PTA氧化反應(yīng)器攪拌器機械密封失效分析

繆建軍（儀征化纖有限責(zé)任公司PTA生產(chǎn)中心，江蘇儀征 211900）

PTA氧化反應(yīng)器攪拌器機械密封失效分析

繆建軍
（儀征化纖有限責(zé)任公司PTA生產(chǎn)中心，江蘇儀征 211900）

通過對PTA氧化反應(yīng)器攪拌器機械密封的失效機理進行分析，查找導(dǎo)致機封頻繁失效的原因，并制定解決方案。

氧化反應(yīng)器攪拌器；機械密封；有限元分析；失效分析

PTA氧化反應(yīng)器是PTA裝置的關(guān)鍵設(shè)備。近年來，連續(xù)發(fā)生2次機械密封（下稱機封）投用3個月后從檢漏口外漏密封水，隨后泄漏量逐步加劇，為防止密封水進入機封上部的滾動軸承而抱死的事故，繼而停車更換機封。這樣的運行狀態(tài)嚴(yán)重制約裝置長周期的運行。通過對失效機封進行拆解分析，發(fā)現(xiàn)失效機封的故障特征相似，因此結(jié)合機封的運行工況，從機封的故障特征、有限元分析、部件尺寸檢查等方面入手，最終發(fā)現(xiàn)機封頻繁失效的原因是機封制造過程中短軸套總成與動環(huán)座之間的傳動銷與銷孔間隙偏差導(dǎo)致。

1　失效機封的工況及結(jié)構(gòu)

1.1機封的工況條件

從PTA氧化反應(yīng)器機封的工況參數(shù)表可以看到：攪拌器的轉(zhuǎn)速為31～64r/min RPM（攪拌器2檔轉(zhuǎn)速切換），機封運轉(zhuǎn)線速度較低；工作溫度199.6℃，采用連續(xù)供密封水（進行冷卻沖洗；密封水壓力1.8MPa，流量要求600-800L/h。外加底部循環(huán)水冷卻夾套進行降溫。而反應(yīng)器內(nèi)工作壓力為1.6MPa，滿足介質(zhì)側(cè)密封壓差0.2～0.5MPa的設(shè)計要求。

1.2機封的結(jié)構(gòu)原理

從機封的結(jié)構(gòu)示意圖（圖1）可以看出：該機封為雙端面結(jié)構(gòu)，上/下密封副之間采用了單獨彈簧結(jié)構(gòu)，共32件，材質(zhì)哈氏C-276。相較于共用彈簧結(jié)構(gòu)，可以避免其中一個密封副出現(xiàn)泄漏，而確保另外一個密封副不受影響。軸套與攪拌軸之間通過收縮盤進行鎖緊，傳遞扭矩。

圖1　機封結(jié)構(gòu)示意圖

2　機封的失效過程和現(xiàn)象

2.1故障特征

（1）每次氧化反應(yīng)器的機封在運行過程中的失效過程大致表現(xiàn)為：一般運行3個月左右，機封檢漏口出現(xiàn)密封水滴漏，然后逐步加大，再運行幾個月后，檢漏口的密封水來不及排放，隨之進入機封上部防止攪拌軸擺動的圓錐滾子軸承，最后被迫停車更換。

（2）解體圖片和現(xiàn)象

其中第一次使用時間6個月，石墨環(huán)（動環(huán)）有異常磨損，沒有斷裂。第二次使用3個月，石墨環(huán)磨損正常，沒有劃傷、腐蝕和斷裂。

圖2　介質(zhì)側(cè)密封環(huán)

圖3 大氣側(cè)密封環(huán)

兩次機封失效彈簧都發(fā)生了1/3折斷和1/3的磨損現(xiàn)象。

圖4　彈簧斷裂

圖5　彈簧磨損

3　故障分析

3.1有限元分析

由于密封幅有了損壞，首先從設(shè)計角度對機封進行驗證，對摩擦副與動環(huán)（補償環(huán)）座進行有限元分析（非線性接觸分析與摩擦副耦合分析），分析過程及結(jié)果如下

（1）圖6、圖7描述了按照設(shè)計模型進行有限元分析的前處理，建立模型并且劃分網(wǎng)格，加載相應(yīng)的邊界條件。由于使用鑲裝結(jié)構(gòu)、定義了接觸邊界，為了計算鑲裝過盈量對機械密封端面的變形影響以及鑲裝應(yīng)力對摩擦副的影響。

圖6　密封模型與網(wǎng)格劃分

圖7 鑲裝與支撐接觸面定義

（2）圖8，圖9是機械密封初始的彈簧力與加載約束點。為計算機械密封變形趨勢建立相應(yīng)的計算條件。

（3）圖10是摩擦副端面與動靜環(huán)接觸處溫度場分布圖，圖11是其局部溫度場放大圖。溫度最高點為75.3℃，溫度最低處為動環(huán)座59.7℃，摩擦副端面的接觸溫度最高，靜環(huán)的溫度要稍高于動環(huán)的溫度點。

圖8　彈簧力的加載

圖9 約束加載

圖10　溫度場分布

圖11　溫度場局部放大圖

（4）圖12是機械密封幅在溫度與壓力的作用下的變形情況，可以看出變形的趨勢。硬質(zhì)合金的環(huán)由于其自身機械性能的高抗可壓性其向內(nèi)的收縮的趨勢不明顯，石墨環(huán)由于在鑲裝環(huán)的拉力下，向內(nèi)變形的趨勢變緩，但是相對于硬質(zhì)合金還是有稍許向內(nèi)變形的趨勢，機封在正常工況下的變形量只是很小的0.1條光帶。

圖12　在溫度與壓力共同作用的下變形

（5）圖13為端面間的流體壓力與接觸壓力分布，可以看到，流體壓力Pfluid在端面間成類線性分布，符合機封端面分類規(guī)律。接觸壓力Pcontact的最高點在靠近內(nèi)徑側(cè)方向，在摩擦副在內(nèi)徑側(cè)相對溫度較高符合溫度場分布的規(guī)律。流體成為一個微收斂的間隙內(nèi)流動，具有較好的剛度與抗變性。

圖13　端面間的流體壓力與接觸壓力分布

（6）圖14為端面間溶膜分布，可以看出在膜厚最薄的位置，恰好是接觸應(yīng)力Pcontact最高的地方，與圖13計算吻合；并且與Hfea曲線相具有一致性，表明流體的壓力與溫度的影響并沒有使摩擦副發(fā)生較明顯的端面變形。

（7）圖15為端面間溫度分布，與上述計算均具有一致性。

（8）圖16為接觸應(yīng)力，鑲裝應(yīng)力與動環(huán)座的支撐應(yīng)力，作用力都是材料可以滿足的應(yīng)力范圍內(nèi)。

（9）圖17、圖18為動環(huán)與靜環(huán)的von mises應(yīng)力分布。均滿足材料的要求。

（10）沖洗量校核計算：計算獲得摩擦副及旋轉(zhuǎn)件的摩擦功率為：P=824W。沖洗量要求：Q=Pt/（ρ*C*Δt）=2.25L/min=135L/h。

圖14　端面間液膜分布

圖15　端面間溫度分布

圖16　接觸應(yīng)力分布

圖17　VON MISES應(yīng)力分布（動環(huán)）

圖18 VON MISES應(yīng)力分布 （靜環(huán)）

故，Q'=2*Q*n=135*2*2.5（安全系數(shù)：2.5）=675L/h。

該機封正常運轉(zhuǎn)所需要的密封沖洗循環(huán)量為675L/h，現(xiàn)場密封水600-800L/h的流量能滿足機封正常運轉(zhuǎn)要求。

（11）理論設(shè)計結(jié)論

該機封通過應(yīng)力分析，結(jié)果表機該封能夠保證在正常工況下連續(xù)、可靠的運轉(zhuǎn)。

3.2對彈簧的材質(zhì)進行了化學(xué)成分分析

將斷裂的彈簧用光譜儀進行了測定，成分符合ASTM B575 N10276規(guī)范的要求。

3.3檢查工藝操作條件

由于該設(shè)備為中心特護設(shè)備，有齊全的設(shè)備、工藝數(shù)據(jù)記錄，經(jīng)查詢每天的操作數(shù)據(jù)，沒有發(fā)現(xiàn)異常波動，均在正常范圍內(nèi)。

3.4上下端面部件尺寸檢查

最后我們將剩余完好的彈簧回裝到解體的機封上進行部件尺寸測量。發(fā)現(xiàn)2套機封的短軸套總成與動環(huán)座之間的4只傳動銷與銷孔間隙均大于彈簧與彈簧孔的間隙值，第一套大3mm，第二套大2.5mm。

4　失效結(jié)論

結(jié)合密封幅應(yīng)力分析，彈簧材質(zhì)分析、工藝操作條件的變化以及密封部件尺寸的檢查，判斷機械密封失效原因為：傳動銷與柱孔間隙值大于了彈簧與彈簧孔的間隙值。密封幅在旋轉(zhuǎn)過程中，傳動銷沒有發(fā)揮傳遞扭矩的作用，而由彈簧來承受圓周方向的剪切力，經(jīng)過一段時間的運行后，部分彈簧開始變形、疲勞折斷，繼而密封幅比壓Pc不規(guī)則變小，發(fā)生泄漏。第一套機封運行時間較長，密封幅的石墨環(huán)發(fā)生磨損，第二套機封運行時間段，石墨環(huán)異常磨損未表現(xiàn)出來。

5　結(jié)構(gòu)改進

廠家在保證部件強度不變的前提下，對傳動銷與銷孔間隙值和結(jié)構(gòu)進行了改進和完善，數(shù)值上規(guī)定傳動銷與銷孔間隙比彈簧與彈簧孔間隙小3mm，裝配后嚴(yán)格檢查。結(jié)構(gòu)上傳動銷的圓周設(shè)計了PEEK保護套，避免機封在啟動瞬間中對密封幅的沖擊。修改的結(jié)構(gòu)見圖19。

圖19　傳動銷

6　結(jié)束語

1）經(jīng)過對該機封傳動銷的改進和完善，目前機封運轉(zhuǎn)正常，運行周期已經(jīng)達到2.5年，證明分析的故障原因是準(zhǔn)確的。

2）機封廠家在機封結(jié)構(gòu)設(shè)計，機械加工的時候，不但重視密封幅主結(jié)構(gòu)，還要關(guān)注小部件對機封的影響。從設(shè)計上把關(guān)，從加工裝配上控制。

Failure Analysis of Mechanical Seal of PTA Oxidation Reactor Agitator

Miao Jian-jun

Based on the failure analysis of mechanical seal of PTA Oxidation Reactor Agitator，try to find out the failure causes，then develop solutions.

PTA Oxidation Reactor Agitator；mechanical seal；FEM；Failure analysis

TH136

A

1003-6490（2016）03-0096-03

2016-03-16

羅嵐（1984—），女，四川巴中人，工程師，主要研究方向為HSE管理和安全環(huán)保節(jié)能。