PTA第一精制結(jié)晶攪拌器機(jī)械密封失效分析

袁立新

（中國石化儀征化纖股份有限公司PTA生產(chǎn)中心，江蘇儀征 211900）

設(shè)備改造

PTA第一精制結(jié)晶攪拌器機(jī)械密封失效分析

袁立新

（中國石化儀征化纖股份有限公司PTA生產(chǎn)中心，江蘇儀征 211900）

通過對PTA第一精制結(jié)晶器攪拌器機(jī)械密封的失效機(jī)理進(jìn)行分析，查找導(dǎo)致機(jī)封頻繁失效的深層次原因，并制定具體的解決方案。

PTA第一精制結(jié)晶攪拌器 機(jī)械密封 失效分析 穩(wěn)定軸承

PTA第一結(jié)晶器是PTA生產(chǎn)主流程中的一臺關(guān)鍵設(shè)備。近年來，該結(jié)晶器機(jī)械密封頻繁失效，機(jī)封的使用壽命短（平均6個(gè)月左右），已經(jīng)成為困擾裝置長周期穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)突出問題。通過對失效機(jī)封進(jìn)行拆解分析，發(fā)現(xiàn)幾乎每臺失效機(jī)封的故障特征都非常相似，筆者結(jié)合機(jī)封的運(yùn)行工況，從機(jī)封的故障特征、結(jié)構(gòu)選型以及攪拌器的日常維修等方面進(jìn)行分析，最終發(fā)現(xiàn)機(jī)封頻繁失效的根本原因除了存在選型不當(dāng)、機(jī)封結(jié)構(gòu)不合理等問題，多年來對攪拌器上部穩(wěn)定軸承缺乏檢修和調(diào)試也是導(dǎo)致該機(jī)械密封頻繁失效的兩個(gè)重要原因。

1 失效機(jī)封的工況及結(jié)構(gòu)

1.1 機(jī)封的工況條件

從PTA第一結(jié)晶器機(jī)封的工況參數(shù)表（表1）可以看到：攪拌器的轉(zhuǎn)速為46 r／m in，為低轉(zhuǎn)速工況；工作溫度240℃左右，故采用連續(xù)供給的工藝脫鹽水進(jìn)行密封冷卻和沖洗；密封水壓力4.0～4.6 MPa，而結(jié)晶器釜內(nèi)工作壓力為3.4～4.2 MPa，滿足介質(zhì)側(cè)密封壓差0.2～0.5 MPa的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，密封底座上也設(shè)計(jì)了循環(huán)水冷卻夾套。

表1 PTA第一結(jié)晶器機(jī)封工況表

1.2 機(jī)封的結(jié)構(gòu)原理

從機(jī)封的結(jié)構(gòu)示意圖（圖1）可以看出：該機(jī)封為雙端面密封，上／下密封副之間采用了共用彈簧結(jié)構(gòu)（件4和件5）。機(jī)封采用水作為密封液，密封水為連續(xù)管道供水。軸套（件12）與攪拌軸（件10）之間通過收縮盤（件9）進(jìn)行鎖緊聯(lián)接，傳遞運(yùn)動。據(jù)供貨商陳述，精制結(jié)晶器采用共用彈簧的機(jī)封結(jié)構(gòu)，主要是考慮：一旦上端面或者下端面動／靜環(huán)出現(xiàn)磨損，可以通過共用彈簧在上／下密封副之間進(jìn)行一定的壓縮量調(diào)節(jié)補(bǔ)償。但是這種共用彈簧結(jié)構(gòu)可能存在的一個(gè)弊端在于：一旦上／下密封副中有一個(gè)出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，則會對另外一個(gè)密封副直接造成影響。

圖1 改進(jìn)前的機(jī)封裝配示意圖

2 機(jī)封的失效分析

2.1 故障特征

a）據(jù)統(tǒng)計(jì)，每次精制結(jié)晶器機(jī)封在運(yùn)行過程中的失效過程都大致表現(xiàn)為：首先在大氣側(cè)的檢漏口出現(xiàn)密封水微微滴漏，仔細(xì)觀察會發(fā)現(xiàn)機(jī)封的軸套出現(xiàn)了向上的位移竄量。開始時(shí)竄量較小，密封水的漏量也很小；隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，機(jī)封的軸套竄量會越來越大，雖然密封水外漏情況仍然不太明顯，但是內(nèi)漏卻越漏越大，最后不得不停車更換機(jī)械密封。

b）通過對失效后的機(jī)封進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)幾乎每臺失效機(jī)封都具有非常相似的故障特征，主要表現(xiàn)為：機(jī)封的軸套都存在向上的位移竄量，機(jī)封大氣側(cè)靜環(huán)密封面存在環(huán)形深溝磨痕，機(jī)封的介質(zhì)側(cè)動環(huán)破損或斷裂、O形圈及四氟擋環(huán)破損或斷裂。

2.2 故障分析

2.2.1 機(jī)封大氣側(cè)靜環(huán)密封面出現(xiàn)磨痕的原因分析

機(jī)封大氣側(cè)靜環(huán)材料為碳化硅，靜環(huán)表面出現(xiàn)深溝環(huán)形磨痕，直接原因是由于軸套發(fā)生了向上的位移竄量所致。一旦軸套發(fā)生向上竄動，會帶動動環(huán)向上位移，導(dǎo)致大氣側(cè)密封副的動／靜環(huán)接觸面的比壓驟升，端面比壓加大，端面密封液膜受到破壞，摩擦副接觸面產(chǎn)生過度磨損，在密封面上形成較深的磨痕。

2.2.2 機(jī)封在運(yùn)行過程中出現(xiàn)大量內(nèi)漏的原因分析

以最近的一次機(jī)封失效情況為例：結(jié)晶器機(jī)封更換運(yùn)行半個(gè)月左右，機(jī)封的檢漏口開始出現(xiàn)密封水外漏現(xiàn)象，每分鐘大概200 mL（12 L／h）。檢查現(xiàn)場密封水進(jìn)口流量為800 L／h，回水流量為750 L／h，密封水壓力4.6 MPa，800-750-12＝38 L／h，說明該機(jī)封存在發(fā)生外漏的同時(shí)，還存在38 L／h的內(nèi)漏。進(jìn)一步測量發(fā)現(xiàn)：機(jī)封軸套發(fā)生向上位移，竄動量約2.5～3 mm。

由于機(jī)封運(yùn)行過程中在介質(zhì)側(cè)與結(jié)晶器釜內(nèi)僅存在0.2～0.5 MPa的壓差，但是出現(xiàn)了38 L／h的內(nèi)漏量，漏量如此之大，說明介質(zhì)側(cè)密封端面產(chǎn)生不穩(wěn)定間隙，可能原因就是：由于軸套發(fā)生了2.5～3 mm的向上位移，通過上／下兩個(gè)密封副之間的共用彈簧調(diào)節(jié)補(bǔ)償，導(dǎo)致介質(zhì)側(cè)密封端面由平面接觸變成錐面接觸或者不穩(wěn)定間隙接觸狀態(tài)，才會引起密封水大量內(nèi)側(cè)泄漏。

2.2.3 機(jī)封的介質(zhì)側(cè)動環(huán)、O形圈及四氟擋斷裂破損的原因分析

介質(zhì)側(cè)動環(huán)斷裂破損，斷口顏色陳舊，判斷為機(jī)封失效達(dá)到一定程度時(shí)，介質(zhì)側(cè)密封面發(fā)生封液失壓，使密封產(chǎn)生反壓，導(dǎo)致摩擦副環(huán)斷裂。斷裂的動環(huán)對O形圈及四氟擋環(huán)造成擠壓，導(dǎo)致O形圈及四氟擋損壞。

2.3 故障判斷

2.3.1 機(jī)封的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面存在缺陷

綜合上述機(jī)封失效原因分析，可以看出一個(gè)共同而且明顯的故障特征：機(jī)封在運(yùn)行過程中頻繁發(fā)生軸套沿軸向向上位移，而且軸套位移總是發(fā)生在故障初起狀態(tài)，這是造成該機(jī)封頻繁失效的直接原因。不同機(jī)封在不同時(shí)間周期內(nèi)均出現(xiàn)同一種故障特征，不是屬于偶然發(fā)生的問題，有必要從機(jī)封的選型和結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行系統(tǒng)分析。

機(jī)封在運(yùn)行過程中，由于釜內(nèi)的壓力直接作用在軸套下端面，軸套因受到釜內(nèi)壓力的作用產(chǎn)生一個(gè)向上的推力。從結(jié)構(gòu)上看，軸套與攪拌軸之間是通過一個(gè)鎖緊盤進(jìn)行鎖緊傳動。如果鎖緊盤設(shè)計(jì)合理或者鎖緊盤鎖緊操作符合要求，應(yīng)該不會出現(xiàn)軸套向上竄動的情況。另一方面，即使軸套發(fā)生了少量的軸向位移，如果不是采用共用彈簧結(jié)構(gòu)，機(jī)封的下端面密封狀態(tài)也不會受到嚴(yán)重影響，不會出現(xiàn)密封水大量內(nèi)漏的現(xiàn)象。

2.3.2 攪拌器上部穩(wěn)定軸承對機(jī)封運(yùn)行的影響

如圖2所示為攪拌器上部穩(wěn)定軸承裝配示意圖，從圖中可以看出，該攪拌器機(jī)封上方設(shè)計(jì)了一套軸的穩(wěn)定系統(tǒng)，以防止攪拌軸晃動對機(jī)封運(yùn)行造成影響。

圖2 攪拌器穩(wěn)定上部穩(wěn)定軸承裝配示意圖

該系統(tǒng)是通過一對圓錐滾子軸承（件4）相互作用消除攪拌軸的徑向和軸向推力，每次大修期間都要通過調(diào)節(jié)軸承間隙調(diào)節(jié)螺母（件7），將軸承的軸向間隙控制在0.2 mm以內(nèi)。但是檢查中發(fā)現(xiàn)，該軸承由于多年在檢修調(diào)試方面缺失，軸承游隙已經(jīng)達(dá)到1 mm左右，即使將調(diào)節(jié)螺母調(diào)到極限狀態(tài)，軸承游隙仍然在0.5 mm以上，超過了機(jī)封允許的0.5 mm的最大軸向竄量。

2.3.3 齒輪箱輸出軸的竄量太大也是造成機(jī)封軸套沿著軸向向上位移的一個(gè)重要原因

由于該結(jié)晶器攪拌器結(jié)構(gòu)上采用了推進(jìn)式葉輪，在攪拌器運(yùn)動過程中，物料會對攪拌器葉輪施加一個(gè)強(qiáng)大的向上的反作用力。理論上，這個(gè)反作用力主要是依靠攪拌器減速箱輸出軸上的一對圓錐滾子軸承來消除。按照齒輪箱設(shè)計(jì)參數(shù)，通常其輸出軸的竄量需要控制在0.03～0.08 mm。如果減速箱輸出軸的竄量太大，就會導(dǎo)致攪拌軸向上竄動，進(jìn)而通過機(jī)封的鎖緊盤帶動機(jī)封軸套沿著軸向發(fā)生向上位移。通過對近幾年來發(fā)生的攪拌器機(jī)封失效案例進(jìn)行歸納分析，發(fā)現(xiàn)由于齒輪箱輸出軸的竄量太大導(dǎo)致機(jī)封失效的情況并不少見。

3 改進(jìn)方案

3.1 按照機(jī)封的實(shí)際工況條件對機(jī)封進(jìn)行重新選型

新選型機(jī)封采用高壓機(jī)封結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證高壓密封長周期的有效運(yùn)轉(zhuǎn)。改進(jìn)后的高壓機(jī)封裝配示意圖如圖3所示。

改型后的機(jī)封的上／下密封副分別采用獨(dú)立彈簧結(jié)構(gòu)，并在原結(jié)構(gòu)的鎖緊盤（件13）上方增加了一個(gè)Half形抱箍（件14），以增加軸套（件11）與軸（件18）之間的抱緊力，確保軸套在單向力的作用下不會出現(xiàn)向上的位移竄量。

3.2 要把攪拌器上部穩(wěn)定軸承間隙檢查調(diào)試納入到標(biāo)準(zhǔn)化檢修作業(yè)內(nèi)容并嚴(yán)格控制

以后，每次停車檢修都要安排對上部穩(wěn)定軸承的間隙進(jìn)行檢查和調(diào)整，將穩(wěn)定軸承的間隙檢查調(diào)試工作納入到標(biāo)準(zhǔn)化檢修作業(yè)內(nèi)容，并按照機(jī)封技術(shù)要求中規(guī)定的允許竄量在0.2 mm之內(nèi)，一旦超過這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)即需要對穩(wěn)定軸承進(jìn)行成對更換。

3.3 要加強(qiáng)對攪拌器齒輪箱檢修的質(zhì)量控制，特別要加強(qiáng)對齒輪箱輸出軸的竄量檢測和控制

圖3 改進(jìn)型機(jī)封裝配示意圖

由于齒輪箱輸出軸的竄量會導(dǎo)致攪拌軸的軸向定位受到影響。竄量太大，攪拌軸的軸向位移量也會增大，就可能導(dǎo)致機(jī)封軸套相對于機(jī)封發(fā)生向上的位移，進(jìn)而改變機(jī)封的運(yùn)行工況，加速機(jī)封失效。

4 結(jié) 論

a）PTA裝置中使用了大量的攪拌設(shè)備，其中絕大多數(shù)的攪拌器都采用了機(jī)械密封結(jié)構(gòu)。在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程中，影響機(jī)封使用壽命的因素很多。特別是在機(jī)封國產(chǎn)化改型過程中，尤其要審慎，確保機(jī)封的選型結(jié)構(gòu)必須滿足機(jī)封的運(yùn)行工況要求。對于工作溫度較高、釜內(nèi)工作壓力也較高的工況，一定要選用合適的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)。同時(shí)要考慮到PTA工藝介質(zhì)的腐蝕特性，在機(jī)封的材質(zhì)選用上要恰當(dāng)，要滿足裝置長周期穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

b）在進(jìn)行攪拌器大修的過程中，對于像PTA第一結(jié)晶器攪拌器這樣的設(shè)備，一定要將上／下穩(wěn)定軸承的檢查和檢修納入到重要檢修質(zhì)量控制內(nèi)容，防止因失修導(dǎo)致攪拌軸運(yùn)行過程中擺動或沖擊太大，進(jìn)而對機(jī)封的運(yùn)行狀態(tài)構(gòu)成影響。

c）要正確地按照機(jī)封供貨商提供的力矩要求，使用力矩扳手、按照收縮盤鎖緊的作業(yè)規(guī)程對機(jī)封的收縮盤正確地進(jìn)行鎖緊操作。

d）要加強(qiáng)對攪拌器減速箱的檢修質(zhì)量控制，將輸出軸的竄量控制在0.03～0.08 mm范圍內(nèi)，防止因軸竄量過大導(dǎo)致機(jī)封的密封元件受到損害。特別對于已經(jīng)出現(xiàn)軸套明顯向上位移的機(jī)封，就更應(yīng)該首先檢查齒輪箱輸出軸的竄量情況。另外，在進(jìn)行減速箱更新選型時(shí)，特別要注意輸出軸的軸承配置是否滿足承載軸向力的要求，盡量避免使用向心推力滾珠軸承。

Failure analysis of m echanical seal of First PTA Crystallizer Agitator

Yuan Lixin
（PTAManufacture Center of Yizheng Chemical Fibre Co．，Ltd．，Yizheng Jiangsu 211900，China）

Based on the failure analysis of mechanical seal of First PTA Crystallizer Agitator，try to find the deep-seated reasons for the frequent failure of the mechanical seal，and formusolutions.

First PTA Crystallizer Agitator；mechanical seal；failure analysis；stable bearing

TH136

B

1006-334X（2014）01-0050-04

2014-01-15

袁立新（1966—）男，江蘇靖江人，高級工程師，多年來一直從事聚酯、PTA裝置設(shè)備管理工作。