反应釜机械密封结构图【从氯化反应釜机械密封故障解决实例浅谈反应釜用机械密封】

　　摘要 机械密封作为现今一种常用的轴封方式，已在化工行业中广泛使用。从使用范围上分类，机械密封可分为泵用机械密封、釜用机械密封、压缩机用机械密封等。由于机械密封所处的设备环境不同，使其在设计、安装、使用、维护中的特点也不尽相同。这里主要以重庆天原化工有限公司硅氯化物分厂氯化反应釜机械密封为例，谈一下反应釜用机械密封的特点和容易遇到的问题。
　　关键词 氯化反应；釜机械密封；反应
　　中图分类号TH14 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）35-0075-03
　　机械密封作为现今一种常用的轴封方式，已在化工行业中广泛使用。从使用范围上分类，机械密封可分为泵用机械密封、釜用机械密封、压缩机用机械密封等。由于机械密封所处的设备环境不同，使其在设计、安装、使用、维护中的特点也不尽相同。这里主要以重庆天原化工有限公司硅氯化物分厂氯化反应釜机械密封为例，谈一下反应釜用机械密封的特点和容易遇到的问题。
　　1 故障现象
　　设备在生产现场运行过程中机械密封出现了泄漏，操作人员对故障设备的运行情况都进行了详细的记录。真实详尽的现场记录为故障分析提供了可靠的依据。
　　1.1设备详情
　　氯化反应釜容积为7 500L，介质氯气、醋酸、醋酐等，釜内压力为0.96MPa，温度为105℃，搅拌轴轴径为φ180mm，转速为45r/min。所用机械密封为背对背双端面机械密封（结构见图1），注入常温去离子水作为封液，压力为1.2MPa。
　　1.2泄漏现象
　　机械密封使用初期密封性能良好，约使用250h后外侧密封出现泄漏，泄漏物为密封水。起初为滴漏，约300h后泄漏量超过0.25L/min，无法满足正常使用。且在此过程中发现冷却水储罐中的液位损失大于外侧密封的泄露量，由此判定，内侧密封液同样出现了泄漏现象。
　　1.3机械密封受损现象
　　在对机械密封进行拆解检查后，发现以下几个不正常受损现象。外侧密封的石墨环端面有明显磨损痕迹，且密封面外圆部分磨损较为严重（如图2）；外侧密封的硬质合金环端面的磨损痕迹宽度略大于石墨环短面磨损痕迹的宽度；内侧密封的静环移位并被卡死，未进入设计的安装位置（如图3）；密封腔内出现釜内物料痕迹。此外，内侧密封面没有明显的磨损痕迹；0形圈弹性良好，没有出现明显的变形和划伤。
　　2故障分析
　　通过对设备故障现场的了解并结合查阅了相关技术资料，加上自身多年积累的工作经验及与机械密封生产厂家的技术人员进行沟通交流，我们基本分析出了该机械密封的受损过程和原因。
　　2.1辅助密封使用情况
　　作为机械密封结构中的辅助密封件（如橡胶0形圈、四氟V形圈等），如果在设计、生产中有缺陷，或在安装使用中出现破损，也会造成机械密封的泄漏。从对该机械密封橡胶0形圈的压缩量的再次复核，及分析0形圈的使用情况，可以排除从0形圈处泄漏的可能。也就是说，该机械密封所使用的0形圈，设计、选材、制作都是满足使用要求的。
　　2.2端面磨损量
　　从端面磨损情况来分析，内侧密封端面没有明显磨损痕迹，这在使用不足300小时的情况下属于正常现象。而外侧密封端面磨损痕迹明显，磨损量大于正常范围，应是端面比压过大造成的。从机械密封结构上看，该机械密封属于背对背双端面结构，且内外两侧的机械密封完全相同。在实际使用过程中，外侧密封介于密封腔和大气之间，所承受的压力为密封腔的绝对压力（1.2MPa）；内侧机封介于反应釜腔体和密封腔之间，所承受的压力为反应釜腔体和密封腔之间的相对压力（1.2-0.96=0.24MPa）。由此可以看出，外侧密封所承受的压力远大于内侧，如使用相同的机械密封，外侧密封的端面比压也会远大于内侧，这就解释了外侧密封端面过度磨损的原因。
　　2.3端面磨损痕迹
　　从端面磨损痕迹分析，可以得出以下两个结论：
　　1）从外侧石墨环的磨损痕迹来看，其与硬质合金环实际贴合的部分仅占环宽的1/2左右，且集中在环外侧。这就使外侧密封端面的有效贴合宽度比设计宽度缩小了一半，造成外侧密封的端面比压高于设计数值，也是密封端面过度磨损的另一个原因。这样的现象，是由于端面变形造成的，而造成变形的原因主要是石墨环外圆一侧接触的是高压密封水，内侧接触的是常压大气，在压力作用下，厚度较小的端面位置会受压变形，形成“倒喇叭口状”，使石墨环端面只有外侧部分与硬质合金环接触（如图4）。内侧密封由于其内外的压差较小，所以不易出现这种情况;
　　2）从外侧硬质合金环的磨损痕迹来看，其磨损痕迹略宽与石墨环的磨损痕迹。而硬质合金环为动环，与搅拌轴相连，这种现象证明搅拌轴在旋转过程中出现了径向摆动。机械密封的使用技术要求对轴的径向跳动范围上限为0.06mm，从磨损痕迹来看，该机械密封的径向跳动明显超出了这个范围。过度的径向跳动，会造成机械密封端面磨损不均匀，端面磨损加剧，补偿环无法及时补偿等一系列问题。
　　2.4内侧密封泄漏
　　从外侧密封泄漏量和密封水储罐液位损失的对比可以看出，内侧密封也同样出现了泄漏现象，有一部分密封水泄漏到了反应釜内。拆解机械密封时，发现了两个与内侧密封相关的问题，一是内侧密封静环错位；二是密封腔内出现了反应釜内的介质。从理论上说，密封腔的压力高于釜内压力，釜内介质是不会进入密封腔的。实际情况是，密封腔内压力由接入密封水储罐的高压氮气提供，压力比较稳定，而釜内由于在不断进行化学反应，其压力随时会出现波动，无法始终控制在设计范围以内。从机械密封结构分析，如果釜内压力在瞬间达到一定数值，釜内压力将推动内侧静环，使其脱离安装位置，同时釜内介质也会进入密封腔。当釜内压力降低时，内侧静环在机械密封弹簧和密封腔内压力的共同作用下，会向着原安装位置移动，但由于静环安装位置的配合间隙较小，如果静环的移动稍有不均匀，很容易由于偏斜而被卡死。静环被卡死后，始终处于偏斜位置，密封端面无法有效贴合，机械密封也就丧失了密封效果。
　　3 解决方案
　　基于对机械密封的故障分析，针对造成密封泄漏的各个原因，我们对该机械密封进行了以下几处改造，以使其达到应有的使用效果。
　　3.1机械密封设计参数优化
　　原机械密封内外两侧的设计参数相同，平衡系数为0.81，弹簧比压为0.18MPa。按照这个设计参数计算，外侧密封的端面比压为0.55MPa，内侧密封的端面比压为0.26MPa。
　　从数据上看，外侧密封端面比压偏高。对外侧密封的平衡直径及密封端面有效结合面尺寸进行修改后，平衡系数调整为0.68，则密封的端面比压为0.4MPa，这样可以有效缓解外侧密封端面过度磨损的问题。
　　通过对内侧密封参数的核算发现，当釜内压力高于密封腔压力0.6 MPa，即达到1.8 MPa时，釜内压力将大于密封腔压力与机械密封弹簧力的合力，内侧密封的静环可能发生移位。通过增加弹簧数量，将内侧密封的弹簧比压提高到0.28MPa，这样，釜内压力需高于密封腔压力1MPa，即达到2.2MPa时，釜内压力才能与密封腔压力与机械密封弹簧力的合力相等，降低了内测静环由于釜内压力瞬间升高而发生移位的可能性。同时，改变了弹簧比压之后，在正常工作情况下，内侧密封的端面比压为0.35MPa，仍在合理范围以内。
　　3.2解决密封环变形的问题
　　对于该机械密封，由于外侧静环受压较大，容易变形，需选择更合理的结构和材质以提高环的强度。原密封采用的是金属座镶嵌浸树脂石墨，这种结构本身存在镶嵌应力，端面易变形，较高的压力更加剧了环的变形量。所以考虑改用整体石墨环，整体环不存在内部应力，而且内部材质强度也基本一致，在受压的情况下变形量较小。同时，将原石墨环接触面台阶高度3mm改为1.5mm，缩短了最薄位置的尺寸，同时根部倒圆（如图5），进一步提升端面的抗变形强度。在材质选取上，选用强度更高的浸金属石墨。以上几项措施，基本解决了外侧石墨环端面变形的问题。
　　3.3解决搅拌轴径向跳动的问题
　　反应釜搅拌轴径向跳动过大，主要是由于轴承老化。经检查，轴承已有明显磨损，无法达到正常的使用要求。更换轴承后，搅拌轴径向跳动能够控制在规定范围以内。
　　3.4解决内侧密封静环移位问题
　　虽然在设计参数上已对内侧密封进行了调整，内侧密封抗釜内压力的能力明显提高，但釜内化学反应过程难以预计，仍不排除能瞬间产生高压，使内侧静环移位的可能。在实际使用过程中，如果釜内瞬间压力升高，有少量介质进入密封腔，待压力降低后，机械密封各部件能回归原位，密封仍能正常使用，否则密封将失效。因此，在此次改造时，考虑用挡板限制静环的位置（如图6）。经改造，内侧静环背部受压时无法向外运动，当压力过高时，动环可能向外运动，密封面可能瞬间打开，但由于动环是可以在轴上浮动的补偿环，压力下降后能马上回到原位，不会对机械密封的继续使用造成影响。
　　4改造效果
　　经改造，该机械密封已正常工作6 000h，泄漏量微小，远低于国家关于釜用机械密封泄漏量15mL/h的标准，达到机械密封 8 000h的工作要求应不存在问题。
　　5结论
　　通过对该机械密封进行故障分析和技术改造的过程，可以反映釜用机械密封的几个特点。
　　5.1端面变形
　　釜用机械密封轴径一般较大（如该机械密封的轴径达到180mm），所使用的密封环尺寸也较大。密封环尺寸偏大则造成环的强度降低，因此在设计和选材时应考虑密封环的抗变形能力。
　　5.2设计参数
　　对于该机械密封所采用的双端面结构，应考虑到内外两侧所承受的压力差距很大，应采用不同的设计参数，使内外两侧的密封端面比压值都处在合理范围以内。
　　5.3釜内瞬间高压
　　反应釜由于内部进行化学反应，反应过程中，釜内压力不稳定，有可能产生瞬间高压。在机械密封设计时，应尽可能提高机械密封抗反向压力的能力，并对一些可能会由于反压而产生移位的零件（如静环）加以限位。
　　5.4其他
　　在拆解机械密封进行故障分析时，对其他关键部位，如辅助密封圈，冷却管路等也应详细观察。
　　
　　参考文献
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