980s to the early 1990s. The leakage of sealing filler for transmission shaft of casing crystallizer always happened under rough management mode. With the increasingly stringent requirements for safe production and environmental protection in the 21st century， this kind of management model can no longer meet the needs at present， so the relevant transformation about the leakage of sealing filler is imperative. In this paper， taking into account the cost， service cycle and environmental safety benefits， an overall solution to the leakage of transmission shaft seal in cased crystallizer was put forward.

Key words： casing crystallizer; seal leakage; solutions

自1997年石油一廠新区酮苯装置开工以来，套管结晶机传动轴磨损、填料失效过快，导致介质泄漏的问题，一直困扰着酮苯脱蜡装置的生产活动。在有限资料范围内，该问题同样困扰着国内外同类装置的安全平稳运行。

根据《炼油设备工程师手册》陈述，1990年至2014年期间，全国酮苯装置重大事故合计11起，其中套管结晶机重大事故3起，分别为：“套管结晶器填料函漏油，引起火灾”、“余火未熄酿成火灾”和“套管结晶室重大火灾”^[1]。究其原因，均是套管结晶机密封填料泄漏，直接或间接地导致事故的发生。

自套管结晶机被研发应用以来，传动轴磨损、填料失效过快，导致介质泄漏的问题，一直困扰着酮苯脱蜡装置的生产活动。为彻底改变此种现状，同步节约维护费用，杜绝现场环境低标准问题的发生，避免施工过程中对物料的污染，减少岗位操作人员和维护人员工作负担，降低工作人员罹患呼吸道疾病的风险，经过长期的反复探索、研讨、计算、现场勘查及大样本分组对照实验，最终得到了一整套解决方案^[2]。

1  密封腔改造

由现场实际及随机资料可知，原密封腔共可容纳8道填料环，压紧量约为20%，通过日常使用经验可以得知，原密封结构根本无法满足长期运行的需要，进而对密封腔进行了对照实验，分别论证了在改变压缩量、改变密封环数量等不同条件组合对无泄漏运转时间的影响;且统一检查了不同压缩量下传动轴的磨损情况。通过各种型式的改造，最长可将无泄漏运转时间延长接近50%，但仍然不能达到长期稳定运转的需求，且同步得出，在此种密封环和传动轴配合工况下，压缩量增大5%以上是不可取方案的相关结论。由于问题可具体一些，没有得到根本的解决，故开展进阶论证（图1）^[3]。

2  传动轴局部表面处理

从第一阶段对照实验可以得知，在现有工况下，无论怎样传动轴都会在2 000 h开始磨损，进而导致密封失效，故针对此种情况开展传动轴材质改造或改变传动轴表面处理工艺。

自2016年3月至2017年12月，合计尝试传动轴配合原型填料方案合计5种，详见下述：

方案1：原型对照组，6根;安装后连续运转近8 000 h，正常热化紧固等操作，约4 000 h开始，泄漏物肉眼可见，8 000 h拆解，均匀磨损2.3 mm，不断紧固填料后可勉强使用;回装后运转至2017年8月彻底失效，如图2。

方案2：母材45#钢，调质，表面渗氮处理，HRC62～64，500 h光泽度0.8、测试摩擦系数0.78，6根;安装后连续运转近6 000 h，正常热化紧固等操作，约3 200 h开始，泄漏物肉眼可见，6 000 h时泄漏量过大，遂拆解检查，拆解发现轴表面存在点蚀，已不能继续使用。

方案3：母材35CrMo，调质，表面电镀硬铬处理，HRC62～64，500 h光泽度0.85、摩擦系数0.9，6根;安装后连续运转近8 000 h，正常热化紧固等操作，6 000 h开始，泄漏物肉眼可见，8 000 h拆解，均匀磨损2 mm，局部电镀层脱落，不断紧固填料后可勉强使用;回装后运转至2017年10月，彻底失效。

方案4：母材35CrMo，调质，表面渗氮处理，HRC64～66，500 h光泽度0.8、摩擦系数0.78，6根;安装后连续运转近8 000 h，正常热化紧固等操作，5 200 h开始，泄漏物肉眼可见，8 000 h拆解，拆解发现轴表面存在点蚀，已不能继续使用;

方案5：母材35CrMo，调质，表面喷涂碳化钨，HRC68～72，500 h光泽度0.8、摩擦系数0.55，6根;安装后连续运转近8 000 h，基本正常，解体无异常，10 000 h后开始泄漏，后拆解发现为填料环受溶剂侵蚀而导致膨胀硬化^[4]，如图3。

而喷涂碳化钨方案连续运转近8 000 h，基本正常，解体无异常，10 000 h后开始泄漏，后拆解发现为填料环受溶剂侵蚀而导致膨胀硬化，综上所述，鉴于原型填料在溶剂浸泡工况下于10 000 h左右开始失效，故开展新型填料研发。

3  新型复合材料填料的研发

3.1  研发方向

笔者对填料材质进行了深入研究，包括但不限于以下几点：芳纶纤维和芳纶碳纤维替代材料的选择;替代材料占比的对照试验;成型工艺对赋形效果、煅烧工艺对最终性能的影响;新型复合材料与原有材料性能对比。

3.2  芳纶纤维和芳纶碳纤维替代材料的选择

通过前期理论论证，芳纶类材料的根本缺陷在于其弹性模量高、刚度大，而代用方案方向则应为相对低弹性模量的材料。通过枚举试错实验，最终发现以聚苯酯替代芳纶对材料性能有较大提升。实验结果如下所述。

3.3  替代材料组分的对照试验

3.3.1  聚苯酯组分对复合材料摩擦系数的影响

从图4可以看出，加入一定比例實验物料后，复合材料的摩擦系数呈收敛状态。m（实验组分）∶m （含聚四氟乙烯）>1%时，摩擦系数又呈发散趋势。

3.3.2  聚苯酯含量对复合材料磨损体积的影响

由图5得出以下结论：系统中掺入一定比例实验物料后，填料材质的磨损体积陡然减少，当m （实验物料）∶m （含聚四氟乙烯） =1%时，复合材料耐磨性比纯含聚四氟乙烯提高了4倍有余;

当m （实验组分∶m （含聚四氟乙烯）>1%时，随着聚苯酯用量的增加，单位时间磨损体积持续下降，但是下降速度趋于缓和。

3.3.3  聚苯酯含量对复合材料热扩散系数的影响

由图6可以看出，复合材料的热扩散系数与实验组分比例呈正相关，当m（实验物料）∶m （含聚四氟乙烯）<3%时，热扩散系数略发散;当m（实验物料） ∶m （含聚四氟乙烯）≥3%时，随聚苯酯用量的增加，复合材料热扩散系数加快发散;当m（实验物料）∶m （含聚四氟乙烯） =5%时，热扩散系数超过了2.5 mm²/s，见图6，可以较好适应各种工况。

3.4  对成型工艺、煅烧工艺的控制指标

冷压和二次成型挤压压力是盘根类材料制造过程中的重要控制指标，影响着材料抗浸透性能，故通过多次试验，平衡工程应用造价与产品指标后，最终将冷压控制在30 MPa、二次成型挤压控制在40 MPa。

烧结温控示意图见图7。

选定最佳的实验配方，对改性聚苯酯复合材料性能进行测试，发现改性后的复合材料摩擦系数、热变形温度等参数均优于原有材料^[5]，见表1。

4  结 论

本文所述课题，自2016年6月开始大规模进行分组对照实验，截止2017年12月，实施三位一体改造方案的设备单台每根累计运行时间14～16个月，对比同时更换普通传动轴的设备，更换局部喷涂碳化钨传动轴的设备一个热化周期接油盒内基本没有泄露介质，改善跑冒滴漏问题效果非常明显。综上所述，该密封腔改造方案、驱动轴局部材质升级和新型复合材料填料的研发等一揽子方案，成功解决困扰酮苯脱蜡生产装置套管结晶机机密封结构频繁失效的共性难题，且对非强酸介质类、大跨度工作温度区间的过程工业设备密封结构形式、材料选用，具有非凡的指导意义，是经过实践检验的可靠方案。

参考文献：

[1]  中国石油和石化工程研究会. 炼油设备工程师手册[M].第二版.北京： 中国石化出版社， 2009.

[2] 中国石油化工集团公司. 石油化工设备维护检修规程第一册/通用设备[M]. 北京： 中国石化出版社， 2004.

[3] 哈尔滨工业大学理念力学教研室.理论力学[M]. 北京：高等教育出版社， 2009.

[4] 连赛英. 机床电气控制技术[M]. 北京： 机械工业出版社， 2007.

[5] 方洪渊. 焊接结构学[M]. 北京： 机械工业出版社， 2008.