分子篩生產用螺旋輸送機應用問題分析及改進

張慶雪

(中國石化催化劑有限公司齊魯分公司,山東 淄博 255300)

1 分子篩生產用螺旋輸送機使用存在問題

中國石化某催化劑生產企業采用LS340型螺旋輸送機進行分子篩生產，用螺旋輸送機輸送焙燒后的分子篩物料，同時通入原料A進行進一步反應，因螺旋輸送機與焙燒爐及除塵設備等構成一個基本封閉的生產系統，輸送機內部是微負壓狀態。

在此工況實際生產中，螺旋輸送機內分子篩物料容易結塊，粘附在主軸、葉片和外殼內壁上，使用時間約7～15天就發生結塊，導致螺旋輸送機卡死問題。葉片及其焊縫腐蝕嚴重，葉片斷裂、脫落經常發生，葉片、主軸及外殼腐蝕減薄非常明顯，輸送機整體壽命僅為5～6個月。軸封采用的是填料密封，密封不嚴，現場持續地少量泄漏分子篩粉塵和反應生產的HCl氣體，污染環境，形成職業衛生隱患。

2 問題原因分析

2.1 卡死問題

螺旋輸送機卡死直接原因是輸送的分子篩結塊，結塊后的分子篩粘附在螺旋輸送機外殼內壁或轉子上，逐步累積，最后卡死轉子，造成停機。經分析造成分子篩結塊的主要原因是原料A與進入輸送機內部的少量水分以及分子篩物料進行的一系列反應導致結塊。通過分析，判斷螺旋輸送機內的水分主要是在負壓環境下通過主軸封進入絞龍的空氣含水，要從根本上解決結塊卡死問題，需要從改進主軸封密封，提高密封效果著手。

2.2 腐蝕問題

螺旋輸送機材質是321不銹鋼，葉片與主軸(空心鋼管)焊接連接，屬奧氏體不銹鋼，螺旋輸送機葉片腐蝕斷裂，脫落時有發生，主軸和外殼也存在顯著的腐蝕減薄現象。腐蝕發生的主要原因是，輸送物料的副反應生成HCl氣體，HCl氣體與螺旋輸送機內的水分形成鹽酸酸霧，酸霧對輸送機產生腐蝕，酸霧對奧氏體不銹鋼的腐蝕類型有晶間腐蝕、應力腐蝕和點蝕，這三種腐蝕類型在螺旋輸送機的腐蝕上都存在。欲解決腐蝕問題，一是增強密封效果減少水分進入，二是改進螺旋輸送機材質。

2.3 泄漏問題

現場泄漏粉塵、HCl氣體，主要原因是，螺旋輸送機主軸密封采用3圈12mm×12mm石墨盤根壓緊的填料密封，密封盤根僅3圈，密封效果較差。填料密封由于摩擦作用較強，一般需要通入冷卻水，發揮冷卻及水潤滑作用，但此產品生產工藝要求不允許通入冷卻水，主要原因是冷卻水可能沿主軸進入物料內部，沒有冷卻水加劇了磨損的影響，極大的縮短了填料密封壽命。再者，結構設計上填料與軸直接接觸，沒有配備軸套，填料對軸頭密封面產生磨損，形成溝槽，嚴重降低密封可靠性，形成泄漏，解決泄漏問題需要從改進軸封密封形式和結構形式著手。

綜上所述，改進主軸密封形式和結構設計，選用耐腐蝕性更好的優質不銹鋼材料制作螺旋輸送機是改進的主要方向。

3 改造方案的確定與實施

3.1 主軸動密封改造方案

填料密封是一種傳統的接觸式密封，結構簡單，更換方便，成本低廉，適用范圍廣，對旋轉運動的軸允許有軸向竄動，其不足是密封性能稍差，軸不允許有較大的徑向跳動，功耗大，磨損軸，使用壽命短。機械密封密封性好，性能穩定，泄露量少，摩擦功耗低，使用周期長，對軸磨損很小，能滿足多種工況要求，在石化等部門廣泛應用，但其機構復雜、制造精度高、價格較貴，為了解決常規機械密封維修不方便的問題，目前已經有維修使用方便的集裝式機械密封。集裝式機械密封裝置的預安裝設計結構簡化了測量、調整等過程，具有安裝簡便、互換性強的特點。通過對比，在改分子篩生產工況下，螺旋輸送機應用集裝式機械密封比填料密封有著非常顯著的優勢，遂決定采用集裝式機械密封替換填料密封。

針對填料密封存在的問題，我們對集裝式機械密封設計、制造及選用提出了以下五個方面的要求。

3.1.1 采用雙端面機封

單端面密封結構簡單，制造、安裝容易，一般用于介質本身潤滑性好和允許微量泄漏的條件，是常用的密封型式，當介質有毒、易燃、易爆以及對泄漏量有嚴格要求時，不宜使用。雙端面密封結構復雜，配套有輔助密封系統，適用于介質本身潤滑性差、有毒、易燃、易爆、易揮發、含磨粒及氣體，即在密封可靠性要求較高的工況下宜選用雙端面密封。

3.1.2 動靜環材質的選擇確定

對摩擦副材料的總的要求是耐磨、耐熱、耐腐蝕，抗沖擊和抗熱裂等。經過對比分析，決定采用如下動靜環配對方案。靜環采用浸漬樹脂石墨環。它是一種耐磨、低摩擦系數(摩擦系數在0.01～0.08),且有有優良的自潤滑性和高熱導率、高抗熱沖擊性、低膨脹系數、耐多種介質腐蝕，并有良好的可加工性的材料，使用范圍較廣，在絕大多數工況中，與其它硬質材料配對是較為理想的摩擦副材料。動環采用整體硬質合金密封環。整體硬質合金密封環基本上不受使用溫度的影響，耐腐蝕、硬度高，與石墨環配對效果非常好。

3.1.3 密封腔引入密封液

軸向雙端面密封的密封腔工作時在兩對端面間引入高于介質壓力0.05～0.15MPa的封液，密封液采用外接密封液儲罐設計，可以改善端面間的潤滑及冷卻條件，并把介質與外界隔離，接近實現介質"零泄漏"。同時避免在實際使用時，有可能出現的瞬間的干摩擦狀態，避免瞬間摩擦系數增大造成特別嚴重發熱和磨損。密封液的管路設計參考API 682 Plan 53沖洗方案，方案原圖如圖1。

圖1 沖洗方案圖

Plan53主要應用于帶壓的雙端面密封結構，密封液存放于儲液罐中并經由外部系統加壓(通常是氮氣)。密封液的流動是同時受到外部壓力和靠密封內部的泵效環或熱虹吸作用維持循環。儲液罐內的壓力要大于密封腔內的壓力。

3.1.4 機械密封密封腔外殼設計為夾套式水冷卻的間接冷卻方式

間接冷卻的效果比直接冷卻要差一些，但冷卻水不與密封面接觸接觸，不會被介質污染，可以循環使用，杜絕了冷卻水進入輸送器內部與生產物料接觸反應的可能。

3.1.5 機械密封均帶有軸套

集裝式機械密封均帶有軸套，以減少密封部件對主軸的磨損，延長主軸壽命。按照上述要求改造后密封的非驅動端照片見圖2。

圖2 改造后密封的非驅動端

3.2 材質由321不銹鋼升級為316L+310S不銹鋼

321不銹鋼是Ni-Cr-Ti型奧氏體不銹鋼，雖然加入了金屬鈦，但從實際情況來，耐腐蝕性能仍然無法滿足在該工況下輸送機的使用要求。316L不銹鋼也是奧氏體不銹鋼，316L不銹鋼由于添加Mo，且含碳量更低，耐腐蝕性能更強，特別是耐點蝕性能優秀，高溫強度也很好，具有優秀的加工硬化性。310S不銹鋼(0Cr25Ni20)是奧氏體鉻鎳不銹鋼，310S擁有很好的蠕變強度，連續使用溫度可達1150℃，具有良好的耐高溫性，耐腐蝕性，抗氧化性，良好的可焊性，高溫強度高。

通過對比，可以發現316L不銹鋼性能優于321不銹鋼，310S不銹鋼性能最是優良，且都宜用于加工螺旋輸送機，因310S鋼材價格昂貴，綜合考慮材料性能和價格后，決定將轉子、外殼等接觸物料的零部件原來采用的321不銹鋼更換為殼體316L不銹鋼+轉子310S不銹鋼的組合，這樣就可以極大提高螺旋輸送機耐腐蝕性能。

把螺旋輸送機的填料密封改造為集裝式雙端面機械密封，將轉子、外殼等接觸物料的零部件原來采用的321不銹鋼更換為殼體316L不銹鋼+轉子310S不銹鋼的組合，重新加工制作新螺旋輸送機后在生產裝置進行了使用。

4 改造效果

密封改造效果對比：填料密封在生產使用中，平均壽命約30～45天，簡單說就是每次檢修都需要對密封填料進行更換；機械密封壽命為300～360天，可以在檢修中多次拆安重復使用，改造后，現場無粉塵和HCl氣體泄漏，符合如今環保和職業衛生的嚴格要求。腐蝕情況改善：螺旋輸送機的腐蝕主要發生在葉片、主軸和外殼，采用321不銹鋼轉子的平均壽命約180天，在改用310S后，壽命至少延長了360天以上。改造之后，螺旋輸送機連續運轉能力大幅提高，大幅度減少了開停車的頻次，產生顯著的經濟效益，且外漏粉塵和HCl氣體得到徹底治理，也產生了良好環境效益。

[1] 胡建軍，張永芳.淺談氯離子對奧氏體不銹鋼的腐蝕[J].化工裝備技術，2017,38(6):35-37.

[2] 張國釗.機械密封及沖洗系統在原油輸送離心泵中的應用[J].煉油與化工,2011,(5):1-2.