化工反應釜密封失效分析及優化改造

李 果

（岳陽聚成化工有限公司，湖南岳陽 414000）

0 引言

反應釜廣泛應用于石油、化工領域，是完成硫化、硝化、氫化、烴化、聚合、縮合等工藝過程的壓力容器，反應物多是易燃易爆、有毒、腐蝕性、帶懸浮顆粒等介質，反應壓力0～1.6 MPa 甚至更高，一旦泄漏將造成嚴重事故，因此釜用密封性要求嚴苛。

1 聚合反應釜雙端面機械密封

自20 世紀90 年代起，中石化某催化劑公司采用數十臺10 m3聚合反應釜制備分子篩產品，原料主要是硅膠、正丁胺、吡啶、堿液等介質，溫度200 ℃以下，壓力0～1.4 MPa，釜用密封采用傳統的適用于易燃、易爆、強腐蝕、帶顆粒及真空下密封要求較高場合的雙端面機械密封（207 型，靜環石墨，動環碳化硅或不銹鋼），并配套GD 型平衡罐輔助裝置。

雙端面機械密封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，與單端面機械密封原理基本相同。雙端面機械密封結構在工作時，流體壓力和彈性元件彈力的合力作用下，在密封環的端面上產生一個適當的比壓（壓緊力），使兩個接觸端面（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。雙端面密封有兩道端面密封，起著雙重保護的作用，如果一級密封失效則二級密封仍然可密封，防止泄漏。

GD 型平衡罐用于雙端面機械密封中密封液的增壓、儲存、冷卻，通過加壓口將氮氣引入平衡罐內，將壓力高于釜內介質壓力0.05～0.10 MPa，密封液采用凈水而非白油（防止污染物料）周而復始地循環，起著冷卻潤滑作用，不僅保證機械密封的正常工作，還可以作為檢測一級密封是否失效的重要手段（圖1）。

圖1 GD 型平衡罐工藝流程

2 密封失效分析及拆檢要點

2.1 失效分析

雙端面機械密封失效比較容易判斷，如平衡罐密封液液位突然且持續下降，通常表明下端面密封圈損壞或異物進入密封面而導致密封面被破壞。當泄漏量超過允許值10 mL/min 時，應檢查并分析泄漏原因，主要檢查分析內容如下：

（1）密封液是否有鐵銹、水垢等固體雜質進入。

（2）壓力、溫度、轉速及其他條件是否超過標準規定。

（3）攪拌軸的軸向竄動及徑向擺動量是否超過規定值（低壓釜≤0.5 mm）。

（4）密封液循環系統以及密封液儲罐壓力是否正常。

（5）冷卻水系統是否工作正常。

（6）察看泄漏孔流出液體的顏色（如果為混濁黑色，則石墨環磨損嚴重）。

從實際使用情況來看，雙端面機械密封的失效周期一般為3～6 個月，上10 臺反應釜每年檢修次數高達20～30 次，頻繁的失效與檢修給生產造成極大困擾，特別是生產過程中的突然失效，產品質量與安全連續性生產無法得到保障。

2.2 拆檢要點

機械密封不宜輕易拆卸，在絕對必要的情況下由專業維修人員進行操作，拆卸檢查維修要點如下：

（1）將拆卸后的零件用工業煤油浸泡清洗，潔凈棉紗布擦拭干凈并進行檢查。

（2）重點檢查動、靜環磨損情況，一般來說，靜環（軟環）臺階高度為3 mm，如果臺階高度低于1 mm，屬于磨損過度必須更換新件。

（3）重點檢查所有密封面（基座，軸套，動靜環O 形圈，耐高溫石棉墊），發現有老化、溶脹、損傷、破裂以及磨損現象必須更換新件。

（4）對修復、組裝后的機械密封嚴格按安裝程序和要點進行，并按規定進行靜壓和跑運測試。

機械密封失效的原因有很多，如工作溫度、壓力、物料特性、攪拌轉速、密封液介質、密封材料、攪拌軸偏擺、機械振動等客觀因素，也有人為操作、維護不當等主觀因素，因此需要進行全面分析，不能一概而論。每次拆卸后檢查，發現絕大部分失效原因是O 形圈（下端面靜環O 形圈尤甚）溶脹損壞（占比80%以上），其次為摩擦副磨損（圖2）。

圖2 機械密封失效形式

3 改進措施

結合釜內的物料特性與工況分析，改進的重點是O 形圈材料的選型。全氟醚材料雖然性能優越，適用于各種工況，但價格昂貴，且定制周期長，一般應用較少；包四氟丁晴材料較硬，耐壓縮變形差，在試運行環節密封失效率較高，安裝費時費力，正常運行冷熱交替工況下密封極易失效；氟橡膠材料對于胺類、堿、過熱水蒸氣介質不耐受，后續對氟橡膠O 形圈（僅限靜環）用四氟帶進行纏繞后使用，可適當改善O 形圈使用環境及密封效果，延長其使用壽命。

經過系列測試，從耐溫與介質耐受性以及耐壓縮變形性能三方面考量，四丙氟橡膠材料比較符合當前工況，性價比最高（表1）。

表1 不同材料O 形密封圈性能比較

在改進密封材料的同時，使用和安裝環節也進行系列改進，改進要點及改進目的見表2。

表2 使用和安裝環節主要改進點及改進目的

4 改造效果及新技術應用

通過系列優化改造以及操作、維修方法的改進，反應釜密封的使用時間平均達到了12 個月，較之前的3～6 個月使用壽命得到了較大改善，維修速度大幅提高（安裝后靜壓以及跑運測試一次性成功率高），同時遵循“節約就是增效”的原則，拆卸下來的動、靜環經檢查還能使用，密封面經過重新研磨合格（平面度0.9 μm，粗糙度Ra 值：硬環≤0.2 μm，軟環≤0.4 μm），合理利舊處理，使維修配件成本大幅降低。

與此同時，隨著技術的不斷革新，根據磁傳動以現代磁學的基本理論，應用永磁材料所產生的磁力作用，實現力或扭矩無接觸傳遞的一種技術在化工行業也得到了廣泛的應用，比如磁力泵。同樣，磁力攪拌隨著技術越來越成熟也逐漸在大型的反應釜上開始應用。磁力驅動可將力的傳遞由動密封轉化為靜密封，實現動力的零泄漏傳遞，有著以下獨特的優勢：

（1）獨有的物理隔離組件，不需要另外添置其他密封裝置，無機封。

（2）物理隔離組件保證磁傳動裝置內部潔凈，無需頻繁檢修。

（3）耐高溫、耐高壓，高轉速、高扭矩。

（4）安全可靠，操作簡單，適用高溫高壓、易燃易爆、有毒有害等需要完全密封的場合。

磁力驅動反應釜改造前后見圖3。

圖3 磁力驅動反應釜改造前后

5 結束語

自2017 年開始，該公司逐步對反應釜進行磁力密封改造，利用現有的攪拌器、電機以及減速機，取消機架和機械密封及配套平衡罐系統。最早應用磁力密封的反應釜自改造投用已5 年多時間，維護量極少，僅需定期加注軸承潤滑脂，實現了真正的“零泄漏、零維修”，減小檢修人員的工作強度，同時也極大提高了操作和維護的安全系數，避免被迫停機造成的物料報廢或質量波動的風險。因此，反應釜的機封改造對企業具有重大意義和借鑒推廣價值。