雙端面機械密封泄漏原因及改進措施
2023-04-14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