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(chǎn)，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(chǎn)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(yán)重影響裝置的長周期運行，同時還會造成一定的經(jīng)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(xiàn)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(shù)見表1。

表1 動力分離器主要運行參數(shù)

1 故障現(xiàn)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(zhuǎn)軸線的端面(摩擦副)在流體壓力和補償機構(gòu)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(gòu)成的防止流體泄漏的裝置。工作時，由流體壓力(介質(zhì)壓力)和彈性元件的彈力等引起的合力作用，在密封環(huán)的端面上產(chǎn)生一個適當(dāng)?shù)谋葔?壓緊力)，使2個接觸端面(動環(huán)、靜環(huán)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(dá)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(tǒng)，向密封腔內(nèi)引入封液進行封堵、潤滑和冷卻，且多為循環(huán)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(huán)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(biāo)尺的上漲量異常增大，說明此時摩擦副磨損較為嚴(yán)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(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 動力分離器密封系統(tǒng)流程

1.2 故障現(xiàn)象

該動力分離器自投產(chǎn)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(biāo)尺增長量明顯上漲，機械密封泄漏量逐漸增加并且持續(xù)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(shù)據(jù)見表2。

表2 機械密封運行溫度與活塞增長量數(shù)據(jù)

注：由于增壓活塞為標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，為了便于直觀計算密封泄漏量，將增壓活塞標(biāo)尺增長量(mm/d)轉(zhuǎn)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(zhì)側(cè)密封腔體，再經(jīng)由螺旋槽泵送環(huán)送出密封腔體，并通過冷卻器進行冷卻。密封結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。

圖2 動力分離器密封腔剖視結(jié)構(gòu)

圖3 機械密封結(jié)構(gòu)

對密封進行拆檢，其密封介質(zhì)側(cè)動環(huán)和密封大氣側(cè)動環(huán)分別如圖4和圖5所示。

圖4 密封介質(zhì)側(cè)動環(huán)

圖5 密封大氣側(cè)動環(huán)

由圖4和圖5可以觀察到：

1) 介質(zhì)側(cè)動環(huán)密封面磨損嚴(yán)重。經(jīng)測量，密封動環(huán)磨損深度達(dá)到4.7 mm，而密封設(shè)計壓縮量為4.9 mm，密封完全失效，且動環(huán)支座以及螺旋套外表面存在大量含石墨粉油污。

2) 大氣側(cè)動環(huán)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(jù)表1，將密封油溫度上漲趨勢與活塞標(biāo)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(tǒng)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(wěn)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(jié)構(gòu)及運行數(shù)據(jù)的研究，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致其機械密封磨損加快的因素可能有以下4種：

1) 動靜環(huán)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(dāng)；

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(huán)表面粗糙度

大氣側(cè)機械密封及介質(zhì)側(cè)機械密封數(shù)據(jù)如表3 和表4所示。

根據(jù)機械密封設(shè)計手冊要求，硬質(zhì)材料密封端面表面粗糙度不超過0.2 μm，密封設(shè)計壓縮量在4～6 mm之間。由表3和表4可知，大氣側(cè)和介質(zhì)側(cè)粗糙度均符合設(shè)計要求。

2.2.2動靜環(huán)摩擦副端面比壓計算分析

介質(zhì)側(cè)機械密封運行數(shù)據(jù)如表5所示。

表3 大氣側(cè)機械密封數(shù)據(jù)

表4 介質(zhì)側(cè)機械密封數(shù)據(jù)

根據(jù)密封面平均速度公式：

v1=π(D21+D11)n/120 (1)

將表5數(shù)據(jù)代入式(1)得介質(zhì)側(cè)密封線速度：

v1=5.63 m/s

根據(jù)機械密封設(shè)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(shù):

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(nèi)裝式密封載荷系數(shù)；

Ke1——外裝式密封載荷系數(shù)。

載荷系數(shù)K11、Ke1計算公式如下：

(3)

(4)

將表5數(shù)據(jù)代入式(3)、式(4)得：

K11=0.65

Ke1=0.35

將載荷系數(shù)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(cè)機械密封運行數(shù)據(jù)如表6所示。

根據(jù)機械密封設(shè)計定理，大氣端密封計算方式與介質(zhì)側(cè)相同。

由表6可得，此時

介質(zhì)側(cè)密封線速度：v2=5.76 m/s

大氣側(cè)壓力：PL2=0 MPa

大氣側(cè)密封端面比壓：Pc2=0.73 MPa

則:Pc2v2=4.2 MPa·m/s≤(Pcv)p2

表6 大氣側(cè)機械密封運行數(shù)據(jù)

根據(jù)對機械密封端面比壓的計算，在轉(zhuǎn)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(huán)摩擦副材質(zhì)選用

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

表7 機械密封材質(zhì)配對

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

2.2.4機械密封摩擦熱及密封油冷卻系統(tǒng)分析計算【3】

密封腔內(nèi)液體的定態(tài)溫度是一個簡單的熱力學(xué)衡算函數(shù)。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(fù)。

根據(jù)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(chǎn)生的熱量Q1以及設(shè)備傳遞給密封腔的熱量Q2。所以密封冷卻系統(tǒng)的設(shè)計是否合理關(guān)鍵在于能否取出系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，即冷卻密封液流出的熱量Q3與系統(tǒng)產(chǎn)生的總熱量Q(Q=Q1+Q2)的差值。

1) 介質(zhì)側(cè)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(huán)接觸面摩擦因數(shù)；

dmn——密封端面平均直徑，m，dmn=(D2n+D1n)/2；

bn——密封環(huán)接觸端面寬度，m，bn=(D2n-D1n)/2；

Pcn——密封端面比壓，Pa；

vn——密封環(huán)接觸端面平均速度 m/s。

注：式中n=1為介質(zhì)側(cè)密封，n=2為大氣側(cè)密封。

將表5數(shù)據(jù)代入式(5)可得密封端面摩擦功率為：

P1=113.5 W

每小時產(chǎn)生熱量為：

Q11=3 600×P1=4.09×105J

2) 大氣側(cè)密封摩擦熱計算

同介質(zhì)側(cè)密封端面摩擦功率的計算方法相同，將表6數(shù)據(jù)代入式(5)得密封端面摩擦功率為：

P2=456.1 W

每小時產(chǎn)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(chǎn)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(dāng)煩瑣的, 需要有詳細(xì)的分析或試驗, 還要對泵構(gòu)造材料和所輸送的介質(zhì)的性能有全面的了解。如果沒有這些數(shù)據(jù),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(shù)；

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(xiàn)場測量數(shù)據(jù)見表8。

表8 密封腔數(shù)據(jù)

對于不銹鋼材質(zhì)的軸套與密封壓蓋以及鋼材質(zhì)的泵，U×A的計算值一般取0.000 25，將上述數(shù)據(jù)帶入式(6)可得每小時設(shè)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(chǎn)生的熱量為：

Q=Q1+Q2=3.69×106J

4) 密封油冷卻器吸熱計算

現(xiàn)場實測密封油冷卻器參數(shù)如表9所示。

表9 密封油冷卻器參數(shù)

根據(jù)熱力學(xué)定理，不考慮熱損失的情況下，循環(huán)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(huán)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(shù)據(jù)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(dá)不到使用要求導(dǎo)致密封油溫度過高有關(guān)，由機械密封活塞增長量與密封油系統(tǒng)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(jié)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(yù)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(jié)果可知，動力分離器密封磨損加快與密封油溫度過高有關(guān)。

根據(jù)粘溫方程

log(η+0.6)=A-BlogT

(8)

式中：η——介質(zhì)工作環(huán)境下運動粘度，mm2/s；

A、B——常數(shù)，根據(jù)不同牌號油品粘溫關(guān)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(yīng)關(guān)系如表10所示。

表10 68號白油粘溫關(guān)系對照

根據(jù)表10數(shù)據(jù)并結(jié)合密封運行數(shù)據(jù)對比分析(見表1)發(fā)現(xiàn)，該密封進口溫度長期保持在50～60 ℃之間運行，其粘度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于正常運行標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)粘壓公式

η=η0eαp

(9)

式中：η0——介質(zhì)大氣壓下運動粘度，mm2/s；

α——介質(zhì)粘壓系數(shù)；

p——介質(zhì)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(tài)下，摩擦副表面依靠密封油形成油膜，使介質(zhì)壓力、動環(huán)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(tài)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(jié)合圖7可以發(fā)現(xiàn)：粘度的減小量為壓力的指數(shù)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(dǎo)致摩擦副表面摩擦阻力增加，磨損加快。

3 密封輔助系統(tǒng)優(yōu)化改造

3.1 密封輔助系統(tǒng)優(yōu)化改造【5】

機械密封的輔助系統(tǒng)主要由密封油冷卻器、活塞以及螺旋泵送環(huán)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(fā)現(xiàn)，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(huán)量有關(guān)(冷卻水一直循環(huán)恒溫提供)。

針對該密封油存在的溫度過高的問題，經(jīng)過分析計算，提出兩點可行性優(yōu)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(huán)境；

2) 增加螺旋泵送環(huán)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(yōu)化改造

密封油冷卻器優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)分別見圖8和圖9。

如圖8所示，優(yōu)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(yōu)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(yōu)化前結(jié)構(gòu)

圖9 密封冷卻器優(yōu)化后結(jié)構(gòu)

3.1.2密封螺旋套優(yōu)化改造【6】

螺旋泵送環(huán)及其腔體結(jié)構(gòu)如圖10和圖11所示，螺旋泵送環(huán)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(nèi)，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(huán)的優(yōu)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(huán)隔離液流量越大，其釋放出的被循環(huán)水吸收的熱量就越多。

現(xiàn)場拆檢密封,測量螺旋泵送環(huán)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(jīng)密封油冷卻器流量過小。本次優(yōu)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(huán)量，改善換熱效果。

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

3.2 密封輔助系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化后密封輔助系統(tǒng)參數(shù)如表11所示。

表11 優(yōu)化后密封輔助系統(tǒng)參數(shù)

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(shù)據(jù)代入式(7)、式(10)得

Q4=Q放=Q吸=7.08×106J

式中：Q4——優(yōu)化后密封油冷卻器每小時熱量吸收量，J。

由計算數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過優(yōu)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(xiàn)場使用條件，完全可以將密封腔產(chǎn)生的熱量帶走，使密封維持在一定的溫差范圍內(nèi)穩(wěn)定運行。

4 密封輔助系統(tǒng)優(yōu)化效果

密封輔助系統(tǒng)優(yōu)化后，1年內(nèi)的密封運行趨勢如圖12所示。

圖12 密封輔助系統(tǒng)優(yōu)化后機械密封活塞增長量與密封系統(tǒng)溫度趨勢

從圖12中可以看出：機械密封輔助系統(tǒng)優(yōu)化后，其入口溫度根據(jù)環(huán)境以及循環(huán)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(huán)后，釋放了大部分熱量，使溫度有了明顯的下降?，F(xiàn)場對活塞標(biāo)尺泄漏量進行監(jiān)測，基本穩(wěn)定在0.3 L/d，相較之前有了明顯好轉(zhuǎn)，目前已穩(wěn)定運行超過1年。

5 建議

在研究溫度過高導(dǎo)致密封磨損加快的分析計算過程中，發(fā)現(xiàn)通過改變密封油種類、增加沖洗方案等方式也可以達(dá)到降低密封油循環(huán)溫度的作用，根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，給出以下3點建議，可以作為下一步密封優(yōu)化的方向。

1) 采用更加良好的密封導(dǎo)熱油。從式(7)可以看出，好的導(dǎo)熱油在同種工況條件下，循環(huán)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(jié)垢一直是換熱效果變差的關(guān)鍵性因素，結(jié)垢不僅影響循環(huán)介質(zhì)的傳熱系數(shù)，甚至?xí)氯鞯溃寡h(huán)量大幅降低。建議現(xiàn)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(tǒng)進行酸洗清理。

6 結(jié)語

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

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

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

3) 從環(huán)保層面來看，杜絕了密封泄漏造成的環(huán)境污染，真正實現(xiàn)了企業(yè)減負(fù)與節(jié)能減排的雙贏局面。