含氟聚合物聚合釜机械密封选型及泄漏问题解决

王井水

（巨化集团公司氟聚合物事业部，浙江 衢州324004）

机械密封正常运行是聚合生产稳定进行的基本保障，特别是在易燃易爆的反应介质下，机械密封的重要性尤显突出。机械密封若无法正常运行，不仅严重影响聚合生产效率，还会造成反应原料报废损失，且给检修带来巨大压力。笔者长期观察聚合釜运行，对每次机械密封的泄漏情况做了详细记录。针对某含氟聚合物聚合釜，分别从温度、压力、介质等方面介绍聚合釜机械密封及辅助系统的选型经验；并结合聚合釜机械密封泄漏情况，分析原因、实施改造。

1 选型及辅助系统配置

1.1 聚合釜基本工况及介质条件

聚合釜为卧式带夹套，螺带式搅拌桨，容积7 m3；反应压力4.5 MPa、温度140℃，单批反应时间6 h。反应介质为某种含氟单体及助剂，酸性，并带有颗粒物质，粘性较大，易燃易爆。

1.2 高温条件下的选型

聚合釜工作温度较高，机械密封腔内温度、冷却液（去离子水）温度随之升高，导致密封端面摩擦系数增大。当温度达到水的沸点时，密封端面间的液膜汽化，形成摩擦副干摩擦，磨损逐渐增大，最终造成机械密封功能失效[1]。在高温作用下，密封组件的疲劳强度降低，容易发生热形变和热裂的现象。形变就会造成松脱，相互之间的配合精度改变，同样会造成密封失效。同时，聚合釜内反应呈酸性环境，密封组件的腐蚀和磨损将加剧，导致使用耐久性降低。

因此在聚合釜高温条件下，应采取冷却措施。配备外冷却液循环系统：设置液封储罐，在回水管段配置冷却器，尽可能地降低冷却液温度，使密封端面温度始终低于介质汽化温度。另外，密封组合件选择热膨胀系数相近的材料，防止热变形引起的配合失效[2]。

1.3 高压及真空条件下的选型

聚合釜在反应前，需进行多次置换以除尽釜内残留气体。为加快置换速率，利用真空泵进行抽气。若是密封腔内形成真空，将会引起摩擦副干摩擦。此外，聚合反应的工作压力约4.5 MPa。当密封腔内压力超过3.0 MPa时，会使密封端面比压过大，液膜难以形成。同时，高压还会使密封组件变形，引起密封失效。

针对聚合釜真空和高压这2个极端的压力条件，应选用双端面机械密封[3]。通过2道密封，防止密封腔内形成真空。同时，选择载荷系数较小的平衡型机械密封，这样在高压的条件下，仍然可以保证密封端面受力均匀，防止密封端面倾斜甚至摩擦，降低密封失效几率。

1.4 复杂介质条件下的选型

聚合反应的原料中存在气体介质。机械密封通常只能密封液体介质，不能直接密封气体介质。因为密封两端面间不能形成液膜。另外，反应过程中会产生类似面糊的粘性胶状物，遇冷后部分会变成较坚硬的颗粒物。这些物料进入密封腔内，会粘住补偿机构内的弹性元件，引起失弹，还会破坏密封面的平衡和液膜的连续性，引起摩擦副干摩擦。

针对聚合釜有气体、有粘性、颗粒状的复杂介质条件，选型时应考虑：1)选用双端面密封结构，达到间接密封的效果，防止气体介质泄露；2)在机封底部安装四氟挡料环，最大限度防止粘性物进入；3)采取冲刷措施，在液封储罐下方，机械密封冷却水进水管段设置循环增压泵，在合适的压力范围内给冷却水增压，起到冲刷密封腔及循环管线，防止颗粒物沉淀的作用。

综合以上3方面分析，选择外装式多弹簧平衡型双端面机械密封，并配备外冷却液循环辅助系统。输入和输出端各配置1套机械密封。如图1和图2所示。

图1 机械密封及辅助系统配置Fig 1 Mechanical seal and auxiliary system configuration

图2 改造前轴系结构形式及机械密封配置Fig 2 Shafting structure form and mechanical seal configuration before transformation

2 泄漏及解决

2.1 泄漏现象及原因分析

聚合釜投入生产后，第1年泄漏9次，第2年泄漏11次，平均1.2个月就需停车检修。内漏和外漏2种情况都有发生，且无明显规律。双端面机械密封有2道密封腔，如果密封腔被破坏，内漏是密封液分别漏往釜内，外漏则是漏往机封外部的观察孔。

通过对泄漏机械密封的拆检发现，摩擦副破损的次数占绝大部分，少数几次有动、静环位置松动甚至散架的现象。其共同的特点是，端面无长期运行形成的渐进式轻微划痕，厚度也未减少，动环座、辅助密封圈都有松动、跑位的现象。

分析原因可能有2种，一是检修时装配不到位或者螺栓预紧力不够；二是聚合釜在运行时，搅拌轴系动平衡不稳定，径向串量过大。这2者都会引起机械密封运行时密封面松动、跑偏，从而导致两端面之间相对位置变化，相互摩擦甚至碰撞。但经过装配试验后，排除了第1种可能。

从轴系结构形式及机械密封配置方式分析，聚合釜桨叶呈螺旋状分布，由于其形状的复杂性，故径向作用力很难相互抵消；加上焊接制造困难，常出现焊缝开裂、螺带脱落的现象，从而加剧轴系运转的不平衡。由于螺带桨叶未装配在搅拌轴上，而是焊接在加强筋上，故造成输入段与输出段的搅拌轴同轴度、直线度不够，这也加剧了搅拌轴在运行中的失稳现象。由此判断，轴系结构及机械密封配置不合理，引起的转轴动平衡不稳、径向串量大，从而引起机封震动，螺栓逐渐松动，各装配间隙变化，最终引起机械密封损坏、泄漏。

2.2 解决方案

根据上述分析结果，结合生产工艺因素，制定相应的聚合釜改造方案：

1)将搅拌桨由螺带式改为桨叶式，一轴贯穿釜内，稳定轴系运转；

2)输入、输出两端双机封改为输入端单机封，在输入端设置轴承支架，输出端装配轴套和盲法兰，消除2端同轴度不匹配的问题，进一步稳定轴系运转。改造后聚合釜轴系结构形式与机械密封配置方式，如图3所示。

图3 设备改造后轴系结构形式及机械密封配置Fig 3 Shafting structure form and mechanical seal configuration after transformation

3 结论

设备改造后，经过生产试验，聚合釜运行工艺参数符合生产指标，同时机械密封运行状况也大为改善。正常投料频率下运行1年，仅发生过1次泄漏现象。聚合釜配置的机械密封由2套降为1套，泄漏点减少；在机械密封及辅助系统正确地选型和配置前提下，轴系运转的不稳定因素得到彻底消除。

机械密封泄漏问题的解决，减少了检修次数，降低了检修费用及备件压力。同时，机械密封地可靠运行，也有效地保障了聚合釜高效运转，提高了生产效率和经济效益。

综上所诉，要保证聚合釜机械密封长期有效地运行，科学选型及合理配置辅助系统是基础，同时应兼顾轴系结构形式及机械密封配置方式地合理选择。

[1]陈匡民，董宗玉，陈文梅.流体动密封[M].成都:科技大学出版社,1990:179-190.

[2]顾永泉.流体动密封[M].青岛:石油大学出版社,1990:223-225.

[3]何玉杰.机械密封选用手册[M].北京:机械工业出版社,2011:51-53.