聚丙烯裝置動力分離器密封失效分析與改進

劉 亮，盧 永，王 威

(中國石化海南煉油化工有限公司，海南 洋浦 578101)

某煉油廠20萬t/a聚丙烯裝置動力分離器為意大利COMER公司生產，型號為PV 60，密封采用背靠背型雙端面機械密封【1】、Plan53C沖洗方案。此動力分離器主要作用是將前工段至閃蒸罐的氣相丙烯中夾帶的聚合物粉末進一步分離。物料自分離器切線方向進入, 旋分后聚合物粉料自閃蒸罐底排出，氣相組分從罐頂排出。自裝置投產以來，該動力分離器機械密封使用壽命最長不超過2年，最短不足半年。由于沒有備機，機械密封失效時需要停工才能更換，處理時間超過20 h，不僅嚴重影響裝置的長周期運行，同時還會造成一定的經濟損失。為此，本文對密封失效原因進行分析，并采取有效措施加以改進，以期為同類裝置出現的類似問題提供參考。

聚丙烯裝置動力分離器主要運行參數見表1。

表1 動力分離器主要運行參數

1 故障現象及拆檢情況

1.1 密封簡介

雙端面機械密封原理與單端面機械密封基本相同，都是靠垂直于旋轉軸線的端面(摩擦副)在流體壓力和補償機構彈力的作用以及輔助密封的配合下保持貼合并相對滑動而構成的防止流體泄漏的裝置。工作時，由流體壓力(介質壓力)和彈性元件的彈力等引起的合力作用，在密封環的端面上產生一個適當的比壓(壓緊力)，使2個接觸端面(動環、靜環端面)相互緊密貼合，并在兩端面間極小的間隙中維持一層極薄的液膜，從而達到密封的目的。雙端面機械密封有2道端面密封，若一級密封失效，二級密封仍然可起到密封作用，防止泄漏。一般雙端面密封都需要外供密封液系統，向密封腔內引入封液進行封堵、潤滑和冷卻，且多為循環冷卻使用。密封液不僅可以沖洗摩擦副、改善機械密封工作環境，還可以作為一級密封面是否失效的重要檢測手段。如果密封液增壓、活塞標尺的上漲量異常增大，說明此時摩擦副磨損較為嚴重，密封開始泄漏。聚丙烯裝置動力分離器密封液使用的是68號白油，其密封系統流程如圖1所示。

圖1 動力分離器密封系統流程

1.2 故障現象

該動力分離器自投產以來，運行一段時間后，密封油進出口溫度逐漸升高，且進口溫度增長幅度快于出口溫度，溫差逐漸減小。隨著溫差的減小，密封增壓活塞標尺增長量明顯上漲，機械密封泄漏量逐漸增加并且持續惡化，直至密封失效。機械密封從安裝至失效過程的密封腔進口密封油溫度、進出口密封油溫差與活塞增長量數據見表2。

表2 機械密封運行溫度與活塞增長量數據

注：由于增壓活塞為標準圓柱體，為了便于直觀計算密封泄漏量，將增壓活塞標尺增長量(mm/d)轉化為體積增長量(L/d)。

1.3 拆檢情況

該機械密封有一個完整的腔體，采用背靠背雙端面形式，密封油從入口進來，由2個U形槽之間的通道進入介質側密封腔體，再經由螺旋槽泵送環送出密封腔體，并通過冷卻器進行冷卻。密封結構如圖2和圖3所示。

圖2 動力分離器密封腔剖視結構

圖3 機械密封結構

對密封進行拆檢，其密封介質側動環和密封大氣側動環分別如圖4和圖5所示。

圖4 密封介質側動環

圖5 密封大氣側動環

由圖4和圖5可以觀察到：

1) 介質側動環密封面磨損嚴重。經測量，密封動環磨損深度達到4.7 mm，而密封設計壓縮量為4.9 mm，密封完全失效，且動環支座以及螺旋套外表面存在大量含石墨粉油污。

2) 大氣側動環有皰疤，存在部分積碳。

2 機械密封失效原因分析及計算

2.1 密封失效的原因分析

根據表1，將密封油溫度上漲趨勢與活塞標尺增長量作對比分析，如圖6所示。

圖6 機械密封活塞增長量與密封油系統溫度趨勢

由圖6可以觀察出：

1) 機械密封在運行初期，進出口溫差還比較明顯，機泵運行了一段時間之后，進出口溫差逐步降低，甚至在進口溫度增長至穩定值后溫差幾乎為0。

2) 進出口溫差降低的同時，機械密封的泄漏量逐漸增大，直至失效(一般密封活塞增長量超過3.5 L/d即考慮停機更換該機械密封)。

通過對該密封結構及運行數據的研究，發現導致其機械密封磨損加快的因素可能有以下4種：

1) 動靜環表面粗糙度不符合要求；

2) 端面比壓過大；

3) 摩擦副配對不當；

4) 冷卻效果不好，潤滑惡化。

下面針對這4種因素逐一進行分析討論。

2.2 密封失效的因素分析計算【2】

2.2.1動靜環表面粗糙度

大氣側機械密封及介質側機械密封數據如表3 和表4所示。

根據機械密封設計手冊要求，硬質材料密封端面表面粗糙度不超過0.2 μm，密封設計壓縮量在4～6 mm之間。由表3和表4可知，大氣側和介質側粗糙度均符合設計要求。

2.2.2動靜環摩擦副端面比壓計算分析

介質側機械密封運行數據如表5所示。

表3 大氣側機械密封數據

表4 介質側機械密封數據

根據密封面平均速度公式：

v1=π(D21+D11)n/120 (1)

將表5數據代入式(1)得介質側密封線速度：

v1=5.63 m/s

根據機械密封設計手冊，v1<10 m/s時，彈簧比壓Ps1取0.25 MPa。

由端面比壓公式可知，端面比壓計算需要得到以下幾項參數:

Pc1=Ps1+PsL1×(K11-λ1)

+PL1×(Ke1-λ1)

(2)

式中：Pc1——端面比壓，MPa；

Ps1——彈簧比壓，MPa；

K11——內裝式密封載荷系數；

Ke1——外裝式密封載荷系數。

載荷系數K11、Ke1計算公式如下：

(3)

(4)

將表5數據代入式(3)、式(4)得：

K11=0.65

Ke1=0.35

將載荷系數K11、Ke1代入式(2)得：

Pc1=0.26 MPa

校驗得：

Pc1v1=1.5 MPa·m/s≤(Pcv)p1

大氣側機械密封運行數據如表6所示。

根據機械密封設計定理，大氣端密封計算方式與介質側相同。

由表6可得，此時

介質側密封線速度：v2=5.76 m/s

大氣側壓力：PL2=0 MPa

大氣側密封端面比壓：Pc2=0.73 MPa

則:Pc2v2=4.2 MPa·m/s≤(Pcv)p2

表6 大氣側機械密封運行數據

根據對機械密封端面比壓的計算，在轉速為1 450 r/min條件下，該套機械密封端面比壓滿足使用要求。

2.2.3動靜環摩擦副材質選用

根據表3和表4可知，該機械密封動環所使用的材質為浸銻石墨，石墨具有較強的自潤滑性和較低的摩擦系數，浸入銻金屬后強度增加；靜環選用鈷基碳化鎢，此種材質強度大，耐磨性比最好的高速鋼高15～20倍，熱導率高1～2倍。根據機械密封設計手冊，這兩種材質在普通機械密封材質選型方面都是較理想的選擇。機械密封材質配對見表7。

表7 機械密封材質配對

由表7中可以發現：在油運的條件下，機械密封動環石墨材質與靜環碳化鎢材質配對的(Pcv)p值明顯優于同種工況下的其他材質配對，且通過對端面比壓進行計算，結果證明，該種材質的配對完全可以滿足聚丙烯動力分離器的現場使用。

2.2.4機械密封摩擦熱及密封油冷卻系統分析計算【3】

密封腔內液體的定態溫度是一個簡單的熱力學衡算函數。流進密封腔的液體的熱量減去密封腔流出的熱量即可得出凈熱量。液體溫度的升高或降低取決于凈熱量是正還是負。

根據API 682，密封液的熱源主要包括2個：由于密封端面的摩擦和流體的剪切而產生的熱量Q1以及設備傳遞給密封腔的熱量Q2。所以密封冷卻系統的設計是否合理關鍵在于能否取出系統產生的熱量，即冷卻密封液流出的熱量Q3與系統產生的總熱量Q(Q=Q1+Q2)的差值。

1) 介質側密封摩擦熱計算

密封端面摩擦功率Pn(單位：W)公式為：

Pn=fπdmnbnPcnvn

(5)

式中：f——密封環接觸面摩擦因數；

dmn——密封端面平均直徑，m，dmn=(D2n+D1n)/2；

bn——密封環接觸端面寬度，m，bn=(D2n-D1n)/2；

Pcn——密封端面比壓，Pa；

vn——密封環接觸端面平均速度 m/s。

注：式中n=1為介質側密封，n=2為大氣側密封。

將表5數據代入式(5)可得密封端面摩擦功率為：

P1=113.5 W

每小時產生熱量為：

Q11=3 600×P1=4.09×105J

2) 大氣側密封摩擦熱計算

同介質側密封端面摩擦功率的計算方法相同，將表6數據代入式(5)得密封端面摩擦功率為：

P2=456.1 W

每小時產生熱量為：

Q12=3 600×P2=1.64×106J

則每小時密封端面的摩擦和流體的剪切產生的熱量為：

Q1=Q11+Q12=2.05×106J

3) 密封腔傳熱計算

在動力分離器密封布置方式的工況中,隔離液以低于泵體的溫度注入密封腔,會有部分的熱流進或滲透到密封腔中。計算吸熱是相當煩瑣的, 需要有詳細的分析或試驗, 還要對泵構造材料和所輸送的介質的性能有全面的了解。如果沒有這些數據,傳熱量可按以下公式估算:

Q2=3.6×106×U×A×Db×ΔTm

(6)

式中：Q2——每小時密封腔傳熱量，J；

U——密封腔材料物性系數；

A——密封腔傳熱面積，m2；

Db——密封平衡直徑，mm；

ΔTm——泵體與密封腔溫度差，K。

密封腔現場測量數據見表8。

表8 密封腔數據

對于不銹鋼材質的軸套與密封壓蓋以及鋼材質的泵，U×A的計算值一般取0.000 25，將上述數據帶入式(6)可得每小時設備傳遞給密封腔的熱量

Q2=1.64×106J

綜上所述，每小時整個密封腔產生的熱量為：

Q=Q1+Q2=3.69×106J

4) 密封油冷卻器吸熱計算

現場實測密封油冷卻器參數如表9所示。

表9 密封油冷卻器參數

根據熱力學定理，不考慮熱損失的情況下，循環水的熱量吸收值與密封隔離液的熱量釋放值相等，即：

Q吸=Q放

而冷卻密封液流出的熱量為：

Q3=Q放=C×m×ΔTm

(7)

式中：m——密封隔離液循環量，kg,m=d×q；

ΔTm——密封油冷卻器隔離液出入口平均溫度差，℃。

由于

ΔT1/ΔT2≤1.7，ΔTm=(ΔT1+ΔT2)/2

將表9中數據代入公式(7)得每小時冷卻密封液流出的熱量

Q3=3.63×106J

Q3

綜上所述，動力分離器密封磨損加快與密封油冷卻器冷卻效果達不到使用要求導致密封油溫度過高有關，由機械密封活塞增長量與密封油系統溫度趨勢圖(見圖6)可以看出，雖然新安裝的機械密封在運行初期進出口溫差明顯，但是隨著運行周期的延長，密封油冷卻器開始結垢，溫差逐漸減小，密封泄漏量逐漸增大直至失效，說明此冷卻器預留裕量不足，無法滿足動力分離器機械密封正常的使用要求。

2.2.5機械密封摩擦副磨損加快原因分析計算【4】

由密封熱量計算結果可知，動力分離器密封磨損加快與密封油溫度過高有關。

根據粘溫方程

log(η+0.6)=A-BlogT

(8)

式中：η——介質工作環境下運動粘度，mm2/s；

A、B——常數，根據不同牌號油品粘溫關系計算可知；

T——密封油溫度，℃。

可知密封油溫度過高，粘度會降低。該動力分離器所用密封油為68號白油，其粘溫對應關系如表10所示。

表10 68號白油粘溫關系對照

根據表10數據并結合密封運行數據對比分析(見表1)發現，該密封進口溫度長期保持在50～60 ℃之間運行，其粘度遠遠低于正常運行標準。根據粘壓公式

η=η0eαp

(9)

式中：η0——介質大氣壓下運動粘度，mm2/s；

α——介質粘壓系數；

p——介質工作壓力，Pa。

可知，密封油粘度減小，工作壓力會降低，而機械密封在運行狀態下，摩擦副表面依靠密封油形成油膜，使介質壓力、動環彈簧彈力以及油膜張力相互平衡，從而保證摩擦副在全液狀態下正常潤滑，粘度特性趨勢如圖7所示。

圖7 密封油粘度特性趨勢

由式(9)結合圖7可以發現：粘度的減小量為壓力的指數倍，即一旦粘度減小，摩擦副表面形成的油膜變薄，表面張力降低，破壞了力的平衡，必然導致摩擦副表面摩擦阻力增加，磨損加快。

3 密封輔助系統優化改造

3.1 密封輔助系統優化改造【5】

機械密封的輔助系統主要由密封油冷卻器、活塞以及螺旋泵送環組成。

由前文分析可知，該密封磨損加快的主要原因為密封油溫度過高，且從式(7)可以發現，密封油傳熱量的多少，主要由m×ΔTm來決定，在流阻變化不大的情況下，換熱器傳熱的大小僅與出入口溫差以及隔離液循環量有關(冷卻水一直循環恒溫提供)。

針對該密封油存在的溫度過高的問題，經過分析計算，提出兩點可行性優化方案：

1) 增加大流量大換熱面積密封油冷卻器，增大隔離液出入口溫差，改善密封運行環境；

2) 增加螺旋泵送環直徑，使其與密封腔體間隙減小，增加泵送隔離液流量，提高換熱效率。

3.1.1密封油冷卻器優化改造

密封油冷卻器優化前后結構分別見圖8和圖9。

如圖8所示，優化前換熱器總長1 165 mm，寬60 mm，密封油管直徑φ26.2 mm，為一直管段夾套冷卻器，換熱面積0.1 m2。

按圖9優化后，使用盤管式換熱器，增大其熱交換總面積，降低密封油進入密封腔溫度，增加出入口溫差。

圖8 密封冷卻器優化前結構

圖9 密封冷卻器優化后結構

3.1.2密封螺旋套優化改造【6】

螺旋泵送環及其腔體結構如圖10和圖11所示，螺旋泵送環與腔體間隙d=(d1-d2)/2。

圖10 泵送螺旋套腔體直徑d1

圖11 泵送螺旋套直徑d2

在一定范圍內，泵送流量同其與腔體的間隙成反比，間隙越小，流量越大。因此，對螺旋泵送環的優化改造，主要是增加螺旋套直徑d2，使其與密封腔體間隙d減小，增加泵送流量，提高換熱效率。由式(7)可知，密封腔循環隔離液流量越大，其釋放出的被循環水吸收的熱量就越多。

現場拆檢密封,測量螺旋泵送環與密封腔間隙為3.5 mm。間隙偏大致使機械密封在運行過程中密封油回流量過大，密封隔離液流經密封油冷卻器流量過小。本次優化將螺旋套直徑增加5 mm，使其與腔體間隙在1.0 mm左右，提高密封腔隔離液循環量，改善換熱效果。

通過上述2種方案的優化，新密封油冷卻器換熱面積增大至1.2 m2，循環量由原來的1.05 L/min 增大至4 L/min。

3.2 密封輔助系統優化結果

優化后密封輔助系統參數如表11所示。

表11 優化后密封輔助系統參數

此時ΔT1/ΔT2>1.7，則ΔTm的計算公式為

ΔTm=(ΔT1-ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)

(10)

不考慮熱損失的情況下，將表11中數據代入式(7)、式(10)得

Q4=Q放=Q吸=7.08×106J

式中：Q4——優化后密封油冷卻器每小時熱量吸收量，J。

由計算數據可知，經過優化的密封油冷卻器熱量吸收量大于密封摩擦熱與泵向密封腔傳熱量的總和(Q4>Q)，理論上滿足現場使用條件，完全可以將密封腔產生的熱量帶走，使密封維持在一定的溫差范圍內穩定運行。

4 密封輔助系統優化效果

密封輔助系統優化后，1年內的密封運行趨勢如圖12所示。

圖12 密封輔助系統優化后機械密封活塞增長量與密封系統溫度趨勢

從圖12中可以看出：機械密封輔助系統優化后，其入口溫度根據環境以及循環水溫度不同，在34～40 ℃之間波動，出口溫度基本維持在53～60 ℃，說明隔離液進冷卻器循環后，釋放了大部分熱量，使溫度有了明顯的下降。現場對活塞標尺泄漏量進行監測，基本穩定在0.3 L/d，相較之前有了明顯好轉，目前已穩定運行超過1年。

5 建議

在研究溫度過高導致密封磨損加快的分析計算過程中，發現通過改變密封油種類、增加沖洗方案等方式也可以達到降低密封油循環溫度的作用，根據這一發現，給出以下3點建議，可以作為下一步密封優化的方向。

1) 采用更加良好的密封導熱油。從式(7)可以看出，好的導熱油在同種工況條件下，循環性更好，比熱更大，帶走的密封熱相較普通密封油更多。

2) 增上外隔離液沖洗方案。通過外管路加壓補充新的隔離液的方式，保證隔離液溫度維持在相對較低的水平。

3) 定期清理換熱器。換熱器結垢一直是換熱效果變差的關鍵性因素，結垢不僅影響循環介質的傳熱系數，甚至會堵塞流道，使循環量大幅降低。建議現場增上1臺換熱器互為備用，對在用的換熱器定期切出系統進行酸洗清理。

6 結語

針對機械密封運行過程中密封油溫度過高導致摩擦副磨損加快的問題，分析發現，良好的密封運行環境對機械密封安全、長久運行能起到至關重要的作用。對密封輔助系統進行優化后，上述問題得到明顯改善，體現在如下幾個方面：

1) 從裝置運行平穩率來看，該機械密封在正常安裝的前提下，優化后可使用1個大修周期左右，極大地延長了裝置穩定運行的時間；

2) 從節能上來看，可以有效減少經濟成本的額外投入以及裝置停工次數，降低能耗，增加裝置收益；

3) 從環保層面來看，杜絕了密封泄漏造成的環境污染，真正實現了企業減負與節能減排的雙贏局面。