高壓聚乙烯反應(yīng)釜攪拌軸運(yùn)轉(zhuǎn)分析及安裝調(diào)整

秦久達(dá)

（中化泉州石化有限公司，福建泉州 362000）

0 引言

近年來，我國(guó)EVA（樹脂）消費(fèi)量以年均10%的速度增長(zhǎng)，大大超過了世界平均增長(zhǎng)水平，但仍不能滿足需求，在2021 年后，新增產(chǎn)能130 萬噸EVA 進(jìn)入市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)進(jìn)口EVA 的依賴程度越來越低，預(yù)計(jì)到2025 年進(jìn)口量將為85.75 萬噸。隨著國(guó)內(nèi)產(chǎn)能逐漸增加，EVA 的價(jià)格也將隨之下降，EVA 市場(chǎng)也將越發(fā)競(jìng)爭(zhēng)激烈。

1 EVA 裝置的運(yùn)行現(xiàn)狀

（1）超高壓聚乙烯的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)情況：釜式法EVA裝置連續(xù)生產(chǎn)一直是世界難題，目前世界上成功的裝置連續(xù)運(yùn)行159 d（數(shù)據(jù)來自EXXON MOBIL），相比于其他聚烯烴裝置，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)長(zhǎng)較短，而國(guó)內(nèi)的釜式法超高壓聚乙烯裝置（LDPE 或EVA）的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間更短，某大型國(guó)有石化企業(yè)類似裝置（管式法LDPE）建成運(yùn)行的第一年，裝置全年共停車173 次；國(guó)內(nèi)第一家私企釜式法EVA 裝置建成投產(chǎn)第一年的停車次數(shù)為56 次，運(yùn)行6 年后此裝置2022 年的停工次數(shù)為24次；而運(yùn)行良好、且經(jīng)過10 年生產(chǎn)運(yùn)行后某合資企業(yè)的管式法LDPE 裝置2016 年共停車13 次，為國(guó)內(nèi)較好水平。裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行，設(shè)備方面瓶頸主要在于裝置內(nèi)的核心設(shè)備二次機(jī)和反應(yīng)器（釜式法）能否長(zhǎng)期平穩(wěn)運(yùn)行。

（2）目前國(guó)內(nèi)反應(yīng)釜攪拌軸的運(yùn)轉(zhuǎn)壽命：目前國(guó)內(nèi)釜式法裝置的攪拌軸在線使用時(shí)間大多數(shù)為4～8個(gè)月，國(guó)內(nèi)大型國(guó)企中有比較老的2 套釜式法EVA 裝置，其反應(yīng)釜的攪拌軸壽命大多為4 個(gè)月左右，每次更換攪拌軸的工作大約為3 天，每年因攪拌軸壽命導(dǎo)致其裝置停車次數(shù)至少為3 次，一套裝置的停總時(shí)間至少為9 天/年；某國(guó)企2017 年開工的釜式法LDPE 裝置的反應(yīng)釜攪拌軸的最長(zhǎng)使用壽命為6 個(gè)月（平均壽命4～5 個(gè)月），每年因此停車時(shí)長(zhǎng)為6～9 d；國(guó)內(nèi)第一家私企釜式法EVA 裝置剛開工的攪拌軸最長(zhǎng)壽命可達(dá)8個(gè)月，目前的僅為4～5 個(gè)月，最短的壽命僅為44 d，每年反應(yīng)器檢修的平均時(shí)長(zhǎng)為8～10 d?？梢姼椒ǜ邏壕垡蚁┭b置由反應(yīng)器攪拌軸壽命原因帶來的檢修時(shí)間平均可達(dá)9 d 左右。

（3）釜式法反應(yīng)器攪拌軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間短的原因：釜式法反應(yīng)器的攪拌器主要由電機(jī)和攪拌軸組成，攪拌器全部在反應(yīng)釜內(nèi)，反應(yīng)釜頂蓋通過帶有透鏡墊密封的電極為攪拌電機(jī)供電。攪拌軸電機(jī)的底部軸承為兩個(gè)止推軸承，此軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)承受攪拌軸及電機(jī)轉(zhuǎn)子的重量（約2 t），在無油潤(rùn)滑的條件下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，且在反應(yīng)器開停工過程中的介質(zhì)溫度會(huì)升至最高140 ℃，所以此軸承的運(yùn)行壽命是反應(yīng)器長(zhǎng)周期運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一，此外，攪拌軸長(zhǎng)為7933 mm，軸徑為135 mm，軸的長(zhǎng)徑比較大并裝配有較多附件（3 種槳葉總數(shù)為132），且攪拌軸以920 r/min 高速運(yùn)轉(zhuǎn)，專利商設(shè)計(jì)攪拌軸在上、中、下有3 組徑向軸承，此軸承均在無油及高溫環(huán)境中運(yùn)行，正常運(yùn)行溫度最高210 ℃，所以攪拌軸的3個(gè)軸承的壽命影響攪拌軸的壽命，在如此惡劣的工況下，加之系統(tǒng)存有VA（醋酸乙烯）單體，可能對(duì)軸承產(chǎn)生腐蝕，軸承的運(yùn)行壽命很難保證。

2 攪拌軸的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)分析

釜式法高壓聚乙烯反應(yīng)釜的機(jī)械監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)主要由反應(yīng)器電流及安裝在反應(yīng)器筒體上的3 個(gè)振動(dòng)加速度探頭組成，其中電流為反應(yīng)器攪拌軸電機(jī)的電流。3 個(gè)振動(dòng)加速度探頭中，第一個(gè)安裝在反應(yīng)器攪拌電機(jī)底部止推軸承相應(yīng)位置的反應(yīng)器外部，用于監(jiān)控反應(yīng)器攪拌電機(jī)底部止推軸承振動(dòng)；第二個(gè)位于反應(yīng)器中部，用于監(jiān)控?cái)嚢栎S在6 區(qū)的中間軸承振動(dòng)；第三個(gè)安裝在反應(yīng)器底蓋外卡弧，用于監(jiān)控?cái)嚢栎S底部軸承振動(dòng)。由于反應(yīng)器攪拌軸附件較多，且每次調(diào)整都存在不同程度的差異，所以每次安裝狀態(tài)不同，導(dǎo)致攪拌軸安裝后的初始運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)不同的，這給攪拌軸的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)分析判斷其是否達(dá)到需要檢維修的程度帶來極大困難。經(jīng)過多次對(duì)反應(yīng)器更換攪拌軸后初始運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)據(jù)和檢修前反應(yīng)器攪拌軸運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的收集和分析，確定出現(xiàn)以下3 種狀態(tài)時(shí)考慮更換維修反應(yīng)器攪拌軸：

（1）當(dāng)反應(yīng)器攪拌電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)電流達(dá)到高高報(bào)且頂部振動(dòng)達(dá)到高報(bào)連續(xù)8 h 以上時(shí)考慮立即停車。

（2）當(dāng)任何軸承振動(dòng)監(jiān)控達(dá)到高高報(bào)值連續(xù)大于8 h，并分析振動(dòng)頻率與軸承故障特征頻率接近時(shí)考慮一周內(nèi)停車。

（3）當(dāng)頂部軸承振動(dòng)達(dá)到高報(bào)大于8 h 且攪拌電機(jī)電流值達(dá)到高報(bào)值時(shí)，需設(shè)備工程師現(xiàn)場(chǎng)檢查反應(yīng)器是否有異響并在DCS 查看HPLDV 閥門（高壓泄壓閥，在高分之前，是超高壓聚乙烯裝置的壓力控制閥）的壓力控制是否有異常來評(píng)定是否需要停工檢修。

電流值的高報(bào)、高高報(bào)的設(shè)定方法如下：經(jīng)過多次檢修前后數(shù)據(jù)的比較，認(rèn)為選取高斯分布曲線作為電流分析的方案比較合理，高斯分布曲線的中位數(shù)加上3 倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的分布概率為99.7%，將此數(shù)值認(rèn)為是靠近攪拌電機(jī)的電流值上限。實(shí)際計(jì)算過程中收集反應(yīng)器更換新攪拌軸后且裝置運(yùn)轉(zhuǎn)正常時(shí)，某一牌號(hào)運(yùn)轉(zhuǎn)第一個(gè)月的電流值參數(shù)，頻率可為每?jī)蓚€(gè)小時(shí)取樣一次，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，先算出這一個(gè)月內(nèi)的電流的平均值（即為中位數(shù)），計(jì)算出電流的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ 值，并將高報(bào)值設(shè)定為電流的平均值加上2 倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差值，將電流的高高值設(shè)定為電流平均值加上3 倍標(biāo)準(zhǔn)偏差值，以下為高斯分布曲線中標(biāo)準(zhǔn)偏差值的計(jì)算公式和高斯分布曲線（圖1）。

圖1 高斯分布曲線

反應(yīng)器的運(yùn)行狀態(tài)絕大多數(shù)情況可依據(jù)上述方法進(jìn)行分析，主要關(guān)注反應(yīng)器攪拌電機(jī)的電流和電機(jī)底部止推軸承的振動(dòng)情況來判斷攪拌軸的狀態(tài)，但在攪拌軸的底部軸承出現(xiàn)振動(dòng)高的情況也需要對(duì)軸承振動(dòng)進(jìn)行頻譜分析（一般低頻振動(dòng)為軸承故障，需廠家提供軸承故障頻率），并結(jié)合對(duì)現(xiàn)場(chǎng)其他相關(guān)信息，綜合評(píng)定是否需要停工更換攪拌軸。

3 攪拌軸承安裝調(diào)整方案

專利商Exxon Mobil 在多年操作反應(yīng)器的過程中，通過多次嘗試不同牌號(hào)的軸承，發(fā)現(xiàn)僅有兩種軸承能夠更好的滿足釜式反應(yīng)器的運(yùn)行條件，確保反應(yīng)器較長(zhǎng)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，其中一種軸承為陶瓷軸承，雖壽命略好于現(xiàn)用軸承但成本過高，綜合考慮選擇現(xiàn)軸承（MR330C2）長(zhǎng)期使用。由于軸承的游隙無法避免，反應(yīng)器為垂直安裝且單側(cè)進(jìn)料，進(jìn)料壓力高且存在脈動(dòng)（反應(yīng)器上游為超高壓往復(fù)機(jī)），綜合以上原因分析正常安裝的攪拌軸會(huì)因進(jìn)料對(duì)攪拌軸的沖擊使攪拌軸帶動(dòng)軸承內(nèi)圈對(duì)滾子及軸承外圈的撞擊?？紤]到反應(yīng)釜的攪拌軸長(zhǎng)徑比較大，所以考慮調(diào)整攪拌軸中間軸承（一般調(diào)整3 區(qū)，可兼顧6 區(qū)及底部軸承）支撐設(shè)施使軸偏心安裝，使軸承外環(huán)與滾子及內(nèi)外環(huán)單側(cè)間隙減小，以此來降低撞擊帶來的軸承受損程度。

具體實(shí)施方案如下：攪拌軸中間軸承的支撐設(shè)施裝配圖如圖2 所示，其設(shè)計(jì)有3 個(gè)支撐，需要調(diào)整的支撐為圖3 攪拌軸軸承支撐俯視圖最上部支撐，具體調(diào)整方案為當(dāng)攪拌軸修復(fù)后軸的跳動(dòng)值調(diào)整較好的之后（跳動(dòng)低于0.4 mm 時(shí)）將需要調(diào)整的支撐比其他兩個(gè)支撐高0.25 mm，當(dāng)攪拌軸修復(fù)后跳動(dòng)值在0.4～1 mm時(shí)將3 個(gè)支撐調(diào)整至相同高度即可。

圖2 攪拌軸中間軸承支撐裝配圖

圖3 攪拌軸軸承支撐俯視圖

通過這樣的調(diào)整可使反應(yīng)器攪拌軸上線后運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)，攪拌軸的壽命均達(dá)到8 個(gè)月左右，降低反應(yīng)器的維修平次，可將反應(yīng)器的每年維修維護(hù)時(shí)間縮短至4.5 天，大大提高反應(yīng)器的維修成本。

4 降本增效

通過反應(yīng)器的狀態(tài)監(jiān)控方法和攪拌軸安裝調(diào)整方案實(shí)施后反應(yīng)器的運(yùn)轉(zhuǎn)周期在8 個(gè)月左右，降低檢維修成本并降低因停工帶來的產(chǎn)能損失，預(yù)計(jì)每年可節(jié)省費(fèi)用如下：①檢維修成本：每年減少1.5 次反應(yīng)器維修，單次成本為材料費(fèi)（包含備件修理，易損件成本及人工費(fèi)用），約為120 萬元，每年總成本節(jié)省為180 萬元；②產(chǎn)能損失：每年減少檢維修天數(shù)4.5 d，每天產(chǎn)能為440 t，利潤(rùn)以0.8 萬元/噸計(jì)算，減少產(chǎn)能損失帶來的利潤(rùn)為1584 萬元。每年可為公司創(chuàng)造1764 萬元的利潤(rùn)。

5 結(jié)束語

超高壓聚乙烯的設(shè)備管理存在可更新、可以改善的方面，只要找到不足并采用合理的方式進(jìn)行嘗試創(chuàng)新，產(chǎn)品會(huì)因此降本增效，增加產(chǎn)品在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)各方面的不斷創(chuàng)新也能夠推動(dòng)化工事業(yè)的進(jìn)步。反應(yīng)釜的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)控和安裝調(diào)整方案經(jīng)初步驗(yàn)證，希望同行專家能夠提出寶貴意見，共同使EVA 裝置反應(yīng)器設(shè)備管理方案更加精細(xì)，從而突破裝置長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備瓶頸。