碳四裝置羰基反應(yīng)器密封常見問題分析及技術(shù)改進(jìn)

劉勝華，廖建

碳四裝置羰基反應(yīng)器密封常見問題分析及技術(shù)改進(jìn)

劉勝華1，廖建2

（1.神華包頭煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.四川日機密封件股份有限責(zé)任公司，四川 成都 610045）

密封的運行狀態(tài)直接影響著整個設(shè)備是否能夠長周期穩(wěn)定運行。統(tǒng)計研究結(jié)果顯示機泵維修工作將近70%都與密封相關(guān)，密封是整個裝置中最易出問題的零部件。所以提高密封的可靠性，是提高整個裝置可靠性和運行效率的關(guān)鍵所在。本文總結(jié)了釜用密封常見的失效原因，并通過對國外密封的分析研究，提出了適用于國內(nèi)碳四裝置反應(yīng)器的密封方案，以神華包頭釜用密封為例，完成了具體裝置改造的內(nèi)容，并對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，最終實現(xiàn)設(shè)備長周期穩(wěn)定運行的目的。

羰基反應(yīng)器；雙端面機械密封；參數(shù)優(yōu)化

隨著我國化工行業(yè)加工水平的不斷提升，對碳四烴的綜合利用越來越精細(xì)化[1]。國內(nèi)來源于乙烯裝置和煉油裝置的碳四烴利用率不到40%；而一些發(fā)達(dá)國家對于碳四輕烴的利用率已經(jīng)高達(dá)到80%[2]。對碳四烴資源的再利用和深化加工已成為化工行業(yè)的一個新焦點[2]。

碳四烴主要包含1-丁烯、2-丁烯、1，2-丁二烯、1，3-丁二烯、異丁烯、1-丁炔、2-丁炔、烯基乙炔、正丁烷和異丁烷。從來源上來講，來自裂解制乙烯裝置的碳四烴，稱之為裂解碳四；來自煉廠催化裂化裝置的碳四烴，稱為煉廠混合碳四；而來自甲醇制烯烴裝置的碳四烴，稱之為煤基混合碳四。其中煤基混合碳四的主要組分是1-丁烯和2-丁烯；裂解碳四中的主要組分是異丁烯和1，3-丁二烯；煉廠混合碳四中的主要組分是2-丁烯、異丁烯和異丁烷。根據(jù)國內(nèi)外目前狀況，利用低壓羰基合成生產(chǎn)2-丙基庚醇（2-PH）主要有三種原料路線：1-丁烯路線、混合丁烯（只利用1-丁烯）路線和混合丁烯（1-丁烯、2-丁烯均可利用）路線。由于1-丁烯路線因原料難得而且價格高，因此沒有工業(yè)化。混合丁烯（只利用1-丁烯）路線雖然原料來源充足，價格較低，但由于原料利用率較低，使裝置的經(jīng)濟(jì)性收到影響。混合丁烯（1-丁烯、2-丁烯均可利用）路線充分利用了混合丁烯中的1-丁烯和2-丁烯，使產(chǎn)品具有較強的競爭性。因此選擇混合丁烯路線為目前國內(nèi)主要的生產(chǎn)路線。本文所討論的改進(jìn)型密封就主要配套于該生產(chǎn)線的裝置上。

1 釜用雙端面機械密封原理

為了限制或阻止高壓工藝介質(zhì)沿著旋轉(zhuǎn)設(shè)備的軸端泄漏到自然環(huán)境中，需要采取有效的密封方式。在所有的密封方式中，機械密封是較為可靠的一種[3-4]。釜用機械密封通常采用雙端面密封形式，也就是說整個結(jié)構(gòu)是由兩組摩擦副組成。如圖1所示，上面一組動靜環(huán)用來密封摩擦副隔離液，稱之為大氣側(cè)摩擦副或非介質(zhì)側(cè)摩擦副。而下面一組動靜環(huán)用來密封反應(yīng)釜內(nèi)的介質(zhì)，稱之為介質(zhì)側(cè)摩擦副。無論是非介質(zhì)側(cè)摩擦副還是介質(zhì)側(cè)摩擦副，都是由動環(huán)和靜環(huán)組成。靜環(huán)通過防轉(zhuǎn)銷釘、凸耳或螺絲安裝固定在靜環(huán)座上；動環(huán)壓緊在彈簧座上，與軸套通過密封圈和公差帶緊密固定連接在一起。介質(zhì)側(cè)和非介質(zhì)側(cè)摩擦副的動環(huán)，通過背靠背安置方式，共用一套彈性補償機構(gòu)，補償元件為軸向均勻布置的多顆小彈簧。這種布置方式，一般被稱之為背靠背雙端面機械密封。

1.纏繞墊 2.螺紋銷 3.腔體 4.O形圈 5.彈簧 6.冷卻夾套 7.動環(huán) 8.靜環(huán) 9.聯(lián)接螺釘 10.螺紋銷 11.緊定螺釘 12.傳動銷 13.緊定螺釘 14.壓蓋 15.軸套 16.隔離液入口 17.鏈接螺釘 18.壓板

每一套密封都有補償機構(gòu)，釜用雙端面密封的補償力是由一圈軸向分布的小彈簧提供的。在兩組動環(huán)中間有一個小彈簧保持座，保持座被沿周向分布、垂直于軸的緊定螺釘鎖緊在軸套上，因此保持座沿軸向和周向都無法移動。保持座沿周向方向、平行于軸均勻地分布著若干通孔，這些通孔用來放置提供補償力的小彈簧。當(dāng)小彈簧被壓縮處于壓縮狀態(tài)后，便可以給介質(zhì)側(cè)和非介質(zhì)側(cè)摩擦副的動環(huán)提供補償力。因為共用一套補償機構(gòu)，所以介質(zhì)側(cè)和非介質(zhì)側(cè)摩擦副動環(huán)沿軸向方向所受的彈簧力大小相同、方向相反。摩擦副動環(huán)所受補償力的大小等于所有小彈簧的合力。

如圖1所示，介質(zhì)側(cè)壓蓋與冷卻水套之間為冷卻水，而冷卻水套與軸套之間的整個封閉空間內(nèi)將充滿隔離液，隔離液一般選用潤滑油。在設(shè)計時，隔離液的壓力會略高于釜內(nèi)的介質(zhì)壓力，這樣設(shè)計有兩個好處：一是會增大兩級密封摩擦副之間的接觸壓力，具有更好的密封性；二是隔離液能夠進(jìn)入密封端面，起到很好的潤滑作用，延長密封使用壽命。在密封運行過程中，隔離液可以將密封摩擦副產(chǎn)生的熱量及時地傳導(dǎo)給冷卻水套，最終由冷卻水把熱量導(dǎo)出帶走。釜用密封都有隔離液進(jìn)出口，進(jìn)口用于連接隔離液注油器，出口則用于放空排氣。出口流量還可用于檢測密封摩擦副狀態(tài)是否正常，因為當(dāng)密封摩擦副失效時，隔離液將從出口大量流出[5]。

2 釜用機械密封常見失效原因

2.1 結(jié)構(gòu)方面

機械密封主要是將容易泄漏的軸向密封改為了不易泄漏的端面密封（泄漏面由圓柱面改為了平面）。機械密封的摩擦副由一組專門設(shè)計的動靜環(huán)組成，靜環(huán)靠防轉(zhuǎn)銷或凸耳緊緊地固定在壓蓋或腔體上，而動環(huán)固定在軸套上，在介質(zhì)或密封油液壓力和彈簧壓力的共同作用下，其端面會與靜環(huán)端面緊密接觸在一起，構(gòu)成機械密封的摩擦副并最終起到密封的作用。而靜環(huán)與腔體之間、動環(huán)與軸套之間都屬相對靜止，靠密封圈形成靜密封，達(dá)到密封效果[6]。

（1）結(jié)構(gòu)不合理

對于特定的應(yīng)用工況，需要設(shè)計專門的密封結(jié)構(gòu)。當(dāng)對現(xiàn)場工況不是充分了解的情況下，所設(shè)計的密封很可能無法滿足泄漏量的要求。

（2）攪拌軸振動

機械振動是導(dǎo)致設(shè)備失效的一種常見原因，密封也不例外。如果反應(yīng)釜攪拌器運行時，物料密度不均勻等因素，攪拌軸可能發(fā)生強烈的偏擺振動，很容易造成機械密封損壞失效。

2.2 操作方面

（1）頻繁啟動

在設(shè)備運行過程中，由于生產(chǎn)需要，需要不斷停車、開車，而頻繁的起停將會使機械密封動、靜密封環(huán)的端面相互摩擦。長時間的摩擦，會產(chǎn)生大量熱量，造成密封端面間的液膜汽化，形成干摩擦，從而加快密封的失效[7]。

（2）密封水問題

為了降低摩擦生熱對密封壽命的影響，雙端面機械密封采用統(tǒng)一的密封水系統(tǒng)，密封水對機械密封有冷卻和密封的雙重作用。開車時需要注意密封水的流量和壓力，如果流量很小、壓力很低，則不能及時把密封端面生產(chǎn)的摩擦熱量帶走。熱量的短時急劇增加，容易使密封端面間的液膜遭到破壞，失去潤滑作用形成干摩擦。摩擦副一旦發(fā)生干摩擦，溫升又會快速上升，最終導(dǎo)致密封環(huán)熱裂、密封失效[8]。

（3）物理機理

密封有三個參數(shù)非常重要：溫度、壓力和流量。其中流量主要取決于設(shè)計，其值變化幅度不大。而溫度和壓力變化范圍大，而且彼此之間存在著內(nèi)在的物理變化規(guī)律。溫度升高則壓力增加。

假設(shè)當(dāng)溫度不變時，體積壓縮系數(shù)為[1,6]：

式中：為液體原來的體積，m3，；Δ為壓力變化量，kPa。

假設(shè)當(dāng)壓力保持不變時，溫度膨脹系數(shù)為：

式中：Δ為液體溫度的增加值，℃；Δ為體積的變化量，m3。

由式（1）、式（2）得：

如果不考慮Δ、Δ的絕對值，那么壓力差和溫度差是10000:1的關(guān)系[9]。

對于密封的維護(hù)維修，很多時候造成失效的真正原因是操作問題。操作失誤的主要原因是維修人員不熟悉甚至根本不了解機械密封及其輔助系統(tǒng)的工作原理和運行機制。例如對于雙端面機械密封，往往會忽略加壓筒上部留有一定容積氣室的重要性。當(dāng)工作人員使用手壓

泵加油時，如果不注意罐體液面位置，將會使密封液充滿整個系統(tǒng)空間，氣體則被完全排除干凈，從而失去由于熱虹吸壓力液體阻封裝置保持密封液恒定壓力的作用。循環(huán)受阻冷卻散熱無法進(jìn)行，密封端面產(chǎn)生的摩擦熱得不到及時的散發(fā)，熱量經(jīng)過積累最后引起油液的溫度升高。而循環(huán)系統(tǒng)的容積是固定不變的，由于溫升壓力會成千上萬倍地劇增。這會造成極高的端面比壓，而端面比壓增加，致使端面貼合更加緊密，產(chǎn)生更多的摩擦熱。如此往復(fù)惡性循環(huán)，很快使得密封端面間的潤滑液膜汽化，形成干摩擦，最終導(dǎo)致密封失效[9]。

（4）軸套未鎖緊定位

這是安裝時容易出現(xiàn)的問題。隨著設(shè)備的加工精度越來越高，由于人為操作失誤導(dǎo)致的失效比例以后會越來越高。

2.3 設(shè)計方面

（1）密封端面偏磨

有時候?qū)C械密封進(jìn)行試靜壓測試時不漏，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)動起來后泄漏較大。把密封拆卸后發(fā)現(xiàn)，密封靜環(huán)端面有偏磨現(xiàn)象，即靜環(huán)端面只有部分區(qū)域有磨損。這說明在運行過程中靜環(huán)端面有一部分與動環(huán)端面接觸，還有一部分沒有與動環(huán)端面接觸，封液由此泄漏。造成這種現(xiàn)象的原因主要是由于靜環(huán)與動環(huán)的端面與軸中心線不垂直，或者說靜環(huán)和動環(huán)中心與主軸不同心引起的。偏心一般是由于密封環(huán)圓周方向壓縮量不等、密封端面壓力分布不均勻，環(huán)面上出現(xiàn)局部間隙，從而引起機械密封泄漏。為了防止密封端面偏磨，要提高密封的安裝過程要求，以確保密封環(huán)體安裝到位。

（2）密封端面比壓不夠

端面比壓是一個非常重要的參數(shù)，合理的端面比壓是機械密封長周期穩(wěn)定運行的重要保證。端面比壓選擇的首要原則是應(yīng)始終確保其值為正數(shù)，且數(shù)值大小不能低于端面液膜介質(zhì)飽和蒸汽壓。因為如果端面比壓小于端面液膜飽和蒸氣壓，端面液膜介質(zhì)蒸發(fā)，密封端面之間液膜完整性遭到破壞，有可能導(dǎo)致密封失效。彈簧比壓是端面比壓選取的重要控制參數(shù)，彈簧比壓的大小主要受到彈簧壓縮量的影響。

（3）密封環(huán)碎裂

相比其他失效形式，密封環(huán)碎裂是比較嚴(yán)重的一種，但這又是密封早期失效常見現(xiàn)象之一。如果設(shè)計不合理，密封環(huán)可能在短暫運行后出現(xiàn)碎裂。硬質(zhì)合金靜環(huán)失效主要表現(xiàn)為密封環(huán)面有裂紋或變形，而石墨動環(huán)主要表現(xiàn)為斷裂或碎裂。

（4）“O”型環(huán)安裝或選材不當(dāng)

“O”形圈是保證機械密封不發(fā)生泄漏的另一個保證因素，因此它的選材和安裝也極為重要不可忽視。

2.4 磨損

（1）機械磨損

當(dāng)潤滑狀態(tài)不好時，密封端面間的磨損是一種典型的機械磨損，機械磨損主要包括粘著磨損和磨粒磨損[10]。

當(dāng)密封端面潤滑膜未完全形成、端面摩擦溫度急劇上升迅速接近或達(dá)到環(huán)體材料軟化點的溫度時，密封端面軟化、形成微小撕裂破壞，形成粘著磨損。粘著磨損一般發(fā)生在設(shè)備長期停車后，從新開車的初始階段。為了防止粘著磨損，一方面通過提高密封材料軟化點，另一方面需要注意開車前的操作程序，千萬不可以先開車后通密封水，否則極易造成粘著磨損。

磨粒磨損是由于密封端面間進(jìn)入磨粒而造成。磨粒的來源有兩個方面：一是由于循環(huán)液或沖洗液未過濾干凈；二是由于密封端面長時間運行后，粗糙度較大的局部高點脫落形成磨粒，這種脫落非常普遍，這也是密封端面一種主要磨損形式。為了防止磨粒磨損的發(fā)生，一是要提高密封環(huán)材料的表面粗糙度和硬度；二是盡可能阻止外界磨粒進(jìn)入密封循環(huán)系統(tǒng)而最終進(jìn)入密封端面。阻止外界磨粒進(jìn)入密封端面最為有效的一種方法是在密封水循環(huán)管理上（進(jìn)入密封腔之前）加一個旋液分離器。

（2）腐蝕磨損

腐蝕是對化工設(shè)備影響最大的不利因素，大量的設(shè)備因為腐蝕而損壞報廢，造成的損失極大[7]。與此同時，經(jīng)過腐蝕的設(shè)備還存在著安全隱患[11-12]。

腐蝕磨損是腐蝕和磨損相疊加的一種設(shè)備失效形式，起因是由于表面發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)?；瘜W(xué)腐蝕磨損主要發(fā)生在金屬制密封環(huán)上，而電化學(xué)腐蝕主要發(fā)生在導(dǎo)電材料密封環(huán)上。無論是化學(xué)腐蝕還是電化學(xué)腐蝕，腐蝕速度都與溫度成正比，溫度越高，腐蝕速度越快[13]。為了防止腐蝕磨損，最有效的辦法是盡可能降低摩擦副對磨區(qū)域的溫度，最大限度降低摩擦端面（電）化學(xué)反應(yīng)的速度。

3 案例分析

以神華包頭煤化工有限責(zé)任公司碳四裝置一號羰基反應(yīng)攪拌器釜用機械密封國產(chǎn)化改造項目為例，基于以上失效原因分析，有針對性地對密封進(jìn)行了改型設(shè)計，最終實現(xiàn)了密封在反應(yīng)釜裝置上可以長周期穩(wěn)定運行的目的。

3.1 改造前密封結(jié)構(gòu)及問題

改造前采用國外約翰克蘭密封，原結(jié)構(gòu)采用盤管冷卻方式密封。

長期投運后，存在盤管焊接處失效，導(dǎo)致盤管掉落與內(nèi)密封之間發(fā)生摩擦，從而使大量的冷卻水進(jìn)入密封油；由于盤管內(nèi)徑小，現(xiàn)場冷卻水不干凈等原因，在長期運行后造成盤管堵塞，冷卻失效等問題。具體問題主要有：

（1）機械密封水夾套盤管6圈半，盤管數(shù)量較多，管徑外徑為6 mm，管內(nèi)徑太小，阻力大易堵塞；盤管安裝至機封中與轉(zhuǎn)動軸的空間較小，極易和軸發(fā)生摩擦；

（2）二級密封油系統(tǒng)操作彈性較小，在裝置非正常工況生產(chǎn)時，一、二級密封串漏的風(fēng)險，且在包頭地區(qū)晝夜溫差變化較大時，二級密封油壓波動較大，很難控制在合理值內(nèi)；

（3）夏季機封表面溫度較高，達(dá)到90℃，存在泄漏風(fēng)險；現(xiàn)場二級密封油管進(jìn)密封處管徑太小，且密封油管管路設(shè)計不合理，不滿足熱虹吸原理。

3.2 改進(jìn)密封方案

改型設(shè)計后的釜用機械密封如圖2所示。

圖2 改進(jìn)國內(nèi)密封方案

改進(jìn)型密封相比進(jìn)口釜用密封發(fā)生了很大的變化，主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)上：

（1）改進(jìn)型密封使用夾套冷卻結(jié)構(gòu)，進(jìn)口密封使用的盤管結(jié)構(gòu)；

（2）改進(jìn)型密封夾套與腔體之間無焊接點，都是通過O型圈密封；

（3）改進(jìn)型密封沖洗管路無急彎，通過入口加壓可以將管路雜質(zhì)自動清理出來；

（4）考慮到現(xiàn)場密封腔壓力不穩(wěn)的情況，改進(jìn)型密封把傳動環(huán)設(shè)計成雙排結(jié)構(gòu)；

（5）改進(jìn)型密封在油的出口與入口之間增加一臺磁力泵（強制循環(huán)泵），增加油的循環(huán)效果，把密封腔內(nèi)的熱量及時帶走，進(jìn)入罐體冷卻。

與進(jìn)口釜用密封相比，改進(jìn)型的密封優(yōu)勢特點如下：

（1）國產(chǎn)化后的改進(jìn)型密封使用夾套冷卻結(jié)構(gòu)，夾套結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是冷卻效果明顯，在沖洗水含有雜質(zhì)的情況下不易堵塞；而進(jìn)口密封盤管式冷卻由于盤管口徑小，如沖洗水中含雜質(zhì)，極易堵塞盤管，從而造成密封冷卻效果不好，密封發(fā)熱高。

（2）改進(jìn)型密封夾套與腔體之間都是通過O型圈密封，不存在脫落現(xiàn)象；而進(jìn)口的盤管采用的是焊接模式，存在斷裂隱患。

（3）改進(jìn)型密封沖洗管路設(shè)計更加合理，如果現(xiàn)場沖洗水中雜質(zhì)比較多的情況下，可以對改造后的密封沖洗水入口加壓沖洗，把夾套里面的雜質(zhì)沖出密封。

（4）改進(jìn)型把傳動環(huán)設(shè)計成雙排結(jié)構(gòu)，相比進(jìn)口的單排結(jié)構(gòu)更安全。

（5）由于該釜用密封轉(zhuǎn)速比較低，泵送效果不明顯，油在密封腔內(nèi)循環(huán)不好，如果僅靠熱虹吸散熱達(dá)不到理想的冷卻效果，所以改進(jìn)型在油的出口與入口之間增加一臺磁力泵（強制循環(huán)泵），增加油的循環(huán)效果，把密封腔內(nèi)的熱量及時帶走。

通過以上改進(jìn)措施，碳四裝置一號羰基反應(yīng)攪拌器釜用機械密封的使用效果得到了明顯的改善，不僅體現(xiàn)在密封使用的穩(wěn)定性和安全性方面，還體現(xiàn)在密封使用周期上面。改進(jìn)后的密封已經(jīng)在現(xiàn)場連續(xù)運行兩年多，從未因密封泄漏使裝置停車而影響生產(chǎn)。

4 結(jié)論

本文從四個方面總結(jié)了釜用機械密封失效的常見形式和失效原因。基于前面分析，最后以神華包頭煤化工有限責(zé)任公司碳四裝置一號羰基反應(yīng)攪拌器釜用機械密封為例，對其進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，并取得了良好的效果：

（1）密封失效的原因很多，只要掌握其工作原理，精心維護(hù)、認(rèn)真檢修，對出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象進(jìn)行及時分析處理，并采取積極改進(jìn)措施，就會防患于未然，有效地提高密封使用壽命。

（2）人為操作失誤是導(dǎo)致密封失效的主要原因之一，加強對維修人員專業(yè)知識的培訓(xùn)和操作指導(dǎo)，可以大幅降低密封的失效概率。

（3）在進(jìn)行密封設(shè)計時，要充分了解密封的具體應(yīng)用工況，并有針對性、個性化地設(shè)計專用密封，可以滿足長周期、穩(wěn)定使用的要求。

（4）改進(jìn)后的神華包頭煤化工有限責(zé)任公司碳四裝置一號羰基反應(yīng)器攪拌器國產(chǎn)化釜用機械密封已經(jīng)運行兩年多，從未因機械密封泄漏而影響生產(chǎn)，說明該型機械密封適用于該工況，機械密封結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

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Sealing Improvement and Failure Analysis of Mechanical Seal in Hydroxyl Reactor

LIU Shenghua1，LIAO Jian2

(1.China Shenhua (Baotou) Charcoal Chemical Industry Co.,Ltd., Baotou 014010, China; 2.Sichuan Sunny Seal Co.,Ltd., Chengdu 610045, China )

The seal running state directly affects whether the whole equipment can run in a long period. Statistical research results show that nearly 70% of pump maintenance work is related to seal, indicating that sealing is the most vulnerable part of the whole device. So improving the reliability of seal is the key factor to improve the reliability and efficiency of the whole device. This article summarizes the common seal failure causes, and based on the analysis and research of the seal abroad, puts forward the sealing solution is suitable for the domestic carbon reactor, take Shenhua Baotou kettle with a seal as an example, this paper completed the specific plant modification, and the key parameters were optimized, finally realizes the purpose of long period stable operation of the equipment.

hydroxyl reactor；double-end mechanical seal；parameter optimization

TH136

B

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.04.013

1006－0316 (2020) 04－0075－06

2019－09－16

劉勝華（1974－），男，湖南婁底人，工程師，主要從事城市設(shè)備維護(hù)與管理工作。