高壓聚乙烯反應釜攪拌軸運轉分析及安裝調整

秦久達

（中化泉州石化有限公司，福建泉州 362000）

0 引言

近年來，我國EVA（樹脂）消費量以年均10%的速度增長，大大超過了世界平均增長水平，但仍不能滿足需求，在2021 年后，新增產能130 萬噸EVA 進入市場，國內市場對進口EVA 的依賴程度越來越低，預計到2025 年進口量將為85.75 萬噸。隨著國內產能逐漸增加，EVA 的價格也將隨之下降，EVA 市場也將越發(fā)競爭激烈。

1 EVA 裝置的運行現(xiàn)狀

（1）超高壓聚乙烯的連續(xù)運轉情況：釜式法EVA裝置連續(xù)生產一直是世界難題，目前世界上成功的裝置連續(xù)運行159 d（數(shù)據(jù)來自EXXON MOBIL），相比于其他聚烯烴裝置，連續(xù)運轉時長較短，而國內的釜式法超高壓聚乙烯裝置（LDPE 或EVA）的連續(xù)運轉時間更短，某大型國有石化企業(yè)類似裝置（管式法LDPE）建成運行的第一年，裝置全年共停車173 次；國內第一家私企釜式法EVA 裝置建成投產第一年的停車次數(shù)為56 次，運行6 年后此裝置2022 年的停工次數(shù)為24次；而運行良好、且經過10 年生產運行后某合資企業(yè)的管式法LDPE 裝置2016 年共停車13 次，為國內較好水平。裝置的長周期運行，設備方面瓶頸主要在于裝置內的核心設備二次機和反應器（釜式法）能否長期平穩(wěn)運行。

（2）目前國內反應釜攪拌軸的運轉壽命：目前國內釜式法裝置的攪拌軸在線使用時間大多數(shù)為4～8個月，國內大型國企中有比較老的2 套釜式法EVA 裝置，其反應釜的攪拌軸壽命大多為4 個月左右，每次更換攪拌軸的工作大約為3 天，每年因攪拌軸壽命導致其裝置停車次數(shù)至少為3 次，一套裝置的?？倳r間至少為9 天/年；某國企2017 年開工的釜式法LDPE 裝置的反應釜攪拌軸的最長使用壽命為6 個月（平均壽命4～5 個月），每年因此停車時長為6～9 d；國內第一家私企釜式法EVA 裝置剛開工的攪拌軸最長壽命可達8個月，目前的僅為4～5 個月，最短的壽命僅為44 d，每年反應器檢修的平均時長為8～10 d?？梢姼椒ǜ邏壕垡蚁┭b置由反應器攪拌軸壽命原因帶來的檢修時間平均可達9 d 左右。

（3）釜式法反應器攪拌軸運轉時間短的原因：釜式法反應器的攪拌器主要由電機和攪拌軸組成，攪拌器全部在反應釜內，反應釜頂蓋通過帶有透鏡墊密封的電極為攪拌電機供電。攪拌軸電機的底部軸承為兩個止推軸承，此軸承運轉時承受攪拌軸及電機轉子的重量（約2 t），在無油潤滑的條件下連續(xù)運轉，且在反應器開停工過程中的介質溫度會升至最高140 ℃，所以此軸承的運行壽命是反應器長周期運行的關鍵因素之一，此外，攪拌軸長為7933 mm，軸徑為135 mm，軸的長徑比較大并裝配有較多附件（3 種槳葉總數(shù)為132），且攪拌軸以920 r/min 高速運轉，專利商設計攪拌軸在上、中、下有3 組徑向軸承，此軸承均在無油及高溫環(huán)境中運行，正常運行溫度最高210 ℃，所以攪拌軸的3個軸承的壽命影響攪拌軸的壽命，在如此惡劣的工況下，加之系統(tǒng)存有VA（醋酸乙烯）單體，可能對軸承產生腐蝕，軸承的運行壽命很難保證。

2 攪拌軸的運轉狀態(tài)分析

釜式法高壓聚乙烯反應釜的機械監(jiān)控數(shù)據(jù)主要由反應器電流及安裝在反應器筒體上的3 個振動加速度探頭組成，其中電流為反應器攪拌軸電機的電流。3 個振動加速度探頭中，第一個安裝在反應器攪拌電機底部止推軸承相應位置的反應器外部，用于監(jiān)控反應器攪拌電機底部止推軸承振動；第二個位于反應器中部，用于監(jiān)控攪拌軸在6 區(qū)的中間軸承振動；第三個安裝在反應器底蓋外卡弧，用于監(jiān)控攪拌軸底部軸承振動。由于反應器攪拌軸附件較多，且每次調整都存在不同程度的差異，所以每次安裝狀態(tài)不同，導致攪拌軸安裝后的初始運轉狀態(tài)不同的，這給攪拌軸的運轉狀態(tài)分析判斷其是否達到需要檢維修的程度帶來極大困難。經過多次對反應器更換攪拌軸后初始運轉狀態(tài)據(jù)和檢修前反應器攪拌軸運轉狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)的收集和分析，確定出現(xiàn)以下3 種狀態(tài)時考慮更換維修反應器攪拌軸：

（1）當反應器攪拌電機的運轉電流達到高高報且頂部振動達到高報連續(xù)8 h 以上時考慮立即停車。

（2）當任何軸承振動監(jiān)控達到高高報值連續(xù)大于8 h，并分析振動頻率與軸承故障特征頻率接近時考慮一周內停車。

（3）當頂部軸承振動達到高報大于8 h 且攪拌電機電流值達到高報值時，需設備工程師現(xiàn)場檢查反應器是否有異響并在DCS 查看HPLDV 閥門（高壓泄壓閥，在高分之前，是超高壓聚乙烯裝置的壓力控制閥）的壓力控制是否有異常來評定是否需要停工檢修。

電流值的高報、高高報的設定方法如下：經過多次檢修前后數(shù)據(jù)的比較，認為選取高斯分布曲線作為電流分析的方案比較合理，高斯分布曲線的中位數(shù)加上3 倍標準偏差的分布概率為99.7%，將此數(shù)值認為是靠近攪拌電機的電流值上限。實際計算過程中收集反應器更換新攪拌軸后且裝置運轉正常時，某一牌號運轉第一個月的電流值參數(shù)，頻率可為每兩個小時取樣一次，然后對這些數(shù)據(jù)進行整理分析，先算出這一個月內的電流的平均值（即為中位數(shù)），計算出電流的標準偏差σ 值，并將高報值設定為電流的平均值加上2 倍的標準偏差值，將電流的高高值設定為電流平均值加上3 倍標準偏差值，以下為高斯分布曲線中標準偏差值的計算公式和高斯分布曲線（圖1）。

圖1 高斯分布曲線

反應器的運行狀態(tài)絕大多數(shù)情況可依據(jù)上述方法進行分析，主要關注反應器攪拌電機的電流和電機底部止推軸承的振動情況來判斷攪拌軸的狀態(tài)，但在攪拌軸的底部軸承出現(xiàn)振動高的情況也需要對軸承振動進行頻譜分析（一般低頻振動為軸承故障，需廠家提供軸承故障頻率），并結合對現(xiàn)場其他相關信息，綜合評定是否需要停工更換攪拌軸。

3 攪拌軸承安裝調整方案

專利商Exxon Mobil 在多年操作反應器的過程中，通過多次嘗試不同牌號的軸承，發(fā)現(xiàn)僅有兩種軸承能夠更好的滿足釜式反應器的運行條件，確保反應器較長的運轉時間，其中一種軸承為陶瓷軸承，雖壽命略好于現(xiàn)用軸承但成本過高，綜合考慮選擇現(xiàn)軸承（MR330C2）長期使用。由于軸承的游隙無法避免，反應器為垂直安裝且單側進料，進料壓力高且存在脈動（反應器上游為超高壓往復機），綜合以上原因分析正常安裝的攪拌軸會因進料對攪拌軸的沖擊使攪拌軸帶動軸承內圈對滾子及軸承外圈的撞擊?？紤]到反應釜的攪拌軸長徑比較大，所以考慮調整攪拌軸中間軸承（一般調整3 區(qū)，可兼顧6 區(qū)及底部軸承）支撐設施使軸偏心安裝，使軸承外環(huán)與滾子及內外環(huán)單側間隙減小，以此來降低撞擊帶來的軸承受損程度。

具體實施方案如下：攪拌軸中間軸承的支撐設施裝配圖如圖2 所示，其設計有3 個支撐，需要調整的支撐為圖3 攪拌軸軸承支撐俯視圖最上部支撐，具體調整方案為當攪拌軸修復后軸的跳動值調整較好的之后（跳動低于0.4 mm 時）將需要調整的支撐比其他兩個支撐高0.25 mm，當攪拌軸修復后跳動值在0.4～1 mm時將3 個支撐調整至相同高度即可。

圖2 攪拌軸中間軸承支撐裝配圖

圖3 攪拌軸軸承支撐俯視圖

通過這樣的調整可使反應器攪拌軸上線后運轉更加平穩(wěn)，攪拌軸的壽命均達到8 個月左右，降低反應器的維修平次，可將反應器的每年維修維護時間縮短至4.5 天，大大提高反應器的維修成本。

4 降本增效

通過反應器的狀態(tài)監(jiān)控方法和攪拌軸安裝調整方案實施后反應器的運轉周期在8 個月左右，降低檢維修成本并降低因停工帶來的產能損失，預計每年可節(jié)省費用如下：①檢維修成本：每年減少1.5 次反應器維修，單次成本為材料費（包含備件修理，易損件成本及人工費用），約為120 萬元，每年總成本節(jié)省為180 萬元；②產能損失：每年減少檢維修天數(shù)4.5 d，每天產能為440 t，利潤以0.8 萬元/噸計算，減少產能損失帶來的利潤為1584 萬元。每年可為公司創(chuàng)造1764 萬元的利潤。

5 結束語

超高壓聚乙烯的設備管理存在可更新、可以改善的方面，只要找到不足并采用合理的方式進行嘗試創(chuàng)新，產品會因此降本增效，增加產品在市場中的競爭力。同時各方面的不斷創(chuàng)新也能夠推動化工事業(yè)的進步。反應釜的運轉狀態(tài)監(jiān)控和安裝調整方案經初步驗證，希望同行專家能夠提出寶貴意見，共同使EVA 裝置反應器設備管理方案更加精細，從而突破裝置長周期運轉的設備瓶頸。