PTA第一精制結(jié)晶攪拌器機械密封失效分析

袁立新

（中國石化儀征化纖股份有限公司PTA生產(chǎn)中心，江蘇儀征 211900）

設(shè)備改造

PTA第一精制結(jié)晶攪拌器機械密封失效分析

袁立新

（中國石化儀征化纖股份有限公司PTA生產(chǎn)中心，江蘇儀征 211900）

通過對PTA第一精制結(jié)晶器攪拌器機械密封的失效機理進行分析，查找導(dǎo)致機封頻繁失效的深層次原因，并制定具體的解決方案。

PTA第一精制結(jié)晶攪拌器 機械密封 失效分析 穩(wěn)定軸承

PTA第一結(jié)晶器是PTA生產(chǎn)主流程中的一臺關(guān)鍵設(shè)備。近年來，該結(jié)晶器機械密封頻繁失效，機封的使用壽命短（平均6個月左右），已經(jīng)成為困擾裝置長周期穩(wěn)定運行的一個突出問題。通過對失效機封進行拆解分析，發(fā)現(xiàn)幾乎每臺失效機封的故障特征都非常相似，筆者結(jié)合機封的運行工況，從機封的故障特征、結(jié)構(gòu)選型以及攪拌器的日常維修等方面進行分析，最終發(fā)現(xiàn)機封頻繁失效的根本原因除了存在選型不當、機封結(jié)構(gòu)不合理等問題，多年來對攪拌器上部穩(wěn)定軸承缺乏檢修和調(diào)試也是導(dǎo)致該機械密封頻繁失效的兩個重要原因。

1 失效機封的工況及結(jié)構(gòu)

1.1 機封的工況條件

從PTA第一結(jié)晶器機封的工況參數(shù)表（表1）可以看到：攪拌器的轉(zhuǎn)速為46 r／m in，為低轉(zhuǎn)速工況；工作溫度240℃左右，故采用連續(xù)供給的工藝脫鹽水進行密封冷卻和沖洗；密封水壓力4.0～4.6 MPa，而結(jié)晶器釜內(nèi)工作壓力為3.4～4.2 MPa，滿足介質(zhì)側(cè)密封壓差0.2～0.5 MPa的設(shè)計要求。同時，密封底座上也設(shè)計了循環(huán)水冷卻夾套。

表1 PTA第一結(jié)晶器機封工況表

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：該機封為雙端面密封，上／下密封副之間采用了共用彈簧結(jié)構(gòu)（件4和件5）。機封采用水作為密封液，密封水為連續(xù)管道供水。軸套（件12）與攪拌軸（件10）之間通過收縮盤（件9）進行鎖緊聯(lián)接，傳遞運動。據(jù)供貨商陳述，精制結(jié)晶器采用共用彈簧的機封結(jié)構(gòu)，主要是考慮：一旦上端面或者下端面動／靜環(huán)出現(xiàn)磨損，可以通過共用彈簧在上／下密封副之間進行一定的壓縮量調(diào)節(jié)補償。但是這種共用彈簧結(jié)構(gòu)可能存在的一個弊端在于：一旦上／下密封副中有一個出現(xiàn)嚴重磨損，則會對另外一個密封副直接造成影響。

圖1 改進前的機封裝配示意圖

2 機封的失效分析

2.1 故障特征

a）據(jù)統(tǒng)計，每次精制結(jié)晶器機封在運行過程中的失效過程都大致表現(xiàn)為：首先在大氣側(cè)的檢漏口出現(xiàn)密封水微微滴漏，仔細觀察會發(fā)現(xiàn)機封的軸套出現(xiàn)了向上的位移竄量。開始時竄量較小，密封水的漏量也很??；隨著運行時間的延長，機封的軸套竄量會越來越大，雖然密封水外漏情況仍然不太明顯，但是內(nèi)漏卻越漏越大，最后不得不停車更換機械密封。

b）通過對失效后的機封進行拆解，發(fā)現(xiàn)幾乎每臺失效機封都具有非常相似的故障特征，主要表現(xiàn)為：機封的軸套都存在向上的位移竄量，機封大氣側(cè)靜環(huán)密封面存在環(huán)形深溝磨痕，機封的介質(zhì)側(cè)動環(huán)破損或斷裂、O形圈及四氟擋環(huán)破損或斷裂。

2.2 故障分析

2.2.1 機封大氣側(cè)靜環(huán)密封面出現(xiàn)磨痕的原因分析

機封大氣側(cè)靜環(huán)材料為碳化硅，靜環(huán)表面出現(xiàn)深溝環(huán)形磨痕，直接原因是由于軸套發(fā)生了向上的位移竄量所致。一旦軸套發(fā)生向上竄動，會帶動動環(huán)向上位移，導(dǎo)致大氣側(cè)密封副的動／靜環(huán)接觸面的比壓驟升，端面比壓加大，端面密封液膜受到破壞，摩擦副接觸面產(chǎn)生過度磨損，在密封面上形成較深的磨痕。

2.2.2 機封在運行過程中出現(xiàn)大量內(nèi)漏的原因分析

以最近的一次機封失效情況為例：結(jié)晶器機封更換運行半個月左右，機封的檢漏口開始出現(xiàn)密封水外漏現(xiàn)象，每分鐘大概200 mL（12 L／h）。檢查現(xiàn)場密封水進口流量為800 L／h，回水流量為750 L／h，密封水壓力4.6 MPa，800-750-12＝38 L／h，說明該機封存在發(fā)生外漏的同時，還存在38 L／h的內(nèi)漏。進一步測量發(fā)現(xiàn)：機封軸套發(fā)生向上位移，竄動量約2.5～3 mm。

由于機封運行過程中在介質(zhì)側(cè)與結(jié)晶器釜內(nèi)僅存在0.2～0.5 MPa的壓差，但是出現(xiàn)了38 L／h的內(nèi)漏量，漏量如此之大，說明介質(zhì)側(cè)密封端面產(chǎn)生不穩(wěn)定間隙，可能原因就是：由于軸套發(fā)生了2.5～3 mm的向上位移，通過上／下兩個密封副之間的共用彈簧調(diào)節(jié)補償，導(dǎo)致介質(zhì)側(cè)密封端面由平面接觸變成錐面接觸或者不穩(wěn)定間隙接觸狀態(tài)，才會引起密封水大量內(nèi)側(cè)泄漏。

2.2.3 機封的介質(zhì)側(cè)動環(huán)、O形圈及四氟擋斷裂破損的原因分析

介質(zhì)側(cè)動環(huán)斷裂破損，斷口顏色陳舊，判斷為機封失效達到一定程度時，介質(zhì)側(cè)密封面發(fā)生封液失壓，使密封產(chǎn)生反壓，導(dǎo)致摩擦副環(huán)斷裂。斷裂的動環(huán)對O形圈及四氟擋環(huán)造成擠壓，導(dǎo)致O形圈及四氟擋損壞。

2.3 故障判斷

2.3.1 機封的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面存在缺陷

綜合上述機封失效原因分析，可以看出一個共同而且明顯的故障特征：機封在運行過程中頻繁發(fā)生軸套沿軸向向上位移，而且軸套位移總是發(fā)生在故障初起狀態(tài)，這是造成該機封頻繁失效的直接原因。不同機封在不同時間周期內(nèi)均出現(xiàn)同一種故障特征，不是屬于偶然發(fā)生的問題，有必要從機封的選型和結(jié)構(gòu)方面進行系統(tǒng)分析。

機封在運行過程中，由于釜內(nèi)的壓力直接作用在軸套下端面，軸套因受到釜內(nèi)壓力的作用產(chǎn)生一個向上的推力。從結(jié)構(gòu)上看，軸套與攪拌軸之間是通過一個鎖緊盤進行鎖緊傳動。如果鎖緊盤設(shè)計合理或者鎖緊盤鎖緊操作符合要求，應(yīng)該不會出現(xiàn)軸套向上竄動的情況。另一方面，即使軸套發(fā)生了少量的軸向位移，如果不是采用共用彈簧結(jié)構(gòu)，機封的下端面密封狀態(tài)也不會受到嚴重影響，不會出現(xiàn)密封水大量內(nèi)漏的現(xiàn)象。

2.3.2 攪拌器上部穩(wěn)定軸承對機封運行的影響

如圖2所示為攪拌器上部穩(wěn)定軸承裝配示意圖，從圖中可以看出，該攪拌器機封上方設(shè)計了一套軸的穩(wěn)定系統(tǒng)，以防止攪拌軸晃動對機封運行造成影響。

圖2 攪拌器穩(wěn)定上部穩(wěn)定軸承裝配示意圖

該系統(tǒng)是通過一對圓錐滾子軸承（件4）相互作用消除攪拌軸的徑向和軸向推力，每次大修期間都要通過調(diào)節(jié)軸承間隙調(diào)節(jié)螺母（件7），將軸承的軸向間隙控制在0.2 mm以內(nèi)。但是檢查中發(fā)現(xiàn)，該軸承由于多年在檢修調(diào)試方面缺失，軸承游隙已經(jīng)達到1 mm左右，即使將調(diào)節(jié)螺母調(diào)到極限狀態(tài)，軸承游隙仍然在0.5 mm以上，超過了機封允許的0.5 mm的最大軸向竄量。

2.3.3 齒輪箱輸出軸的竄量太大也是造成機封軸套沿著軸向向上位移的一個重要原因

由于該結(jié)晶器攪拌器結(jié)構(gòu)上采用了推進式葉輪，在攪拌器運動過程中，物料會對攪拌器葉輪施加一個強大的向上的反作用力。理論上，這個反作用力主要是依靠攪拌器減速箱輸出軸上的一對圓錐滾子軸承來消除。按照齒輪箱設(shè)計參數(shù)，通常其輸出軸的竄量需要控制在0.03～0.08 mm。如果減速箱輸出軸的竄量太大，就會導(dǎo)致攪拌軸向上竄動，進而通過機封的鎖緊盤帶動機封軸套沿著軸向發(fā)生向上位移。通過對近幾年來發(fā)生的攪拌器機封失效案例進行歸納分析，發(fā)現(xiàn)由于齒輪箱輸出軸的竄量太大導(dǎo)致機封失效的情況并不少見。

3 改進方案

3.1 按照機封的實際工況條件對機封進行重新選型

新選型機封采用高壓機封結(jié)構(gòu)重新進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證高壓密封長周期的有效運轉(zhuǎn)。改進后的高壓機封裝配示意圖如圖3所示。

改型后的機封的上／下密封副分別采用獨立彈簧結(jié)構(gòu)，并在原結(jié)構(gòu)的鎖緊盤（件13）上方增加了一個Half形抱箍（件14），以增加軸套（件11）與軸（件18）之間的抱緊力，確保軸套在單向力的作用下不會出現(xiàn)向上的位移竄量。

3.2 要把攪拌器上部穩(wěn)定軸承間隙檢查調(diào)試納入到標準化檢修作業(yè)內(nèi)容并嚴格控制

以后，每次停車檢修都要安排對上部穩(wěn)定軸承的間隙進行檢查和調(diào)整，將穩(wěn)定軸承的間隙檢查調(diào)試工作納入到標準化檢修作業(yè)內(nèi)容，并按照機封技術(shù)要求中規(guī)定的允許竄量在0.2 mm之內(nèi)，一旦超過這個標準即需要對穩(wěn)定軸承進行成對更換。

3.3 要加強對攪拌器齒輪箱檢修的質(zhì)量控制，特別要加強對齒輪箱輸出軸的竄量檢測和控制

圖3 改進型機封裝配示意圖

由于齒輪箱輸出軸的竄量會導(dǎo)致攪拌軸的軸向定位受到影響。竄量太大，攪拌軸的軸向位移量也會增大，就可能導(dǎo)致機封軸套相對于機封發(fā)生向上的位移，進而改變機封的運行工況，加速機封失效。

4 結(jié) 論

a）PTA裝置中使用了大量的攪拌設(shè)備，其中絕大多數(shù)的攪拌器都采用了機械密封結(jié)構(gòu)。在實際生產(chǎn)運行過程中，影響機封使用壽命的因素很多。特別是在機封國產(chǎn)化改型過程中，尤其要審慎，確保機封的選型結(jié)構(gòu)必須滿足機封的運行工況要求。對于工作溫度較高、釜內(nèi)工作壓力也較高的工況，一定要選用合適的機械密封結(jié)構(gòu)。同時要考慮到PTA工藝介質(zhì)的腐蝕特性，在機封的材質(zhì)選用上要恰當，要滿足裝置長周期穩(wěn)定運行的要求。

b）在進行攪拌器大修的過程中，對于像PTA第一結(jié)晶器攪拌器這樣的設(shè)備，一定要將上／下穩(wěn)定軸承的檢查和檢修納入到重要檢修質(zhì)量控制內(nèi)容，防止因失修導(dǎo)致攪拌軸運行過程中擺動或沖擊太大，進而對機封的運行狀態(tài)構(gòu)成影響。

c）要正確地按照機封供貨商提供的力矩要求，使用力矩扳手、按照收縮盤鎖緊的作業(yè)規(guī)程對機封的收縮盤正確地進行鎖緊操作。

d）要加強對攪拌器減速箱的檢修質(zhì)量控制，將輸出軸的竄量控制在0.03～0.08 mm范圍內(nèi)，防止因軸竄量過大導(dǎo)致機封的密封元件受到損害。特別對于已經(jīng)出現(xiàn)軸套明顯向上位移的機封，就更應(yīng)該首先檢查齒輪箱輸出軸的竄量情況。另外，在進行減速箱更新選型時，特別要注意輸出軸的軸承配置是否滿足承載軸向力的要求，盡量避免使用向心推力滾珠軸承。

Failure analysis of m echanical seal of First PTA Crystallizer Agitator

Yuan Lixin
（PTAManufacture Center of Yizheng Chemical Fibre Co．，Ltd．，Yizheng Jiangsu 211900，China）

Based on the failure analysis of mechanical seal of First PTA Crystallizer Agitator，try to find the deep-seated reasons for the frequent failure of the mechanical seal，and formusolutions.

First PTA Crystallizer Agitator；mechanical seal；failure analysis；stable bearing

TH136

B

1006-334X（2014）01-0050-04

2014-01-15

袁立新（1966—）男，江蘇靖江人，高級工程師，多年來一直從事聚酯、PTA裝置設(shè)備管理工作。