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摘要：对某厂催化剂反应釜密封系统失效的原因进行了分析,结合釜用密封特点将机械密封改为填料密封,并对设备工艺进行了改进,解决了设备无法正常运行、配件消耗费用高和检修劳动强度大等问题。
关键词：反应釜;机械密封;泄漏;盘根密封
催化剂反应釜是催化剂择形分子筛装置生产中的关键设备,物料由上部一次性或间歇加入釜内,在搅拌机的作用下,迅速地混合并进行成胶、晶化2 个反应过程。因此,反应釜运行的好坏决定了产品的产量和质量。反应釜的搅拌装置是其核心部件,直接影响2 个化学反应的进程。釜内物料湍流强度大,为防止介质泄漏,在反应釜主轴上装有机械密封装置,密封失效可导致物料泄漏,严重影响设备的平稳运行。
某催化剂厂一套分子筛反应釜4 在2007-08 ～2007-11 、 2008-07 ～ 2008-08 频繁发生机械密封泄漏和损坏,月平均出现机械密封泄漏故障4 次，严重时设备无法运行,有时甚至启动一次修理一次,造成设备配件消耗及人力维修成本大幅增加,直接影响装置生产的顺利进行。为此,笔者参考文献[ 1 ～ 12] 对其进行了失效分析和改造,文中介绍对该反应釜用密封故障频发的原因分析、采取的改进措施以及改造效果。
1 反应釜密封系统失效分析
1. 1 机械密封结构
反应釜4 的原装机械密封为 207 系列双端面机械密封，结构见图1。反应釜采用的机械密封包括弹簧加荷装置、动环、静环及辅助密封圈4 部分,有3 个静密封工作面和 1 个动密封工作面: ①反应釜机械密封静环与静环座之间的密封,是反应釜的静密封,一般采用具有弹性的辅助密封圈防止泄漏。②反应釜机械密封静环座与设备之间的密封,也是反应釜的静密封,采用普通垫片就能够实现密封要求。 ③反应釜机械密封动环和轴( 轴套) 之间的密封也是一个相对静止的密封,常用O 型圈来密封。 ④反应釜机械密封静环与动环间相对旋转密封,属于动密封,是依靠弹簧加载装置和介质压力,在相对旋转的静环和动环间的接触面( 端面) 上产生一个合适的压紧力,使这两个光洁、平直的端面紧密贴合,端面间维持一层极薄的流体而达到密封的目的。
图 1 双端面机械密封结构示图
1. 2 机械密封泄漏现状
对反应釜机械密封进行拆检,发现动、静环严重磨损甚至破裂,多处密封圈烧损老化。双端面机械密封有7 处密封圈( 机械密封套与轴肩处密封圈120 mm 、密封腔与罐顶处密封圈 160 mm 、2 组动环密封圈140 mm 、静环密封圈 165 mm 、两机械密封接缝处密封圈 220 mm 、轴承大盖与机械密封盒处密封圈 280 mm、机械密封与罐顶密封处密封圈 240 mm),其中有 5 处( 1 处 160 mm 、2 处140 mm 、2处 220 mm) 密封圈经常失效,反复拆卸使得动、静环的密封面碰伤或破坏,严重时造成一个月更换一次机械密封总成。
机械密封失效后,造成油箱的压力忽高忽低,压力不稳定经常使油外泄或者回流到罐内介质中,污染工作环境或破坏物料反应性质,造成产品质量不合格。
机械密封与轴承箱为一体,由于罐内与密封腔的压差作用,机械密封失效后,常使物料进入轴承盒中,腐蚀和损坏轴承,造成设备无法正常运行。
另外,检修和更换反应釜4 双端面多弹簧的机械密封难度系数大,每次都需要将搅拌轴上的轴承拆掉后才能检修机械密封故障或更换机械密封,从而增加了配件费用的消耗和检修人员的劳动强度,增大了设备维护成本。
1. 3 故障原因
207 型机械密封系轴向双端面平衡型,具有多弹簧、外流、传动套传动的特点。双端面机械密封是2 套单密封按照方向相同或相反方式布置的一种密封方案。密封中的阻塞液体压力高于工艺流体压力和大气侧压力,因而可避免工艺流体外漏。其应用于极为危险的场合,防止剧毒、有害、易燃、易爆介质的泄漏。由于靠近大气侧密封的端面压差较大,所以很多双端面密封的介质侧布置非平衡型密封而大气侧布置平衡型密封。在采用双端面机械密封时,应考虑封油系统的压力源与动力源,其目的是使封油系统实现高压阻隔和冷却循环流动两方面的功能。但是双端面机械密封对轴的窜动量和径向跳动有较高的要求, 一般的釜用双端面机械密封要求轴的轴向窜动不大于0. 5 mm ,径向跳动不大于0 . 5 mm ,安装机械密封的法兰与轴线垂直度不大于0. 05 mm ,安装机械密封部位的轴公差为 h8 ,表面粗糙度 Ra 为1.6 μ m。这些要求在反应釜 4 上不太容易实现。此外,搅拌轴在罐内搅拌物料,轴与底护套之间存在间隙,使轴的轴向窜量和径向跳动增大,极易造成端面机械密封磨损。机械密封泄漏导致物料泄漏,釜内压力降低,直至设备停止运行。
1. 3. 1 机械密封失效原因
( 1) 此釜用机械密封处于气相空间中( 只有物料为满釜时才是液相),易出现干运转。
( 2) 介质在釜内进行化学反应,其压力、温度和物料的形态等都随时间变化,在压力循环和冷热循环的作用下,密封端面易产生变形。
( 3) 在釜内的高温条件使用时,由于热传导的作用使其温度上升,引起摩擦面的液膜汽化,产生干运转,并促进腐蚀,加速辅助密封圈老化,致使密封性能在短期内恶化。
( 4) 搅拌轴长径比大,运行中会产生一定的摆动量,这会影响动、静环端面的贴合,导致泄漏。在反应釜的运行过程中,搅拌器桨叶和物料之间的相对运动所产生的涡流也会引起搅拌轴的振动,进而影响动、静环端面的贴合,造成机械密封的泄漏。这些泄漏会导致介质外泄,使密封系统失效,影响釜内成胶、晶化过程的同时造成环境污染。
( 5) 在安装时若不能保证机械密封格兰面与搅拌主轴的垂直度要求,安装初期就会出现摩擦副不贴合的现象。相对于精度较高的机械密封,搅拌轴的摆动、振动不能满足稳定密封的要求,而机械密封干摩擦后产生的高温则会加剧密封圈的老化。
1. 3. 2 机械密封泄漏征兆判断
在反应釜压力正常的条件下,油箱液面高出总液位2/3 甚至满液位时,出现气泡,罐内的压力大于密封腔的压力,说明上机械密封的密封圈失效,严重时会造成润滑油泄漏,污染检修现场环境。
油箱液面低或润滑油回流到介质中时,若罐内压力小于密封腔压力,润滑油泄漏,说明上机械密封密封圈失效。若油箱液面越来越低,润滑油内漏,判断为下机械密封密封圈失效造成泄漏,润滑油回流到罐内介质中,污染物料,影响产品质量。油箱内供油设备( 泵) 磨损后,供油量不足,压力一般在 0. 5 ～0. 6 MPa 时,造成密封腔压力低于反应釜内压力,在压差的作用下,密封圈承受负荷大,说明下机械密封的密封圈失效,造成泄漏。
2 密封改造
与双端面机械密封相比,盘根密封有一定的塑性,在压紧力作用下能产生一定的径向力并紧密与轴接触。其次,盘根密封有足够的化学稳定性,不污染介质,填料不被介质泡胀,填料中的浸渍剂不被介质溶解,填料本身不腐蚀密封面,且其自润滑性能良好,耐磨。轴存在少量偏心时,填料有足够的浮动弹性。盘根密封制造简单,安装方便。因此,盘根密封能满足反应釜4的密封要求。
2. 1 改造方案
改原机械密封为盘根密封,盘根密封主要取决于迷宫效应和轴封效应。其中迷宫效应是指轴表面在微观下非常的不平整,与盘根只能部分贴合,而部分未接触,所以在盘根和轴之间有微小间隙,像迷宫一样,带压介质在间隙中多次被节流,从而达到密封的作用。轴封效应是指在盘根与轴之间存在着一层薄液膜,在盘根与轴之间起润滑作用,从而避免了盘根和轴的过度磨损。因此,设计填料盘根结构,在原机械密封处安装盘根箱( 图 2),改造传动结构。根据工艺条件和工序要求,研究反应釜 4 原轴和各配件的尺寸,分析多家反应釜密封圈的橡胶产品,通过试验选取合适的密封圈。
图 2 反应釜 4 盘根箱结构
在原有设备框架基础上,设计加工填料密封结构,加工轴套、轴、盘根箱、压盖等相关配件。
此次改造中,将搅拌大轴加长300 mm ,在密封处留出足够的填料密封位置,在罐顶部装上盘根箱,然后再装入轴承箱。如此,盘根泄漏发生后,润滑油不会回流罐内而影响产品质量。由于采用填料密封装置后,不需要供油系统,因此拆除它可增大检修作业空间,同时减少检修程序的作业环节,大幅降低劳动强度。
2. 2 改进工艺流程
为提高密封装置的使用周期,在该生产装置的反应釜4 、反应釜5 和反应釜2 、反应釜 3 之间增加一台乳化机。增加乳化机后,反应釜 4 、反应釜 5 内的物料反应后经乳化机高速剪切,分别输送到反应釜2 以及反应釜 3中继续进行反应。将原来在反应釜4 、反应釜5 罐内进行的成胶-晶化过程改成了只进行成胶反应过程,而晶化过程分别在反应釜2 、反应釜3 罐内进行,生产出的半成品由输送泵直接输入储存罐中。这一工艺流程的改变使反应釜 4 、反应釜5 中的反应介质由正丁胺液体、硫酸铝和化学水改变成了水玻璃、硫酸铝、化学水,釜用填料密封和搅拌系统的腐蚀得到很大改善,可延长密封装置的使用周期。
3 改造效果
以反应釜4 为例,改进工艺流程,将原机械密封更换为盘根密封,密封装置的使用寿命和相关配件材料费消耗都取得了明显的效果。
改造前的2008 年,由于机械密封配件是由原设计厂家提供货源,常常存在供货不及时的问题,再加上机械密封使用寿命短,造成了反应釜 4 有 4 个多月缺配件,设备无法运行。根据统计,反应釜 4 在2008 年共进行了 12 次维修,其中一次检修的配件费用可达 4763. 96 元,全年配件费用共 57 167. 52元,造成间接产值损失大于90 万元。
反应釜4 改造后已运行近2 a ,仅进行了2 次加盘根的泄漏故障处理。每年检修费用可节省大约4.54 万元,间接经济效益非常可观。此外,填料盘根密封泄漏故障检修只需 1 人即可,且维修员工的劳动强度很低。
盘根密封在催化剂分子筛反应釜中的应用,实现了设备的长周期运行,降低了配件维护费用和维修员工的劳动强度,效果良好。这项改造在分子筛反应釜中有推广意义。
