王潔 王寶貴
導 語：介紹某型反應釜用帶軸套整裝式雙端面機械密封的結構及工作原理，結合實際工況，分析了其失效原因(如O形圈材質選用不合理，攪拌同軸度偏大，密封面變形)，提出了改進措施及使用中的注意事項。
1 機械密封的結構與工作原理
帶軸套整裝式雙端面機械密封是一種無須調整動環彈簧壓縮量、裝配簡便的機械密封形式。該機械密封適用于強腐蝕、高溫，帶懸浮顆粒及纖維介質，氣體介質，易燃易爆、易揮發、低粘度介質，保障高真空度工況的密封。該機械密封結構見圖1。
圖1 帶軸套整裝式雙端面機械密封結構
當攪拌軸運轉時，其帶動機械密封軸套以及固定在機械密封軸套上的動環組件同步轉動，靠動環組件和上、下靜環面之間的貼合達到密封效果。密封面一側是密封腔室，另一側是反應釜內環境。在正常工作狀態下，通過外部提供密封液至平衡罐，保持密封液液位在平衡罐液位計的中線，并確保平衡罐內密封液壓力(即密封液腔內壓力)高于釜內壓力0.05~0.10MPa。若密封液壓力過高，則動、靜環摩擦面易加速磨損;若密封液壓力過低，則反應釜內物料易泄漏。
2 故障分析
2.1 故障狀況
某反應釜均采用帶軸套整裝式雙端面機械密封，該機械密封軸徑為210mm，工作轉速為100r/min，工作壓力為-0.5~1.0MPa，工作溫度為0~80℃，主要起密封作用的是機械密封組件，見圖2。
圖2 機械密封組件
動環密封面材質為SiC，靜環密封面材質為井口KC-673石墨，與物料接觸的下動環O形圈、上靜環O形圈、軸套O形圈材質為聚四氟乙烯報復硅橡膠，其余O形圈材質均為丁腈橡膠。該機械密封的密封液采用軟水，釜內介質主要是聚乙烯等有機物料。隨著釜內反應的進行，釜內壓力持續升高，從-0.5MPaZ高達到1.0MPa。在理想狀態下，機械密封平衡罐壓力失重高于釜內壓力0.05~0.10MPa;但實際生產中，由于該機械密封Z高使用壓力為2.6MPa，為了操作簡便，規定其密封液壓力從投料至反應結束保持恒定1.1MPa。
自2006年投入使用后，該機械密封的泄漏問題就較為嚴重，可以從機械密封泄漏液口處看到，泄漏較大時每隔2min便有1滴(約6ml)水漏出，平衡罐水位下降量為10~20mm/h，大大超過了機械密封允許泄漏量[≤5ml/h(單側)]的要求。其內外漏同時存在，須不斷地補充密封液(正常情況下無須補充密封液)。在反應前期，釜內壓力較低時泄漏量較大;后期反應釜內壓力較高時，泄漏量較小。
機械密封泄漏故障的發生，不僅加大了操作強度，同時由于釜內物料是有毒有害、易燃易爆的氣液混合物質氯乙烯等，也影響了裝置的安全穩定運行。
2.2 故障分析
從機械密封材質選擇、現場工藝操作狀況等多方面考慮，判斷機械密封發生泄漏的原因主要有以下幾個方面。
2.2.1 機械密封O形圈材質選用不合理
該機械密封上靜環、下動環與軸套上的O形圈材質采用了聚四氟乙烯包覆硅橡膠。聚四氟乙烯耐腐蝕性能較好，但包覆聚四氟乙烯在受壓后，回彈堵塞能力較差，容易永久變形，使O形圈在動靜環座、軸套等密封溝槽裝配上產生間隙，從而使密封失效。因此在實際使用中，在釜內壓力偏低的情況下，機械密封泄漏量較大，而當釜內壓力不斷升高時，機械密封泄漏量逐漸減小，便很可能是這個原因。
該機械密封O形圈大部分采用了丁腈橡膠(如動環組件O形圈)，丁腈橡膠的缺點是不耐臭氧、芳香族、鹵代烴、酮及脂類溶劑，反應釜內的鹵代烴物質氯乙烯會使丁腈橡膠產生溶脹，導致O形圈失效。
2.2.2 攪拌同軸度偏大
根據該型號機械密封的技術要求，機械密封安裝后，釜軸的徑向跳動量應≤0.1mm，而密封箱體下部軸跳動量實際測量值為0.15mm，攪拌軸同軸度偏差較大。
造成攪拌軸同軸度偏差大的原因很多，包括攪拌裝置的安裝對中調整不良、各部件加工精度不高而造成的累積誤差、反應釜釜體水平調整不良、攪拌軸產生應力變形等。
同軸度偏差越大，攪拌軸在每次軸向位移和徑向擺動的轉動中，密封面產生的分離和泄漏量就越大，密封面的磨痕也越寬。
2.2.3 密封面變形
更換了泄漏機械密封的動、靜環組件后，泄漏問題依然存在。再次拆卸后發現，密封面上有光點而沒有磨痕，故判斷該密封面發生了變形。
該機械密封工作轉速低，且一直伴有循環水卻，可以排除因密封面摩擦生熱、溫度升溫而導致的變形。經分析認為，動、靜環在長時間儲存下，密封面會發生輕微應力變形，在檢修裝配使用之后，動、靜環密封面無法緊密貼合，密封面之間不易形成液膜，不能起到潤滑密封面和阻止介質泄漏的作用。
2.2.4 檢修、裝配、運輸過程操作不嚴謹
對檢修過后依然泄漏的機械密封進行解體后發現，其下靜環石墨密封面內緣有大量?缺口。造成這種故障Z可能的原因是：在裝配機械密封時，敲擊用力過大或運輸過程中碰撞嚴重。
2.2.5 操作不規范
機械密封作為精密組件，不僅檢修要求嚴謹，而且操作須非常規范。也曾因操作不規范發生泄漏情況，主要體現在如下方面。
(1) 機械密封投用前沒有補償密封液，密封液壓力低于釜內壓力，平衡罐液位在液位計中線以下。
(2) 沒有對機械密封進行冷卻，密封面過熱。
(3) 投用前，沒有排掉密封腔內的空氣，密封液不能充分潤滑、冷卻密封面。
3 改進措施
(1) 將機械密封所有O形圈均更換為氟橡膠材質。氟橡膠具有高度的化學穩定性，是目前所有彈性體重耐介質性Z好的一種，能耐石油基油類、雙脂類油、硅醚油、無機酸，耐大部分有機、無機溶劑等。如相見還具有較好的耐老化性能、優良的力學性能，可抗2~7MPa的撕裂強度，具有很好的耐高溫性能，可在250℃以下長期使用。為了保證生產的安全穩定，在機械密封等重要零部件上，應該采用進口氟橡膠材質的O形圈。
(2) 校對了反應釜的水平、檢查緊固了攪拌裝置支架的螺絲等。為了控制攪拌軸的同軸度≤0.1mm，對機械密封軸承游隙進行調整。一般情況下，在運轉精度較高，須嚴格限制徑向位移時，宜采用較小的游隙組。
該型機械密封采用進口的SKF雙列圓錐滾子軸承32940X，該軸承徑向原始游隙為0.10mm，其游隙可以在安裝或使用中調整。反應釜的同軸度實測值(0.15mm)比該機械密封的要求(0.1mm)大0.05mm，為保證較高的運轉精度，滿足機械密封的使用要求，將該軸承的徑向原始游隙減小0.05mm，即調整為0.06mm。因機械密封工作轉速低(僅100r/min)，徑向游隙的調整對軸承的使用壽命影響不大。
(3) 在使用長期備用的動、靜環等部件之前，須對其進行一次研磨，確保兩密封面完全接觸貼合(一般密封端面平面度不大于0.9μm)。在日常備用時，應將機械密封的密封面放置在平整、無重壓、溫差變化不大的位置。
(4) 加強檢修過程的管理和控制。必須確保檢修環境整潔，在裝配機械密封時，不準使用鐵榔頭等硬物敲擊;所有零部件均用煤油清洗并抹干后均勻按壓安裝到位，如果遇到某些難以安裝到位的情況，則可在墊上抹布后用木榔頭輕輕敲擊;所有氟橡膠O形圈和彈簧均不能涂抹黃油，以免黃油污染密封液，影響密封面的潤滑效果(氟橡膠O形圈潤滑可采用硅油);在機械密封儲存和運輸過程中，應用塑料布包好，并放置于塞滿泡沫的木箱內，安裝時運輸至檢修現場，防止在運輸過程中顛簸。
(5) 針對該機械密封滿足2.6MPa的使用設計壓力，可將機械密封的密封液壓力一次性加壓調至1.1MPa，并保持不變。從理論上講，保持密封液壓力始終高于釜內壓力0.05~0.1MPa，對于機械密封的使用壽命是有效得。但從實際操作上講，將每平衡罐內壓力一次性調節到位，可以減少操作誤差，并減輕操作人員的勞動強度。
對于一些誤操作(如未開冷卻水，機械密封使用前未排放密封腔空氣，未補充密封液)：一方面下發操作規程，對這些關鍵事項進行重點學習，提高員工的使用維護意識;另一方面加強巡檢，將機械密封的使用狀況進行臺賬登記。
4 注意事項
為了保證機械密封的良好使用性能，在使用過程中須注意以下幾點。
(1) 在機械密封使用1個月后，應更換密封液。
(2) 機械密封停用時間不應過長，若停用超過72h，應對機械密封平衡罐進行泄壓，待機械密封下次使用時再加壓。
(3) 機械密封冷卻水管和密封液循環管的配管應全部采用氬弧焊，并保證管路內無雜質，密封液循環管直徑不小于10mm。
(4) 在檢修過程中，所有O形圈的潤滑應避免采用潤滑脂，防止潤滑脂進入密封腔而影響密封效果，建議采用硅油。
(5) 每次檢修后，使用加壓之前，應排出密封腔內的空氣。
(6) 對于機械密封內部雙列圓錐滾子軸承的潤滑，應每6個月加注1次潤滑脂。
5 改進效果
機械密封改進后使用至今，未發生泄漏，大大降低了檢修人員的勞動強度，節約了檢修費用，設備運行的穩定性明顯提高。
（來源：氯堿工業）