1、從氯化反應釜機械密封故障解決實例淺談反應釜用機械密封    關鍵詞 氯化反應；釜機械密封；反應機械密封作為現今一種常用的軸封方式，已在化工行業中廣泛使用。從使用范圍上分類，機械密封可分為泵用機械密封、釜用機械密封、壓縮機用機械密封等。由于機械密封所處的設備環境不同，使其在設計、安裝、使用、維護中的特點也不盡相同。這里主要以重慶天原化工有限公司硅氯化物分廠氯化反應釜機械密封為例，談一下反應釜用機械密封的特點和容易遇到的問題。 1 故障現象 設備在生產現場運行過程中機械密封出現了泄漏，操作人員對故障設備的運行情況都進行了詳細的記錄。真實詳盡的現場記錄為故障分

2、析提供了可靠的依據。 1.1設備詳情 氯化反應釜容積為7 500L，介質氯氣、醋酸、醋酐等，釜內壓力為0.96MPa，溫度為105，攪拌軸軸徑為180mm，轉速為45r/min。所用機械密封為背對背雙端面機械密封（結構見圖1），注入常溫去離子水作為封液，壓力為1.2MPa。 1.2泄漏現象 機械密封使用初期密封性能良好，約使用250h后外側密封出現泄漏，泄漏物為密封水。起初為滴漏，約300h后泄漏量超過0.25L/min，無法滿足正常使用。且在此過程中發現冷卻水儲罐中的液位損失大于外側密封的泄露量，由此判定，內側密封液同樣出現了泄漏現象。 1.3機械密封受損現象 在對機械密封進行拆解檢查后，發

3、現以下幾個不正常受損現象。外側密封的石墨環端面有明顯磨損痕跡，且密封面外圓部分磨損較為嚴重（如圖2）；外側密封的硬質合金環端面的磨損痕跡寬度略大于石墨環短面磨損痕跡的寬度；內側密封的靜環移位并被卡死，未進入設計的安裝位置（如圖3）；密封腔內出現釜內物料痕跡。此外，內側密封面沒有明顯的磨損痕跡；0形圈彈性良好，沒有出現明顯的變形和劃傷。 2故障分析 通過對設備故障現場的了解并結合查閱了相關技術資料，加上自身多年積累的工作經驗及與機械密封生產廠家的技術人員進行溝通交流，我們基本分析出了該機械密封的受損過程和原因。 2.1輔助密封使用情況 作為機械密封結構中的輔助密封件（如橡膠0形圈、四氟V形圈等）

4、，如果在設計、生產中有缺陷，或在安裝使用中出現破損，也會造成機械密封的泄漏。從對該機械密封橡膠0形圈的壓縮量的再次復核，及分析0形圈的使用情況，可以排除從0形圈處泄漏的可能。也就是說，該機械密封所使用的0形圈，設計、選材、制作都是滿足使用要求的。 2.2端面磨損量 從端面磨損情況來分析，內側密封端面沒有明顯磨損痕跡，這在使用不足300小時的情況下屬于正?，F象。而外側密封端面磨損痕跡明顯，磨損量大于正常范圍，應是端面比壓過大造成的。從機械密封結構上看，該機械密封屬于背對背雙端面結構，且內外兩側的機械密封完全相同。在實際使用過程中，外側密封介于密封腔和大氣之間，所承受的壓力為密封腔的絕對壓力（1.

5、2MPa）；內側機封介于反應釜腔體和密封腔之間，所承受的壓力為反應釜腔體和密封腔之間的相對壓力（1.2-0.96=0.24MPa）。由此可以看出，外側密封所承受的壓力遠大于內側，如使用相同的機械密封，外側密封的端面比壓也會遠大于內側，這就解釋了外側密封端面過度磨損的原因。 2.3端面磨損痕跡 從端面磨損痕跡分析，可以得出以下兩個結論： 1）從外側石墨環的磨損痕跡來看，其與硬質合金環實際貼合的部分僅占環寬的1/2左右，且集中在環外側。這就使外側密封端面的有效貼合寬度比設計寬度縮小了一半，造成外側密封的端面比壓高于設計數值，也是密封端面過度磨損的另一個原因。這樣的現象，是由于端面變形造成的，而造成

6、變形的原因主要是石墨環外圓一側接觸的是高壓密封水，內側接觸的是常壓大氣，在壓力作用下，厚度較小的端面位置會受壓變形，形成“倒喇叭口狀”，使石墨環端面只有外側部分與硬質合金環接觸（如圖4）。內側密封由于其內外的壓差較小，所以不易出現這種情況; 2）從外側硬質合金環的磨損痕跡來看，其磨損痕跡略寬與石墨環的磨損痕跡。而硬質合金環為動環，與攪拌軸相連，這種現象證明攪拌軸在旋轉過程中出現了徑向擺動。機械密封的使用技術要求對軸的徑向跳動范圍上限為0.06mm，從磨損痕跡來看，該機械密封的徑向跳動明顯超出了這個范圍。過度的徑向跳動，會造成機械密封端面磨損不均勻，端面磨損加劇，補償環無法及時補償等一系列問題。

7、 2.4內側密封泄漏 從外側密封泄漏量和密封水儲罐液位損失的對比可以看出，內側密封也同樣出現了泄漏現象，有一部分密封水泄漏到了反應釜內。拆解機械密封時，發現了兩個與內側密封相關的問題，一是內側密封靜環錯位；二是密封腔內出現了反應釜內的介質。從理論上說，密封腔的壓力高于釜內壓力，釜內介質是不會進入密封腔的。實際情況是，密封腔內壓力由接入密封水儲罐的高壓氮氣提供，壓力比較穩定，而釜內由于在不斷進行化學反應，其壓力隨時會出現波動，無法始終控制在設計范圍以內。從機械密封結構分析，如果釜內壓力在瞬間達到一定數值，釜內壓力將推動內側靜環，使其脫離安裝位置，同時釜內介質也會進入密封腔。當釜內壓力降低時，內側

8、靜環在機械密封彈簧和密封腔內壓力的共同作用下，會向著原安裝位置移動，但由于靜環安裝位置的配合間隙較小，如果靜環的移動稍有不均勻，很容易由于偏斜而被卡死。靜環被卡死后，始終處于偏斜位置，密封端面無法有效貼合，機械密封也就喪失了密封效果。        3 解決方案 基于對機械密封的故障分析，針對造成密封泄漏的各個原因，我們對該機械密封進行了以下幾處改造，以使其達到應有的使用效果。 3.1機械密封設計參數優化 原機械密封內外兩側的設計參數相同，平衡系數為0.81，彈簧比壓為0.18MPa。按照這個設計參數計算，外側密封

9、的端面比壓為0.55MPa，內側密封的端面比壓為0.26MPa。 從數據上看，外側密封端面比壓偏高。對外側密封的平衡直徑及密封端面有效結合面尺寸進行修改后，平衡系數調整為0.68，則密封的端面比壓為0.4MPa，這樣可以有效緩解外側密封端面過度磨損的問題。 通過對內側密封參數的核算發現，當釜內壓力高于密封腔壓力0.6 MPa，即達到1.8 MPa時，釜內壓力將大于密封腔壓力與機械密封彈簧力的合力，內側密封的靜環可能發生移位。通過增加彈簧數量，將內側密封的彈簧比壓提高到0.28MPa，這樣，釜內壓力需高于密封腔壓力1MPa，即達到2.2MPa時，釜內壓力才能與密封腔壓力與機械密封彈簧力的合力相等

10、，降低了內測靜環由于釜內壓力瞬間升高而發生移位的可能性。同時，改變了彈簧比壓之后，在正常工作情況下，內側密封的端面比壓為0.35MPa，仍在合理范圍以內。 3.2解決密封環變形的問題 對于該機械密封，由于外側靜環受壓較大，容易變形，需選擇更合理的結構和材質以提高環的強度。原密封采用的是金屬座鑲嵌浸樹脂石墨，這種結構本身存在鑲嵌應力，端面易變形，較高的壓力更加劇了環的變形量。所以考慮改用整體石墨環，整體環不存在內部應力，而且內部材質強度也基本一致，在受壓的情況下變形量較小。同時，將原石墨環接觸面臺階高度3mm改為1.5mm，縮短了最薄位置的尺寸，同時根部倒圓（如圖5），進一步提升端面的抗變形強度

11、。在材質選取上，選用強度更高的浸金屬石墨。以上幾項措施，基本解決了外側石墨環端面變形的問題。 3.3解決攪拌軸徑向跳動的問題 反應釜攪拌軸徑向跳動過大，主要是由于軸承老化。經檢查，軸承已有明顯磨損，無法達到正常的使用要求。更換軸承后，攪拌軸徑向跳動能夠控制在規定范圍以內。 3.4解決內側密封靜環移位問題 雖然在設計參數上已對內側密封進行了調整，內側密封抗釜內壓力的能力明顯提高，但釜內化學反應過程難以預計，仍不排除能瞬間產生高壓，使內側靜環移位的可能。在實際使用過程中，如果釜內瞬間壓力升高，有少量介質進入密封腔，待壓力降低后，機械密封各部件能回歸原位，密封仍能正常使用，否則密封將失效。因此，在此

12、次改造時，考慮用擋板限制靜環的位置（如圖6）。經改造，內側靜環背部受壓時無法向外運動，當壓力過高時，動環可能向外運動，密封面可能瞬間打開，但由于動環是可以在軸上浮動的補償環，壓力下降后能馬上回到原位，不會對機械密封的繼續使用造成影響。 4改造效果 經改造，該機械密封已正常工作6 000h，泄漏量微小，遠低于國家關于釜用機械密封泄漏量15mL/h的標準，達到機械密封 8 000h的工作要求應不存在問題。 5結論 通過對該機械密封進行故障分析和技術改造的過程，可以反映釜用機械密封的幾個特點。 5.1端面變形 釜用機械密封軸徑一般較大（如該機械密封的軸徑達到180mm），所使用的密封環尺寸也較大。密封環尺寸偏大則造成環的強度降低，因此在設計和選材時應考慮密封環的抗變形能力。 5.2設計參數 對于該機械密封所采用的雙端面結構，應考慮到內外兩側所承受的壓力差距很大，應采用不同的設計參數，使內外兩側的密封端面比壓值都處在合理范圍以內。 5.3釜內瞬間高壓 反應釜由于內部進行化學反應，反應過程中，釜內壓力不穩定，有可能產生瞬間高壓。在機械密封設計時，應盡可能提高機械密封抗反向壓力的能力，并對一些可能會由于反壓而產生移位的零件（如靜環）加以限位。 5.4其他