烷基化反應(yīng)釜機(jī)械密封國(guó)產(chǎn)化改造

馬宇鵬

（大慶石化公司設(shè)備維修中心，黑龍江大慶 163711）

0 引言

某煉油廠22 萬噸/年烷基化裝置為蘭州寰球工程有限公司采用自主研發(fā)的硫酸法碳四烷基化工藝技術(shù)，以醚后碳四為原料，經(jīng)過原料預(yù)處理、烷基化反應(yīng)、閃蒸及壓縮制冷、反應(yīng)產(chǎn)物精制、反應(yīng)產(chǎn)物分餾等工序，最終生產(chǎn)出烷基化油。其中反應(yīng)釜（R-2201A/B/C）是裝置的核心設(shè)備，為臥式結(jié)構(gòu)，工作介質(zhì)為98%濃硫酸與碳四混合物，內(nèi)置U 形管換熱器，帶有推進(jìn)式攪拌器用于物料混合循環(huán)，在攪拌器軸釜口位置采用美國(guó)福斯進(jìn)口機(jī)械密封，沖洗方案為API32+54。自2018 年開工以來，機(jī)械密封運(yùn)行一直存在泄漏超標(biāo)的問題，為實(shí)現(xiàn)設(shè)備的長(zhǎng)周期運(yùn)行，有必要對(duì)其進(jìn)行技術(shù)改造。

1 設(shè)備簡(jiǎn)介

1.1 反應(yīng)釜參數(shù)

反應(yīng)釜參數(shù)為工作壓力0.5 MPa，工作溫度7 ℃，攪拌器額定轉(zhuǎn)速594 r/min，工作介質(zhì)為98%濃硫酸與碳四混合物、烷基化油，密封油介質(zhì)（Plan54）為32#工業(yè)白油，沖洗液介質(zhì)（Plan32）為液態(tài)異丁烷。

反應(yīng)釜共3 臺(tái)，正常運(yùn)行兩開一備。運(yùn)行期間經(jīng)常發(fā)現(xiàn)機(jī)械密封油箱液位異常下降，機(jī)械密封軸端持續(xù)外漏現(xiàn)象。密封裝配圖及現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械密封解體情況如圖1、圖2 所示。

圖1 反應(yīng)釜密封結(jié)構(gòu)

圖2 現(xiàn)場(chǎng)故障密封拆解情況

1.2 設(shè)備運(yùn)行及拆解情況

（1）反應(yīng)釜機(jī)械密封泄漏前工藝壓力、沖洗液壓力平穩(wěn)，生產(chǎn)平穩(wěn)正常。

（2）每周聯(lián)合周檢對(duì)反應(yīng)釜軸承進(jìn)行監(jiān)測(cè)，近1 個(gè)月最高振值3.8 mm/s，振動(dòng)未超標(biāo)。

（3）在更換反應(yīng)釜密封油站過濾器時(shí)發(fā)現(xiàn)密封油顏色偏深，可能存在內(nèi)漏、潤(rùn)滑油污染問題。采集潤(rùn)滑油樣進(jìn)行分析，未發(fā)現(xiàn)機(jī)械雜質(zhì)，并對(duì)反應(yīng)釜密封油站進(jìn)行在線置換操作。

（4）反應(yīng)釜機(jī)械密封內(nèi)置球面滾子軸承，安裝于反應(yīng)釜內(nèi)且距離夾殼聯(lián)軸器過近，無有效手段對(duì)內(nèi)置軸承運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（5）反應(yīng)釜工藝操作平穩(wěn)，密封油站壓力、溫度正常，液位無異常下降，密封油泵工作正常。

（6）烷基化裝置2018 年12 月開工投產(chǎn)，啟用反應(yīng)釜R-2201A/B，2019 年4 月由于工藝需求啟用R-2201C，期間由于反應(yīng)釜管束檢修R-2201C 切除，R-2201C 實(shí)際累積運(yùn)行時(shí)間390 d（9360 h），未達(dá)到機(jī)械密封理論使用壽命。

（7）反應(yīng)釜R-2201C 密封油為昆侖牌32#工業(yè)白油，經(jīng)檢驗(yàn)合格入廠使用，加注過程采取三級(jí)過濾，化驗(yàn)分析合格，密封油質(zhì)正常，密封油站運(yùn)行過程泵入口過濾器、油泵出口過濾器（25 μm 精度）、密封油回油箱過濾器（25 μm 精度）正常投用。

（8）密封油壓力遠(yuǎn)傳指示無異常波動(dòng)，最高0.91 MPa，最低0.86 MPa（受環(huán)境溫度影響，正常0.8～0.95 MPa），密封油壓力正常。

（9）密封油溫度泄漏前穩(wěn)定43～53 ℃，依據(jù)廠家指導(dǎo)意見，密封油適用溫度應(yīng)在40～60 ℃，不存在密封油溫大幅波動(dòng)，密封油溫度正常。

（10）機(jī)械密封解體后，未發(fā)現(xiàn)大量酸泥物質(zhì)，機(jī)械密封內(nèi)側(cè)整體比較干凈，動(dòng)環(huán)壓緊彈簧浮動(dòng)性較好，一級(jí)動(dòng)環(huán)輕微磨損，一級(jí)靜環(huán)輕微磨損，磨損痕跡有偏心現(xiàn)象；外側(cè)壓蓋內(nèi)側(cè)磨損，軸承座內(nèi)腔有拉傷痕跡，二級(jí)動(dòng)環(huán)崩邊嚴(yán)重；軸套外圓與軸承內(nèi)圈接觸處嚴(yán)重偏磨。

2 原因分析

2.1 機(jī)械密封設(shè)計(jì)操作條件

反應(yīng)釜機(jī)械密封的設(shè)計(jì)操作壓力為0.7～0.8 MPa，密封油壓力為0.75 MPa，反應(yīng)器內(nèi)壓力為0.4～0.5 MPa，設(shè)計(jì)最高操作溫度為70 ℃。另外該機(jī)械密封的設(shè)計(jì)工況為98%硫酸、C4、反應(yīng)產(chǎn)物，與實(shí)際的溫度、壓力、密度動(dòng)相符，不存在超設(shè)計(jì)指標(biāo)運(yùn)行情況。調(diào)取了反應(yīng)器機(jī)械密封發(fā)生泄漏前的反應(yīng)器操作壓力，基本穩(wěn)定在0.45 MPa，在正常指標(biāo)范圍內(nèi)，并無超壓操作，且遠(yuǎn)小于機(jī)械密封二次密封油壓0.75 MPa，因此排除了操作參數(shù)因素導(dǎo)致的機(jī)械密封泄漏。

2.2 機(jī)械密封材料

反應(yīng)釜機(jī)械密封內(nèi)的過流部件材料為Alloy 20，密封圈材料為耐酸氟橡膠，其他部位材料為316 不銹鋼，材料均滿足介質(zhì)要求，因此排除該因素導(dǎo)致的機(jī)械密封泄漏。

2.3 機(jī)械密封制造質(zhì)量

查閱反應(yīng)器機(jī)械密封產(chǎn)品質(zhì)量證明書，對(duì)其制造過程的質(zhì)量文件進(jìn)行檢查，沒有發(fā)現(xiàn)問題，因此排除質(zhì)量因素導(dǎo)致的機(jī)械密封泄漏。

2.4 反應(yīng)釜制造質(zhì)量

查閱反應(yīng)釜產(chǎn)品質(zhì)量證明書，對(duì)其制造過程的質(zhì)量文件進(jìn)行檢查，沒有發(fā)現(xiàn)問題，因此排除該因素導(dǎo)致的機(jī)械密封泄漏。

2.5 機(jī)械密封安裝后主軸對(duì)中

烷基化反應(yīng)釜攪拌系統(tǒng)由多段軸連接，具體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 攪拌系統(tǒng)布置

2.5.1 振動(dòng)分析及安裝精度

烷基化反應(yīng)釜攪拌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的正常狀態(tài)，應(yīng)為所有旋轉(zhuǎn)部位對(duì)中同心，如圖4 所示。

圖4 反應(yīng)釜各段正常位置

如裝配過程中夾殼聯(lián)軸器或反應(yīng)釜軸承箱裝配過程出現(xiàn)偏差，則可能出現(xiàn)圖5 或圖6 的情況。

圖5 反應(yīng)釜各段異常位置1

圖6 反應(yīng)釜各段異常位置2

2.5.2 反應(yīng)釜軸承

反應(yīng)釜機(jī)械密封軸承選用球面滾子軸承（圖7）。該軸承具有一定自調(diào)心能力，可適應(yīng)以該軸承為軸心的不平衡工況（主軸撓曲）。若由于裝配問題導(dǎo)致攪拌器主軸處于圖5 或圖6 的運(yùn)行狀態(tài)，因?yàn)橹鬏S長(zhǎng)度短，不具備抗撓曲能力，所以此時(shí)軸承無法平衡該工況下的不對(duì)中，使機(jī)械密封內(nèi)軸承發(fā)生磨損，進(jìn)而引起機(jī)械密封損壞泄漏。

圖7 反應(yīng)釜球面滾子軸承

根據(jù)密封的拆解過程發(fā)現(xiàn)機(jī)械密封軸承處軸套磨損最大處超2 mm，故主要分析方向?yàn)檩S承運(yùn)行異常導(dǎo)致機(jī)械密封失效。反應(yīng)釜R-2201C 機(jī)械密封內(nèi)軸承內(nèi)圈及軸套磨損，力矩傳遞方向?yàn)橹鬏S→軸套→軸承內(nèi)圈。如果是裝配不到位、配合間隙過大等原因造成的軸承內(nèi)圈跑位，則軸套磨損應(yīng)呈現(xiàn)均勻周向磨損，實(shí)際解體情況磨損集中在軸套一側(cè)及軸承內(nèi)圈，基本排除集裝機(jī)械密封裝配不到位及制造缺陷。而在機(jī)械密封拆解后發(fā)現(xiàn)軸套的磨損分界界限明顯，下半部分磨損嚴(yán)重、上半部分磨損較輕，而此現(xiàn)象只有在機(jī)械密封軸承呈圓錐擺軌跡運(yùn)動(dòng)，軸套外側(cè)與軸承內(nèi)圈交變載荷下產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，才會(huì)引起上、下部分磨損程度不一致，因此判斷主軸安裝同心度差為反應(yīng)釜機(jī)械密封泄漏的直接原因。

綜上所述，可以判斷故障原因是由于剛性?shī)A殼式聯(lián)軸器或軸承箱裝配問題導(dǎo)致主軸不對(duì)中，攪拌器軸承側(cè)呈現(xiàn)圓錐擺軌跡運(yùn)動(dòng)，軸套外側(cè)與軸承內(nèi)圈交變載荷下產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)拉傷，軸套與軸承內(nèi)圈磨損產(chǎn)生間隙。一、二級(jí)密封靜環(huán)均采用固裝式結(jié)構(gòu)，抗偏擺性能很差，不規(guī)則運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致機(jī)械密封工況惡劣，一級(jí)密封承受壓差較小，密封環(huán)可能出現(xiàn)貼合性能較差出現(xiàn)微漏情況，造成密封油污染腐蝕軸承問題，密封運(yùn)轉(zhuǎn)精度繼續(xù)惡化，一級(jí)密封動(dòng)靜環(huán)尚未崩邊碎裂；二級(jí)密封承受壓差相對(duì)較大，動(dòng)環(huán)出現(xiàn)崩邊碎裂外漏，崩邊雜質(zhì)導(dǎo)致軸套等磨損。一級(jí)靜環(huán)摩擦痕跡存在偏心，也可以印證密封安裝精度不佳，運(yùn)行工況惡劣。

3 改造方案設(shè)計(jì)

根據(jù)密封故障的原因，設(shè)計(jì)改造方案將一級(jí)密封外流型優(yōu)化為內(nèi)流型，密封性能更佳，靜環(huán)優(yōu)化為浮裝結(jié)構(gòu)，比原裝密封抗偏擺能力更強(qiáng)。軸承與軸套過盈配合，盡量避免軸承精度問題的影響。對(duì)P32 隔離沖洗流道改進(jìn)、P54 密封油流道進(jìn)行改進(jìn)，增強(qiáng)了密封冷卻潤(rùn)滑性能。限制軸承外圈位移量（1 mm），避免安裝精度等問題造成的脹緊套松動(dòng)，從而導(dǎo)致軸套竄動(dòng)，影響密封運(yùn)轉(zhuǎn)精度，改進(jìn)后的密封結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 改進(jìn)的密封結(jié)構(gòu)

4 相關(guān)使用問題

設(shè)備密封安裝時(shí)，應(yīng)盡量保證機(jī)械密封軸、支架主支撐軸、電機(jī)軸的同心度，還應(yīng)注意空載下的同心度和進(jìn)料運(yùn)行狀態(tài)下可能存在的偏差，如因進(jìn)料后設(shè)備沉降影響設(shè)備同心度變化較大，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，恢復(fù)正常后再開車。

密封系統(tǒng)的正常運(yùn)行是密封長(zhǎng)周期運(yùn)行的關(guān)鍵，運(yùn)轉(zhuǎn)過程應(yīng)盡量避免P54 油站異常斷電失壓。但由于油站沒有停電保護(hù)功能，容易出現(xiàn)反壓內(nèi)漏，污染密封油需要在后續(xù)工作中進(jìn)行改進(jìn)。P32 隔離沖洗同樣重要，沖洗液必須相對(duì)潔凈，不可中斷失壓，應(yīng)采取增加過濾器、單向閥等措施，防止管線發(fā)生堵塞、中斷、污染等問題，從而保證一級(jí)密封的良好運(yùn)行工況。

5 結(jié)束語

國(guó)產(chǎn)化的機(jī)械密封在2020 年投入運(yùn)行以來，已運(yùn)行超過了1 年，運(yùn)行平穩(wěn)可靠，有效解決了泄漏超標(biāo)的問題。進(jìn)口機(jī)械密封每套價(jià)格約28 萬元，而國(guó)產(chǎn)機(jī)械密封的價(jià)格約10 萬元，不但解決了設(shè)備故障問題，還能起到提質(zhì)增效的作用。