化工反應(yīng)釜密封失效分析及優(yōu)化改造

李 果

（岳陽聚成化工有限公司，湖南岳陽 414000）

0 引言

反應(yīng)釜廣泛應(yīng)用于石油、化工領(lǐng)域，是完成硫化、硝化、氫化、烴化、聚合、縮合等工藝過程的壓力容器，反應(yīng)物多是易燃易爆、有毒、腐蝕性、帶懸浮顆粒等介質(zhì)，反應(yīng)壓力0～1.6 MPa 甚至更高，一旦泄漏將造成嚴(yán)重事故，因此釜用密封性要求嚴(yán)苛。

1 聚合反應(yīng)釜雙端面機(jī)械密封

自20 世紀(jì)90 年代起，中石化某催化劑公司采用數(shù)十臺10 m3聚合反應(yīng)釜制備分子篩產(chǎn)品，原料主要是硅膠、正丁胺、吡啶、堿液等介質(zhì)，溫度200 ℃以下，壓力0～1.4 MPa，釜用密封采用傳統(tǒng)的適用于易燃、易爆、強(qiáng)腐蝕、帶顆粒及真空下密封要求較高場合的雙端面機(jī)械密封（207 型，靜環(huán)石墨，動(dòng)環(huán)碳化硅或不銹鋼），并配套GD 型平衡罐輔助裝置。

雙端面機(jī)械密封是靠垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的端面（摩擦副）在流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)彈力的作用、以及輔助密封的配合下，保持貼合并相對滑動(dòng)而構(gòu)成的防止流體泄漏的裝置，與單端面機(jī)械密封原理基本相同。雙端面機(jī)械密封結(jié)構(gòu)在工作時(shí)，流體壓力和彈性元件彈力的合力作用下，在密封環(huán)的端面上產(chǎn)生一個(gè)適當(dāng)?shù)谋葔海▔壕o力），使兩個(gè)接觸端面（動(dòng)環(huán)、靜環(huán)端面）相互緊密貼合，并在兩端面間極小的間隙中維持一層極薄的液膜，從而達(dá)到密封的目的。雙端面密封有兩道端面密封，起著雙重保護(hù)的作用，如果一級密封失效則二級密封仍然可密封，防止泄漏。

GD 型平衡罐用于雙端面機(jī)械密封中密封液的增壓、儲存、冷卻，通過加壓口將氮?dú)庖肫胶夤迌?nèi)，將壓力高于釜內(nèi)介質(zhì)壓力0.05～0.10 MPa，密封液采用凈水而非白油（防止污染物料）周而復(fù)始地循環(huán)，起著冷卻潤滑作用，不僅保證機(jī)械密封的正常工作，還可以作為檢測一級密封是否失效的重要手段（圖1）。

圖1 GD 型平衡罐工藝流程

2 密封失效分析及拆檢要點(diǎn)

2.1 失效分析

雙端面機(jī)械密封失效比較容易判斷，如平衡罐密封液液位突然且持續(xù)下降，通常表明下端面密封圈損壞或異物進(jìn)入密封面而導(dǎo)致密封面被破壞。當(dāng)泄漏量超過允許值10 mL/min 時(shí)，應(yīng)檢查并分析泄漏原因，主要檢查分析內(nèi)容如下：

（1）密封液是否有鐵銹、水垢等固體雜質(zhì)進(jìn)入。

（2）壓力、溫度、轉(zhuǎn)速及其他條件是否超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

（3）攪拌軸的軸向竄動(dòng)及徑向擺動(dòng)量是否超過規(guī)定值（低壓釜≤0.5 mm）。

（4）密封液循環(huán)系統(tǒng)以及密封液儲罐壓力是否正常。

（5）冷卻水系統(tǒng)是否工作正常。

（6）察看泄漏孔流出液體的顏色（如果為混濁黑色，則石墨環(huán)磨損嚴(yán)重）。

從實(shí)際使用情況來看，雙端面機(jī)械密封的失效周期一般為3～6 個(gè)月，上10 臺反應(yīng)釜每年檢修次數(shù)高達(dá)20～30 次，頻繁的失效與檢修給生產(chǎn)造成極大困擾，特別是生產(chǎn)過程中的突然失效，產(chǎn)品質(zhì)量與安全連續(xù)性生產(chǎn)無法得到保障。

2.2 拆檢要點(diǎn)

機(jī)械密封不宜輕易拆卸，在絕對必要的情況下由專業(yè)維修人員進(jìn)行操作，拆卸檢查維修要點(diǎn)如下：

（1）將拆卸后的零件用工業(yè)煤油浸泡清洗，潔凈棉紗布擦拭干凈并進(jìn)行檢查。

（2）重點(diǎn)檢查動(dòng)、靜環(huán)磨損情況，一般來說，靜環(huán)（軟環(huán)）臺階高度為3 mm，如果臺階高度低于1 mm，屬于磨損過度必須更換新件。

（3）重點(diǎn)檢查所有密封面（基座，軸套，動(dòng)靜環(huán)O 形圈，耐高溫石棉墊），發(fā)現(xiàn)有老化、溶脹、損傷、破裂以及磨損現(xiàn)象必須更換新件。

（4）對修復(fù)、組裝后的機(jī)械密封嚴(yán)格按安裝程序和要點(diǎn)進(jìn)行，并按規(guī)定進(jìn)行靜壓和跑運(yùn)測試。

機(jī)械密封失效的原因有很多，如工作溫度、壓力、物料特性、攪拌轉(zhuǎn)速、密封液介質(zhì)、密封材料、攪拌軸偏擺、機(jī)械振動(dòng)等客觀因素，也有人為操作、維護(hù)不當(dāng)?shù)戎饔^因素，因此需要進(jìn)行全面分析，不能一概而論。每次拆卸后檢查，發(fā)現(xiàn)絕大部分失效原因是O 形圈（下端面靜環(huán)O 形圈尤甚）溶脹損壞（占比80%以上），其次為摩擦副磨損（圖2）。

圖2 機(jī)械密封失效形式

3 改進(jìn)措施

結(jié)合釜內(nèi)的物料特性與工況分析，改進(jìn)的重點(diǎn)是O 形圈材料的選型。全氟醚材料雖然性能優(yōu)越，適用于各種工況，但價(jià)格昂貴，且定制周期長，一般應(yīng)用較少；包四氟丁晴材料較硬，耐壓縮變形差，在試運(yùn)行環(huán)節(jié)密封失效率較高，安裝費(fèi)時(shí)費(fèi)力，正常運(yùn)行冷熱交替工況下密封極易失效；氟橡膠材料對于胺類、堿、過熱水蒸氣介質(zhì)不耐受，后續(xù)對氟橡膠O 形圈（僅限靜環(huán)）用四氟帶進(jìn)行纏繞后使用，可適當(dāng)改善O 形圈使用環(huán)境及密封效果，延長其使用壽命。

經(jīng)過系列測試，從耐溫與介質(zhì)耐受性以及耐壓縮變形性能三方面考量，四丙氟橡膠材料比較符合當(dāng)前工況，性價(jià)比最高（表1）。

表1 不同材料O 形密封圈性能比較

在改進(jìn)密封材料的同時(shí)，使用和安裝環(huán)節(jié)也進(jìn)行系列改進(jìn)，改進(jìn)要點(diǎn)及改進(jìn)目的見表2。

表2 使用和安裝環(huán)節(jié)主要改進(jìn)點(diǎn)及改進(jìn)目的

4 改造效果及新技術(shù)應(yīng)用

通過系列優(yōu)化改造以及操作、維修方法的改進(jìn)，反應(yīng)釜密封的使用時(shí)間平均達(dá)到了12 個(gè)月，較之前的3～6 個(gè)月使用壽命得到了較大改善，維修速度大幅提高（安裝后靜壓以及跑運(yùn)測試一次性成功率高），同時(shí)遵循“節(jié)約就是增效”的原則，拆卸下來的動(dòng)、靜環(huán)經(jīng)檢查還能使用，密封面經(jīng)過重新研磨合格（平面度0.9 μm，粗糙度Ra 值：硬環(huán)≤0.2 μm，軟環(huán)≤0.4 μm），合理利舊處理，使維修配件成本大幅降低。

與此同時(shí)，隨著技術(shù)的不斷革新，根據(jù)磁傳動(dòng)以現(xiàn)代磁學(xué)的基本理論，應(yīng)用永磁材料所產(chǎn)生的磁力作用，實(shí)現(xiàn)力或扭矩?zé)o接觸傳遞的一種技術(shù)在化工行業(yè)也得到了廣泛的應(yīng)用，比如磁力泵。同樣，磁力攪拌隨著技術(shù)越來越成熟也逐漸在大型的反應(yīng)釜上開始應(yīng)用。磁力驅(qū)動(dòng)可將力的傳遞由動(dòng)密封轉(zhuǎn)化為靜密封，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的零泄漏傳遞，有著以下獨(dú)特的優(yōu)勢：

（1）獨(dú)有的物理隔離組件，不需要另外添置其他密封裝置，無機(jī)封。

（2）物理隔離組件保證磁傳動(dòng)裝置內(nèi)部潔凈，無需頻繁檢修。

（3）耐高溫、耐高壓，高轉(zhuǎn)速、高扭矩。

（4）安全可靠，操作簡單，適用高溫高壓、易燃易爆、有毒有害等需要完全密封的場合。

磁力驅(qū)動(dòng)反應(yīng)釜改造前后見圖3。

圖3 磁力驅(qū)動(dòng)反應(yīng)釜改造前后

5 結(jié)束語

自2017 年開始，該公司逐步對反應(yīng)釜進(jìn)行磁力密封改造，利用現(xiàn)有的攪拌器、電機(jī)以及減速機(jī)，取消機(jī)架和機(jī)械密封及配套平衡罐系統(tǒng)。最早應(yīng)用磁力密封的反應(yīng)釜自改造投用已5 年多時(shí)間，維護(hù)量極少，僅需定期加注軸承潤滑脂，實(shí)現(xiàn)了真正的“零泄漏、零維修”，減小檢修人員的工作強(qiáng)度，同時(shí)也極大提高了操作和維護(hù)的安全系數(shù)，避免被迫停機(jī)造成的物料報(bào)廢或質(zhì)量波動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，反應(yīng)釜的機(jī)封改造對企業(yè)具有重大意義和借鑒推廣價(jià)值。