釜用機械密封失效分析及改進措施*

楊 鑫,白本宇,商 勇

(蘭州石化公司,甘肅蘭州 730060)

釜用機械密封失效分析及改進措施*

楊 鑫,白本宇,商 勇

(蘭州石化公司,甘肅蘭州 730060)

針對本裝置釜用機封運行情況進行分析,重點介紹反應釜常見機封失效的原因,結(jié)合本裝置釜用機封使用、檢修的實際情況,通過計算和分析機封失效的原因,提出針對性的改進措施。

機械密封;失效;密封液;動靜環(huán);彈簧

1 機械密封結(jié)構分析

機械密封是攪拌器安全穩(wěn)定運行的關鍵部件,釜用機封是雙端面平衡型、可承受攪拌徑向力的重型釜用機械密封。靜環(huán)材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)石墨,內(nèi)、外側(cè)動環(huán)材質(zhì)為硬質(zhì)合金,由多個螺旋彈簧通過壓緊圈及“O”形圈壓緊密封。

機械密封又稱端面密封(Mechanical Seal),是一種旋轉(zhuǎn)機械的軸封裝置,它是靠一對或幾對垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的端面在流體壓力和補償機構彈力(或磁力)的作用下以及輔助密封的配合下保持貼合并相對滑動而構成的防止流體泄漏的裝置。機械密封具有性能可靠、泄露量小、使用壽命長、功耗低、無須經(jīng)常維修的特點,適用于自動化生產(chǎn)過程中高溫、低溫、高壓、真空、高速以及各種強腐蝕性介質(zhì)、含固體顆粒介質(zhì)等苛刻工況的密封要求。

機械密封是流體機械和動力機械中重要的密封裝置,它對整臺機器設備、整套裝置甚至對整個生產(chǎn)過程的安全性都有很大的影響,是機械設備防漏、節(jié)能以及控制環(huán)境污染的重要基礎件。隨著高新技術和工業(yè)的高速發(fā)展,機械密封以其多方面的優(yōu)越性被廣泛應用[1]。機械密封由靜止環(huán)(靜環(huán))、旋轉(zhuǎn)環(huán)(動環(huán))、彈性元件、彈簧座、緊定螺釘、旋轉(zhuǎn)環(huán)輔助密封圈、和靜止環(huán)輔助密封圈等元件組成,釜用機械密封多為雙端面密封,其結(jié)構如圖1所示,由兩組動環(huán)和靜環(huán)采用背靠背的方式安裝。

圖1 機械密封結(jié)構

2 機械密封失效原因分析

轉(zhuǎn)動設備故障中,因機械密封泄漏而停機檢修的約占設備維修總量的50%左右。攪拌器使用的機械密封為雙端面機械密封,雙端面機械密封失效機理與單端面機械密封失效機理基本相同,主要是密封面的失效。在設備運行過程中,由于摩擦和攪拌產(chǎn)生的熱量會使密封面溫度升高,加之介質(zhì)的影響,就會出現(xiàn)密封面介質(zhì)的氣化、密封環(huán)變形、熱磨損,甚至出現(xiàn)熱裂。有的介質(zhì)在溫度變化時會加劇固化、聚合、結(jié)晶、結(jié)焦和腐蝕。種種非正常的工況將加劇或者短期內(nèi)直接導致密封失效。

機封失效的原因是多方面的,一方面是機封本身存在缺陷造成的,另一方面是外部因素影響機封的正常運行造成的,結(jié)合實際生產(chǎn)中遇到的問題,經(jīng)過分析可能有以下幾個原因:

(1)端面不平,即端面平面度、粗糙度未達到要求,或在使用前受到了損傷。

(2)輔助密封圈的故障:裝配性的故障有掉塊、裂口、碰傷、卷邊和扭曲;非裝配性的故障有變形、硬化、破裂和變質(zhì)。

(3)機械密封的端面比壓是影響密封性能和使用壽命的重要因素[2]。

(4)密封面溫度升高,導致動靜環(huán)變形甚至破損[3]。

(5)機封沖洗中斷或壓力、流量不滿足使用要求。

(6)攪拌軸底端定位松動,導致攪拌軸上端擺動量過大造成機封泄漏。

(7)安裝不正確,安裝尺寸未達到圖紙工作尺寸要求,包括關鍵零件的形位公差不滿足要求而導致的靜環(huán)安裝傾斜、端面變形等。

3 機械密封本體失效的改進措施

本裝置配備有多臺攪拌器,釜用機封使用平均壽命為4年,最長8年,最短2.5年。催化劑貯罐D(zhuǎn)-102是用于存儲催化劑的低壓儲罐,配套攪拌器J-102轉(zhuǎn)速較低。2012年該攪拌器檢修時曾反復安裝機封,仍未能解決密封油少量內(nèi)漏的問題,此次檢修使用的是非原裝機封、國產(chǎn)品牌,與原裝機封相比使用效果相對較差,下面以J-102攪拌器機封為例,按照上述失效原因(1)～(3)進行分析。

3.1 檢測端面粗糙度

首先對機封的端面進行檢查,用表面粗糙度測量儀分別取動、靜環(huán)摩擦端面8個點,測量粗糙度Ra (以催化劑貯罐J-102為例見表1)。由測量結(jié)果可知實際結(jié)果滿足小于額定最大粗糙度1.6的要求,不會造成泄漏,如表1所列。

表1 動、靜環(huán)摩擦端面粗糙度

3.2 檢測輔助密封圈

該機械密封輔助密封圈為“O形橡膠圈”。首先使用放大鏡對外觀完好程度進行檢查,其次,在拉伸狀態(tài)下再次檢查,發(fā)現(xiàn)O型圈無缺損、斷裂或變形。

3.2.1 計算O形圈壓縮量

式中:S為壓縮量[4];do為O形圈自由狀態(tài)斷面直徑137.5 mm;D1為配合內(nèi)徑140 mm;d1為O形環(huán)槽槽徑133 mm。

3.2.2 計算壓縮率

壓縮率為:K=S/do×100%=97%

3.2.3 計算O型圈密封面變形壓力

式中:Pr為O型圈變形壓力,0.6 MPa;D為O型圈內(nèi)徑133 mm;w為厚度,4mm;ε為壓縮比,設計要求, 8%～30%;Hs為材料硬度85～90(Shore)。

驗算后,密封圈壓縮量完全符合使用要求。

3.2.4 O型圈應力分析

通過應力分析軟件,將所測量的O型圈的數(shù)據(jù)帶入該軟件,得出分析圖如圖2,從圖2可看出,該O型圈受力均勻。

圖2 O型密封圈應力分析圖

3.3 彈簧性能驗證

該機械密封的彈簧材料是60Si2Mn,壓縮量為5～8 mm。機修人員在實際安裝時按照要求調(diào)整壓縮量,但無論取用多大壓縮量都不能起到有效密封作用[5]。

假設其他主觀因素都已達到安裝要求,下面通過計算機械密封本身的性能參數(shù),查找機械密封是否可能存在缺陷。彈簧材料為60Si2Mn(60硅錳)。這種材料具有抗沖擊性能好,但耐持久力不高,有增加表面脫碳和石墨化傾向的特點[6]。

已知條件:

彈簧材料直徑d=1 mm;彈簧直徑(即中徑)D=4 mm;彈簧外徑DO=5 mm;彈簧內(nèi)徑DI=3 mm;彈簧總?cè)?shù)n1=10圈;彈簧有效圈數(shù)n=8圈。

查表可得彈簧切變模量和彈性模量G=8×104kg/mm2,E=2.1×105kg/mm2;機封密封端外徑d2= 206 mm,密封端內(nèi)徑d1=191 mm,外部載荷P=0.3～0.6 MPa,彈簧總數(shù)N=24個,代入下列計算公式[7]:

為保證彈簧的穩(wěn)定性和可靠性,對該彈簧的靜強度進行驗算:

通過計算發(fā)現(xiàn)實際安全系數(shù)小于許用安全系數(shù),故該彈簧的靜強度穩(wěn)定性和可靠性不能滿足使用要求。實際安裝使用中,機修人員曾反復調(diào)整安裝該機封,密封效果均未能達到理想狀態(tài),這可能與機封彈簧的靜強度穩(wěn)定性和可靠性不能滿足使用要求有關。

為滿足彈簧靜強度的要求,可改變彈簧材質(zhì)或彈簧鋼絲尺寸,均會造成彈簧外形尺寸的改變,但攪拌器結(jié)構不可改變,所以受機封結(jié)構和尺寸的限制,改變彈簧本身條件不可行。通過上述計算過程可看出,彈簧的靜強度與密封端面面積成反比關系,那么調(diào)整密封端外徑和內(nèi)徑可使彈簧的靜強度滿足要求。

重新選取d2和d1可以滿足上述計算結(jié)果。

故調(diào)整密封端內(nèi)外徑尺寸,可以作為處理釜用機械密封失效的一種有效手段。

4 機械密封失效外部因素的改進措施

4.1 端面摩擦熱造成的動靜環(huán)變形或破損

密封端面溫度的升高,易導致動靜環(huán)變形甚至破損,而端面溫度升高的原因大致有密封液溫度升高和密封液含雜質(zhì)兩種,通常情況下使用的密封液都是物理性質(zhì)穩(wěn)定的潔凈液體,作用是密封、冷卻、潤滑等。

密封液在循環(huán)使用的過程中帶走機封運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量,如果密封液溫度不斷升高或者保持在較高溫度下,那么密封液的冷卻作用將極大的消弱,機封運轉(zhuǎn)累計的熱量得不到釋放將破壞動靜環(huán)結(jié)構,本裝置密封液系統(tǒng)使用循環(huán)水進行換熱冷卻,同時通過溫度計監(jiān)控密封液溫度,確保其溫度的要求范圍。

密封液另一個作用潤滑是以自身潔凈為前提的,但是在實際使用中,外部雜質(zhì)或多或少的都會進入密封液系統(tǒng)中,比如輸送管線和儲罐中殘留的雜質(zhì)、機封破損后脫落的細小顆粒,以及其它意想不到的途徑都可能給密封液帶來污染,當雜質(zhì)進入機封將增加機封的摩擦阻力、產(chǎn)生大量熱量,攪拌轉(zhuǎn)速越高,熱量越大,損壞速度越快,本裝置曾多次因機封進入雜質(zhì)造成機封泄漏,拆卸后靜環(huán)表面存在劃痕、凹槽、甚至破損,所以密封液的潔凈度也是機封長周期運行的關鍵,本裝置密封液入口處和密封液輸送泵入口處均安裝Y型過濾器,過濾器目數(shù)均在100以上,定期更換或清洗濾芯將能較好的保持密封液的潔凈度。

4.2 機封沖洗中斷或壓力、流量不滿足使用要求

若機封設計有沖洗線,則要確保沖洗壓力、流量及介質(zhì)的潔凈度,本裝置第三反應釜攪拌器是底入式攪拌器,反應釜底部存在聚丙烯顆粒物,通過丙烯沖洗隔離顆粒物,避免其進入機封造成損壞,該機封曾因全裝置停電、沖洗中斷造成機封泄漏,檢修時發(fā)現(xiàn)機封外觀基本完好,但密封端面存在少量顆粒物,造成機封密封失效。正常使用時,應使用潔凈介質(zhì),并控制其壓力和流量在要求范圍。

4.3 攪拌軸上端擺動量過大造成機封泄漏

本裝置第一、第二反應釜攪拌器均是頂入式攪拌器,長度7.19 m的攪拌軸貫穿反應釜,底部使用聚四氟乙烯材質(zhì)的圓筒式穩(wěn)定器固定攪拌軸底部。2006年第一反應釜攪拌器機封失效,經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)攪拌軸存在微小變形,上下部徑向跳動量差為1.2 mm,造成底部圓筒式穩(wěn)定器偏磨,導致攪拌軸擺動過大,影響機封穩(wěn)定性,目前使用高耐磨聚四氟乙烯材質(zhì)的穩(wěn)定器,延長磨損時間,同時定時檢查攪拌軸及機封運行狀況,及時發(fā)現(xiàn)并擇機更換該穩(wěn)定器。

另外,安裝不正確,安裝尺寸未達到圖紙工作尺寸要求,包括關鍵零件的形位公差不滿足要求而導致的靜環(huán)安裝傾斜、端面變形等均可能造成機封安裝即失效,這與維修人員的技術能力有關,本文不再贅述。

5 結(jié) 語

綜上所述,機封失效的原因是多方面的,需要根據(jù)實際情況分析內(nèi)因和外因,通過對比潤滑、冷卻、沖洗、密封液、電流、聲音等因素的變化,綜合判斷造成機封失效的可能原因,若能較好的做到日常的檢查和維護,也可能做到提前發(fā)現(xiàn)故障,做到預知維修。總之,良好的維護保養(yǎng)和穩(wěn)定的運行環(huán)境是機封長周期運行的有利條件。

[1] 胡國楨.化工密封技術[M].北京:化學工業(yè)出版社,1990.

[2] 張 涵.化工機器[M].北京:化學工業(yè)出版社,2005.

[3] 萬國榮.聚合釜機械密封的失效分析及防治措施[J].氯堿工業(yè),1998(3):37-41.

[4] 鐘良觀.O型圈的非標準溝槽計算[J].機械制造,1983(4):40-41.

[5] 田茂貴.高壓螺紋密封件[J].機床與液壓,1993(2):103-105.

[6] 李建設.液控單向閥剛?cè)崦芊饨Y(jié)構的可靠性[J].機床與液壓, 1993(5):285-287.

[7] 成大先.機械設計手冊[M].第5版.北京:化學工業(yè)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

楊 鑫(1986-),男,河北交河人,工程師,主要從事化工設備管理方面的工作。