PTA装置精制结晶器搅拌器损坏原因分析及对策

蒋维宏

(中国石化仪征化纤有限责任公司PTA部 江苏仪征 211900）

近年来，随着国内聚酯行业产能的不断扩大，PTA行业也进入了快速发展的阶段。一方面新上PTA生产装置越来越多，另一方面单套装置产能越来越大。在这些新上项目中，INVISTA工艺占主导， BP工艺也有几家。另外，还有几套采用的是中纺院工艺。目前正在运行的生产装置中，精制结晶器搅拌器的故障率越来越高，且产能越高，故障率越高，而且比较频繁，成为制约装置产能、影响产品质量、造成非计划停工的重要因素之一。精制结晶器的搅拌器无论是INVISTA工艺、BP工艺还是中纺院工艺，其搅拌器采用的都是德国EKATO制造的产品，其中BP工艺大多采用的是底搅拌型式，另外两家基本都是顶入式悬臂轴搅拌器。故障率较高的搅拌器主要是顶入式搅拌器，因此，本文主要对顶入式搅拌器的故障原因进行分析，并提出对策。

精制结晶器一般有五级结晶器，其中前三级搅拌器故障率最高，很多装置的这三台搅拌器甚至开不到一个检修周期就出现故障；后面的两级搅拌器基本上没有问题，可以几个周期不用检修。EKATO对相同工艺的搅拌器的选型基本上是相同的（如图1），不同的地方一般是根据不同的产能、不同的搅拌容器直径，选择不同的桨叶直径、不同的转速和不同的搅拌功率。下面是某项目PTA装置搅拌器参数（表1）和运行条件（表2）：

表2 某PTA装置精制结晶器运行参数

图1总装图

表1 某PTA装置精制结晶器搅拌器参数

1 故障的表现形式

近年来，随着产能的不断提高，结晶器尺寸也不断加大，结晶器搅拌器的故障越来越频繁，无论是采用英威达工艺还是采用中纺院工艺，因为结晶器搅拌器都是EKATO独家供应的，搅拌器选型相同、工作条件类似，因此，故障情况也基本一样，只是损坏的程度、频次有稍微的不同。出现的故障种类如下：

1）因中间支撑失效造成搅拌轴磨损、弯曲、断裂（见图2a，图2b） 中间支撑对搅拌器的稳定运行具有非常重要的意义。最常见的故障型式是中间支撑的拉杆头因振动、搅拌器受力不均衡造成的弯曲、断裂，导致轴承座失去平衡，造成轴套和轴瓦加速磨损，严重时会造成轴承座和搅拌轴的严重损坏。冲击严重时会导致搅拌轴从法兰联轴器处断裂（见图2b）。

2）底部桨叶弯曲变形（见图2c） 底部二叶的VISCOPORP桨叶变形、连接杆根部断裂是很多套装置经常遇到的。在中间支撑没有失效的情况下，该桨叶的变形往往会引起轴承座轴套和轴瓦的偏磨，主要原因是叶片变形后，搅拌轴受力失去平衡，造成偏摆。严重时会造成中间支撑的失效、搅拌轴的弯曲，甚至断裂。而叶片变形的主要原因是大块结壁料脱落到罐底，与叶片撞击造成的。

图2c桨叶严重变形 图2d轴承座损坏

图2a中间支撑损坏、轴严重磨损 图2b上轴断裂

2 原因分析

通过对各套PTA装置结晶器搅拌器失效问题的维修跟踪、分析，我们认为造成上述问题的主要原因如下：

1）物料闪蒸的影响 物料闪蒸一方面是由于工艺条件决定的：从加氢反应器到第一结晶器、然后次序到第二结晶器、第三结晶器和后续的结晶器，这三级结晶器的工作压力和工作温度降低幅度都比较大，这样不可避免地造成结晶器内物料的闪蒸；另一方面闪蒸作为能量回收的一种手段也是不可取消的。这三级结晶器的液位通常都是按照30—50%进行控制的，闪蒸造成的后果是液位控制困难，搅拌器工作条件恶化，振动加剧。闪蒸严重时会导致液位下降严重，中间支撑的轴承座暴露在气相空间，失去物料的润滑，导致轴套与轴瓦磨损加剧，而且会与拉杆振动的效应叠加，在交变应力的作用下，拉杆头更容易断裂，从而造成轴承座偏离中心，导致搅拌器失去搅拌功能。

2）结晶器内结壁料的影响 物料闪蒸时，物料中PT酸、苯甲酸、TA、PTA等都会随着水蒸气上升，碰到温度相对较低的器壁时就会在器壁上结晶。随着运行时间的延续，结晶物越来越多，形成严重的“结壁”现象。结壁料带来的危害有两个方面：一是造成假液位：通常实际液位低于测量液位，结壁料越厚，液位误差越大，对搅拌器叶片的工作状态影响也越大。二是结壁料大块脱落，坠落到底部，对搅拌器叶片的撞击会导致底部的VISCOPORP桨叶弯曲变形，叶片变形后搅拌器受力失去平衡，加速了中间支撑的损坏。

3）拉杆头的结构及安装时调整质量的影响拉杆头的调整对确保搅拌器跨中轴旋转具有决定性的意义。图1中所用的三根 3×120°分布的单拉杆结构所用拉杆头比较多，作为承受交变应力比较严重的拉杆头，是整个结构的最薄弱环节。图4a的结构有不合理之处：一是退刀槽削弱了拉杆头的强度。二是丝杆根部圆角过渡的R过小，容易产生较大的集中应力，对交变应力的承受能力比较弱，容易在根部弯曲和断裂。

4）产能增大造成的影响 产能增大带来的主要的影响是对结晶器流场的影响，具体表现在结晶器内周向和轴向流速的提高。产能从35万吨/年提高到300万吨/年，结晶器直径增加并不太大，而进料量却增大好多倍，因此结晶器内的物料流速会提高很多，这样对搅拌器的冲击力会提高，恶化了搅拌器的运行条件。同时，一旦结壁料脱落，对搅拌器的撞击能力也提高很多。这一结论可以从产能提高后故障率大幅提高得到验证。

3 对策

针对上述引起搅拌器失效的原因分析，提出如下方案：

1）液位应控制在合理区间 鉴于闪蒸对搅拌器的运行影响很大，液位的控制必须确保中间支撑浸液运行，不会因轴承座失去润滑、上层桨叶露出液面而造成振动加剧；

2）降低结壁料的影响 设备方面可以通过以下措施降低结壁料厚度，降低对液位测量的影响：

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a提高璧温。可考虑结晶器外壁增加加热措施：增加外夹套、加热盘管、提高保温效果等，现在所用的保温材料的保温性能难以令人满意，造成器壁温度过低，结壁比较严重。

b提高射源接收器测量精度。由于射源接收器在结壁状态下对液位测量存在较大误差，对于在运行的装置，可考虑在射源接收器附近局部设置加热盘管或电伴热装置，降低结壁对液位测量信号的影响，更好地控制液位

3）改进拉杆结构

a对于新建装置单拉杆改为双拉杆，提高拉杆抗弯能力（如图3a、3b、3c）。

图3a 双拉杆结构总图

图3b双拉杆中心端结构图 图3c双拉杆器壁端结构图

b提高拉杆头的强度和冲击韧性：将拉杆头的螺栓加粗、采用强度更高的双相不锈钢或哈氏合金钢，且必须是锻件。

c改进拉杆头的结构

对于在运行的中间支撑的拉杆头，将拉杆头的结构由图4a，改为图4b。一方面可以增大丝杆根部的强度，另一方面增大根部圆角的过渡半径R，可有效降低应力集中，提高拉杆头抗疲劳能力。

图4a拉杆头（原结构） 图4b拉杆头（改造后）

4）结晶器进料口改造 因进料口的物料流速比较高，对搅拌器的冲击比较大，因此，需要在器壁内部增加导向弯头或挡板，将入口流向与搅拌器的旋转方向一致，降低进口物料对搅拌器的冲击。

5）采用底搅拌形式 采用底搅拌的优点是通过缩短轴长、取消中间支撑，可以起到减小轴径、大幅度减少搅拌器的易损件数量，如轴套、轴瓦、拉杆头等，明显降低搅拌器的故障率及维修成本，对长周期安全运行有比较大的意义。采用底搅拌的不利之处在于底部密封系统比较复杂，而且因为压力和温度比较高，难以实现在线更换机封，一旦机封出现泄漏就必须装置停车更换。当然也会导致结晶器外形尺寸、设备支承方式的变化，同时生产工艺参数也需要进行相应的调整。

4 结论

各PTA生产企业针对目前出现的故障采取了相应的措施，并取得了比较好的效果。

1）在工艺操作方面，通过将最低液位控制在比轴承座高300mm以上，并控制闪蒸量在合理区间，有效低降低了中间支撑的故障率，搅拌轴弯曲、断裂、磨损的情况大幅度降低。

2）设备方面，新建PTA装置的结晶器在浆料入口都增加了导流弯管，对在用装置，重新添加了导流弯管，引导物料沿周向进入设备内部，降低了对搅拌器的冲击。

3）德国EKATO对新建装置的PTA精制结晶器的搅拌器，近两年开始采用双拉杆结构，目前效果还不错。对于在用装置按单拉杆设计、易损坏的拉杆头，结构和材质改进后断裂现象明显减少。

4）如何消除结壁问题，各企业都还处于探讨阶段；BP工艺采用底搅拌大幅度减少了搅拌器的故障率，但是因为涉及工艺和设备方方面面的调整，还有待专利商进行改进。