釜用机械密封失效分析及改进措施*

杨 鑫,白本宇,商 勇

(兰州石化公司,甘肃兰州 730060)

釜用机械密封失效分析及改进措施*

杨 鑫,白本宇,商 勇

(兰州石化公司,甘肃兰州 730060)

针对本装置釜用机封运行情况进行分析,重点介绍反应釜常见机封失效的原因,结合本装置釜用机封使用、检修的实际情况,通过计算和分析机封失效的原因,提出针对性的改进措施。

机械密封;失效;密封液;动静环;弹簧

1 机械密封结构分析

机械密封是搅拌器安全稳定运行的关键部件,釜用机封是双端面平衡型、可承受搅拌径向力的重型釜用机械密封。静环材质为优质石墨,内、外侧动环材质为硬质合金,由多个螺旋弹簧通过压紧圈及“O”形圈压紧密封。

机械密封又称端面密封(Mechanical Seal),是一种旋转机械的轴封装置,它是靠一对或几对垂直于旋转轴线的端面在流体压力和补偿机构弹力(或磁力)的作用下以及辅助密封的配合下保持贴合并相对滑动而构成的防止流体泄漏的装置。机械密封具有性能可靠、泄露量小、使用寿命长、功耗低、无须经常维修的特点,适用于自动化生产过程中高温、低温、高压、真空、高速以及各种强腐蚀性介质、含固体颗粒介质等苛刻工况的密封要求。

机械密封是流体机械和动力机械中重要的密封装置,它对整台机器设备、整套装置甚至对整个生产过程的安全性都有很大的影响,是机械设备防漏、节能以及控制环境污染的重要基础件。随着高新技术和工业的高速发展,机械密封以其多方面的优越性被广泛应用[1]。机械密封由静止环(静环)、旋转环(动环)、弹性元件、弹簧座、紧定螺钉、旋转环辅助密封圈、和静止环辅助密封圈等元件组成,釜用机械密封多为双端面密封,其结构如图1所示,由两组动环和静环采用背靠背的方式安装。

图1 机械密封结构

2 机械密封失效原因分析

转动设备故障中,因机械密封泄漏而停机检修的约占设备维修总量的50%左右。搅拌器使用的机械密封为双端面机械密封,双端面机械密封失效机理与单端面机械密封失效机理基本相同,主要是密封面的失效。在设备运行过程中,由于摩擦和搅拌产生的热量会使密封面温度升高,加之介质的影响,就会出现密封面介质的气化、密封环变形、热磨损,甚至出现热裂。有的介质在温度变化时会加剧固化、聚合、结晶、结焦和腐蚀。种种非正常的工况将加剧或者短期内直接导致密封失效。

机封失效的原因是多方面的,一方面是机封本身存在缺陷造成的,另一方面是外部因素影响机封的正常运行造成的,结合实际生产中遇到的问题,经过分析可能有以下几个原因:

(1)端面不平,即端面平面度、粗糙度未达到要求,或在使用前受到了损伤。

(2)辅助密封圈的故障:装配性的故障有掉块、裂口、碰伤、卷边和扭曲;非装配性的故障有变形、硬化、破裂和变质。

(3)机械密封的端面比压是影响密封性能和使用寿命的重要因素[2]。

(4)密封面温度升高,导致动静环变形甚至破损[3]。

(5)机封冲洗中断或压力、流量不满足使用要求。

(6)搅拌轴底端定位松动,导致搅拌轴上端摆动量过大造成机封泄漏。

(7)安装不正确,安装尺寸未达到图纸工作尺寸要求,包括关键零件的形位公差不满足要求而导致的静环安装倾斜、端面变形等。

3 机械密封本体失效的改进措施

本装置配备有多台搅拌器,釜用机封使用平均寿命为4年,最长8年,最短2.5年。催化剂贮罐D-102是用于存储催化剂的低压储罐,配套搅拌器J-102转速较低。2012年该搅拌器检修时曾反复安装机封,仍未能解决密封油少量内漏的问题,此次检修使用的是非原装机封、国产品牌,与原装机封相比使用效果相对较差,下面以J-102搅拌器机封为例,按照上述失效原因(1)～(3)进行分析。

3.1 检测端面粗糙度

首先对机封的端面进行检查,用表面粗糙度测量仪分别取动、静环摩擦端面8个点,测量粗糙度Ra (以催化剂贮罐J-102为例见表1)。由测量结果可知实际结果满足小于额定最大粗糙度1.6的要求,不会造成泄漏,如表1所列。

表1 动、静环摩擦端面粗糙度

3.2 检测辅助密封圈

该机械密封辅助密封圈为“O形橡胶圈”。首先使用放大镜对外观完好程度进行检查,其次,在拉伸状态下再次检查,发现O型圈无缺损、断裂或变形。

3.2.1 计算O形圈压缩量

式中:S为压缩量[4];do为O形圈自由状态断面直径137.5 mm;D1为配合内径140 mm;d1为O形环槽槽径133 mm。

3.2.2 计算压缩率

压缩率为:K=S/do×100%=97%

3.2.3 计算O型圈密封面变形压力

式中:Pr为O型圈变形压力,0.6 MPa;D为O型圈内径133 mm;w为厚度,4mm;ε为压缩比,设计要求, 8%～30%;Hs为材料硬度85～90(Shore)。

验算后,密封圈压缩量完全符合使用要求。

3.2.4 O型圈应力分析

通过应力分析软件,将所测量的O型圈的数据带入该软件,得出分析图如图2,从图2可看出,该O型圈受力均匀。

图2 O型密封圈应力分析图

3.3 弹簧性能验证

该机械密封的弹簧材料是60Si2Mn,压缩量为5～8 mm。机修人员在实际安装时按照要求调整压缩量,但无论取用多大压缩量都不能起到有效密封作用[5]。

假设其他主观因素都已达到安装要求,下面通过计算机械密封本身的性能参数,查找机械密封是否可能存在缺陷。弹簧材料为60Si2Mn(60硅锰)。这种材料具有抗冲击性能好,但耐持久力不高,有增加表面脱碳和石墨化倾向的特点[6]。

已知条件:

弹簧材料直径d=1 mm;弹簧直径(即中径)D=4 mm;弹簧外径DO=5 mm;弹簧内径DI=3 mm;弹簧总圈数n1=10圈;弹簧有效圈数n=8圈。

查表可得弹簧切变模量和弹性模量G=8×104kg/mm2,E=2.1×105kg/mm2;机封密封端外径d2= 206 mm,密封端内径d1=191 mm,外部载荷P=0.3～0.6 MPa,弹簧总数N=24个,代入下列计算公式[7]:

为保证弹簧的稳定性和可靠性,对该弹簧的静强度进行验算:

通过计算发现实际安全系数小于许用安全系数,故该弹簧的静强度稳定性和可靠性不能满足使用要求。实际安装使用中,机修人员曾反复调整安装该机封,密封效果均未能达到理想状态,这可能与机封弹簧的静强度稳定性和可靠性不能满足使用要求有关。

为满足弹簧静强度的要求,可改变弹簧材质或弹簧钢丝尺寸,均会造成弹簧外形尺寸的改变,但搅拌器结构不可改变,所以受机封结构和尺寸的限制,改变弹簧本身条件不可行。通过上述计算过程可看出,弹簧的静强度与密封端面面积成反比关系,那么调整密封端外径和内径可使弹簧的静强度满足要求。

重新选取d2和d1可以满足上述计算结果。

故调整密封端内外径尺寸,可以作为处理釜用机械密封失效的一种有效手段。

4 机械密封失效外部因素的改进措施

4.1 端面摩擦热造成的动静环变形或破损

密封端面温度的升高,易导致动静环变形甚至破损,而端面温度升高的原因大致有密封液温度升高和密封液含杂质两种,通常情况下使用的密封液都是物理性质稳定的洁净液体,作用是密封、冷却、润滑等。

密封液在循环使用的过程中带走机封运转产生的热量,如果密封液温度不断升高或者保持在较高温度下,那么密封液的冷却作用将极大的消弱,机封运转累计的热量得不到释放将破坏动静环结构,本装置密封液系统使用循环水进行换热冷却,同时通过温度计监控密封液温度,确保其温度的要求范围。

密封液另一个作用润滑是以自身洁净为前提的,但是在实际使用中,外部杂质或多或少的都会进入密封液系统中,比如输送管线和储罐中残留的杂质、机封破损后脱落的细小颗粒,以及其它意想不到的途径都可能给密封液带来污染,当杂质进入机封将增加机封的摩擦阻力、产生大量热量,搅拌转速越高,热量越大,损坏速度越快,本装置曾多次因机封进入杂质造成机封泄漏,拆卸后静环表面存在划痕、凹槽、甚至破损,所以密封液的洁净度也是机封长周期运行的关键,本装置密封液入口处和密封液输送泵入口处均安装Y型过滤器,过滤器目数均在100以上,定期更换或清洗滤芯将能较好的保持密封液的洁净度。

4.2 机封冲洗中断或压力、流量不满足使用要求

若机封设计有冲洗线,则要确保冲洗压力、流量及介质的洁净度,本装置第三反应釜搅拌器是底入式搅拌器,反应釜底部存在聚丙烯颗粒物,通过丙烯冲洗隔离颗粒物,避免其进入机封造成损坏,该机封曾因全装置停电、冲洗中断造成机封泄漏,检修时发现机封外观基本完好,但密封端面存在少量颗粒物,造成机封密封失效。正常使用时,应使用洁净介质,并控制其压力和流量在要求范围。

4.3 搅拌轴上端摆动量过大造成机封泄漏

本装置第一、第二反应釜搅拌器均是顶入式搅拌器,长度7.19 m的搅拌轴贯穿反应釜,底部使用聚四氟乙烯材质的圆筒式稳定器固定搅拌轴底部。2006年第一反应釜搅拌器机封失效,经检查发现搅拌轴存在微小变形,上下部径向跳动量差为1.2 mm,造成底部圆筒式稳定器偏磨,导致搅拌轴摆动过大,影响机封稳定性,目前使用高耐磨聚四氟乙烯材质的稳定器,延长磨损时间,同时定时检查搅拌轴及机封运行状况,及时发现并择机更换该稳定器。

另外,安装不正确,安装尺寸未达到图纸工作尺寸要求,包括关键零件的形位公差不满足要求而导致的静环安装倾斜、端面变形等均可能造成机封安装即失效,这与维修人员的技术能力有关,本文不再赘述。

5 结 语

综上所述,机封失效的原因是多方面的,需要根据实际情况分析内因和外因,通过对比润滑、冷却、冲洗、密封液、电流、声音等因素的变化,综合判断造成机封失效的可能原因,若能较好的做到日常的检查和维护,也可能做到提前发现故障,做到预知维修。总之,良好的维护保养和稳定的运行环境是机封长周期运行的有利条件。

[1] 胡国桢.化工密封技术[M].北京:化学工业出版社,1990.

[2] 张 涵.化工机器[M].北京:化学工业出版社,2005.

[3] 万国荣.聚合釜机械密封的失效分析及防治措施[J].氯碱工业,1998(3):37-41.

[4] 钟良观.O型圈的非标准沟槽计算[J].机械制造,1983(4):40-41.

[5] 田茂贵.高压螺纹密封件[J].机床与液压,1993(2):103-105.

[6] 李建设.液控单向阀刚柔密封结构的可靠性[J].机床与液压, 1993(5):285-287.

[7] 成大先.机械设计手册[M].第5版.北京:化学工业出版社, 2010.

Failure Analysis and Improvement of Mechanical Seal of the Kettle

YANG Xin,BAI Ben-yu,SHANG Yong
(Lanzhou Petrochemical Company,Lanzhou Gansu 730060,China)

In this paper,the operation condition of kettle with machine sealing for this device is analyzed,especially the common machine seal failure reasons of the reaction kettle.Combining with the actual maintenance and repair situation of the sealing,and through calculating and analyzing the causes of machine seal failure,the specific measures for improvement are proposed.

mechanical seal;seal failure;sealing fluid;dynamic and static ring;spring

TH136

A

1007-4414(2015)05-0154-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.055

2015-08-12

杨 鑫(1986-),男,河北交河人,工程师,主要从事化工设备管理方面的工作。