聚丙烯擠壓造粒機剖分式干式機械密封研究

奉明忠，王剛

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聚丙烯擠壓造粒機剖分式干式機械密封研究

奉明忠，王剛

（四川日機密封件股份有限公司，四川 成都 610045）

聚丙烯擠壓造粒機的軸端密封采用干式機械密封替代傳統浮環密封，避免了浮環密封磨損螺桿軸的顯著缺點，實現長周期平穩運行、且密封性能可靠。研制出一種特殊的耐干運轉摩擦副，并通過對密封結構和參數進行優化設計使摩擦副耐磨性能優異且密封補償調節方便、散熱平衡，該干式機械密封的設計為剖分式。該新型剖分式干式機械密封已成功應用于國內多家石化企業擠壓造粒機上。

擠壓造粒機；剖分式；干式；機械密封

擠壓造粒機是聚丙烯、聚乙烯裝置后處理設備中的關鍵大型設備，涉及眾多關鍵技術、設計制造難度大，我國主要依賴進口，一般從德國J. S. W公司或日本神戶制鋼公司進口。擠壓造粒機的軸端密封一般采用A. B. C浮環密封，以20～30 kPa氮氣作為緩沖氣來密封擠壓造粒機內帶微正壓的聚丙烯粉末，最大缺點是經常出現浮環對螺桿的磨損，修復困難、損失巨大，因此浮環密封的技術方案正逐步被淘汰。近年國外采用干式機械密封來取代浮環密封，由于進口的干式機械密封技術未過關，使用過程中壽命偏短。

四川日機密封件股份有限公司通過對干式機械密封進行研究，提高了機械密封壽命，實現了擠壓造粒機干式機械密封長周期運轉。將國內多家聚丙烯工廠擠壓造粒機A. B. C浮環密封改造為干式機械密封后，使用效果優良，填補了國內空白。

1 擠壓造粒機機械密封形式的確定

如圖1所示，擠壓造粒機的軸端密封主要是密封從料倉進入擠壓造粒機的聚丙烯粉末。擠壓造粒機內的粉末帶微正壓，如果密封失效，大量粉末從電機側軸端漏入廠房內，覆蓋電機表面，易引起粉塵爆炸和使電機表面無法散熱。

圖1 聚丙烯擠壓造粒機示意圖

擠壓造粒機轉速為250 r/min左右，軸徑為200～240 mm，螺桿機運轉與壓縮機、泵相比平穩性較差，該工況不能采用濕式機械密封，現場不允許任何液體進入擠壓造粒機內。由于運行不平穩，又是粉末介質，螺桿轉速偏低，因此不適宜采用干氣密封。擠壓造粒機機組龐大，裝拆螺桿困難，為裝拆方便，機械密封必須設計成剖分式。綜上所述，擠壓造粒機軸封的最佳技術方案是剖分干式機械密封，既避免浮環密封磨損螺桿軸，又可實現長壽命運轉。

2 剖分式干式機械密封的結構

如圖2所示，該干式機械密封工作在粉末介質中，其結構要求介質與彈簧隔離，保證彈簧不被粉末阻塞失彈。選擇彈簧外置式，保證了彈簧不與粉末接觸，且動靜環磨損后可以通過擰緊調節螺母補充彈簧壓縮量，使動靜環密封面繼續保持貼合，實現密封繼續運轉。

在選用的雙端面機械密封腔內通入20～25 kPa氮氣作為緩沖氣，通過密封端面向擠壓機內部微泄漏。雙端面干運轉必然產生巨大熱量，將熱量及時傳走，使得密封腔內保持熱平衡，是該干式機械密封成功的關鍵，因此必須恒定壓力，保證氮氣在進出口維持一個合理的流量以帶走熱量。動靜環采用剖分式，密封膠條和O型圈都切斷剖分。采用密封膠條傳動，簡化了密封結構。密封膠條既做動環軸向密封，又通過徑向過盈起到傳動作用，通過膠條足夠的過盈壓縮使動環隨軸旋轉。密封膠條若過盈量太小，將導致動環傳動失效打滑，膠條會把螺桿軸磨出深槽；若過盈量太大，膠條與軸之間摩擦力巨大，彈簧力無法克服軸向摩擦力，就無法使動靜環緊密貼合，密封也就失效了。

圖2 剖分式機械密封示意圖

3 干運轉摩擦副的研制

干運轉機械密封的動靜環密封端面沒有液膜和氣膜，因此這一對摩擦副至關重要，其自身必須有優良的減摩特性，才能實現長周期干摩擦干運轉。由于動靜環都要做成剖分，而碳化硅、硬質合金、石墨做成剖分都制造、定位困難，加之運轉平穩性差，所以不宜選用這些脆性材料。因此研發一對抗震動、耐干磨的摩擦副是本課題的關鍵。

采用高分子材料添加抗磨劑，經過多次試驗確定配方和成型工藝，做成的動環能抗干運轉、自潤滑性能良好?；w采用高分子材料，做成剖分式，成型容易，加工方便。該塑性材料具有抗震性能，避免了脆裂。

靜環選用硬材料，既便于剖分制造，又保證有一定硬度耐磨。采用304不銹鋼表面噴焊2 mm耐磨合金層。耐磨合金層采用超聲波噴焊，與304不銹鋼基體有良好的結合力。合金層硬度不宜太高，保持HRC 45～50，實現運轉過程磨損靜環（硬環）。靜環磨損后，氮氣流量增大，可以擰緊調節螺母，使動靜環緊密貼合，氮氣流量又恢復正常，這樣直到合金層全磨損后，該密封才失效。因此其使用壽命可達兩年。合金層硬度要保持基本一致，不能隨深度衰減，因此合金噴焊工藝非常重要，既要保證深度改變后硬度一致，又要保證不出現砂眼、裂紋。

4 干式機械密封參數設計[1-2]

15萬噸/年聚丙烯擠壓造粒機螺桿，直徑1＝220 mm，轉速＝246 r/min。根據設計經驗，將干式機械密封設計為寬密封面、低彈簧比壓，密封面寬度12.5 mm，動環外徑2＝245 mm，確定彈簧比壓為P＝0.6 kgf/cm2。

4.1 彈簧力的確定

密封帶面積＝π(22－12)/4＝91.25 cm2

彈簧力F＝PA＝549 N

三根圓柱彈簧每根彈簧力＝F/3＝183 N

4.2 平衡直徑的確定

為降低端面比壓、減少端面發熱，將氮氣壓力部分作用在動環上，通過橡膠條外徑設計來實現壓力平衡，平衡系數定為＝0.9，橡膠條外徑為有效直徑0。根據＝（22－02）/（22－12），計算出0＝222.6 mm，膠條厚度＝(0－1)/2＝1.3 mm，加上合適的過盈量，即可確定膠條外徑。膠條軸向長度定為10 mm。

4.3 氮氣消耗量（流量）的確定

擠壓造粒機內為微正壓，設定其表壓為5 kPa，則密封氮氣壓力為表壓20 kPa，即介質壓力P＝1.05 kgf/cm2、氮氣壓力1＝1.2 kgf/cm2，端面比壓＝(1－P)＋P＝1.635 kgf/cm2。

端面摩擦系數為0～0.1，取＝0.1。

單端面摩擦力＝＝149 N，摩擦扭矩M＝(1＋2)/4＝17.3 N·m，摩擦功率＝M·2π/60＝445 W，雙端面密封的摩擦熱功率總＝2＝890 W。

氮氣以常溫20℃進入密封腔，吸熱后設計溫度＝293 K（約20℃），要求以不超過45℃排入大氣，則Δ＝25℃，氮氣絕壓＝102000 Pa，氮氣摩爾質量＝28，比熱容C＝1.035 J/g·K，氮氣密度＝/，為質量，根據阿弗加德羅定律＝＝(/)，知＝/＝/＝118.8 g/L。注入氮氣體積流量為（L/min），注入質量＝＝118.8g/min，根據總吸熱量吸＝60總＝mCΔ，有＝60總/CΔ＝1.04 m3/h。為使生產更可靠，氮氣的流量確定為1～3 m3/h。

5 氮氣系統的設置

設置一個氮氣系統，穩定氮氣的壓力恒定在表壓0.02～0.25 MPa、流量維持在1～3 m3/h，并且監控密封腔溫度使溫升不超過25℃，如圖3所示。通過調壓閥調整壓力，如果流量偏大則擰緊調節螺母使流量達標。

6 結論

研制出的新型剖分式干式機械密封已用在大慶煉化、獨山子石化、海南煉化、神華包頭分公司等聚丙烯工廠的擠壓造粒機干式機械密封國產化和浮環密封改干式機械密封的工作中，取得了良好業績。該研究成果還推廣到反應釜干式機械密封、電機氟利昂介質的干式機械密封等領域。

圖3 氮氣系統

[1]顧永泉. 機械端面密封[M]. 東營：石油大學出版社，1994.

[2]顧永泉，等. 機械端面溫度[J]. 流體工程，1985，13（4）：2-10，64.

[3]ANS/API Standard 682，Pumps-Shaft Sealing Systems for Centrifugal and Rotary Pumps (Third Edition)[S]. 2004：151-153.

TheStudyontheSplitDryMechanicalSealforPolypropyleneSqueezingGranulator

FENG Mingzhong，WANG Gang

( Sichuan Sunny Seal Co., Ltd. Chengdu610045, China )

Using the dry type mechanical seal to replace the traditional floating ring seal on the face seal of polypropylene squeezing granulator, great achievements have been made in these respects, avoid the floating ring seal wear seriously, realize the screw shaft running smoothly for a long period of time, and have reliable sealing performance. In order to improve the resistance ability, a special material for dry running friction pair have been developed. Through the optimization of seals structure design and parameters, it is realized that the friction pair compensation adjustment is convenient, excellent wear resistance and seal heat balance have been achieved. The structure of dry mechanical seal in this design is split. The new type of split dry mechanical seal is successfully applied to the extrusion granulator for many petrochemical enterprises in China.

squeezing granulator；split；dry-running；split mechanical seal

TB42

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.05.015

1006－0316 (2018) 05－0056－04

2017－05－08

奉明忠（1967－），男，四川省渠縣人，碩士，高級工程師，主要研究方向為流體動密封和流體機械；王剛（1979－），男，四川內江人，本科，工程師，主要研究方向為流體動密封和流體機械。