摘要:本文对中压搅拌釜机械密封安装静压试验中密封泄漏问题进行了分析。通过制定静环背部与静环座对研的新工艺,基本消除了由介质轴向力和静环背间隙共同作用引起的静环机械变形,进而解决了密封泄漏问题。
关键词:机械密封;中压搅拌釜;静环;泄漏
1前言
天津石化公司精对苯二甲酸(PTA)装置是从日本三井造船株式会社(MES)引进的,大部分设备采用日本进口。其中第一结晶搅拌釜(PJ-301)等进口中压搅拌釜用机械密封的安装工艺,由于其技术难度相对较高,长久以来被外籍专家所垄断。而釜内压力为2.6～6.4MPa(表压),介质温度不大于350℃的中压釜类设备,在石化行业应用广泛,其检修工作历来都是装置大修或抢修中的重点和难点。随着石化行业备件国产化和维修自主化进程的推进,对该类设备检修技术的掌握和创新提出迫切的要求。
自2006年对进口中压搅拌釜施行自主维修以来,在几次检修过程中均出现密封安装静压试验密封泄漏的现象,严重影响了施工进度。在进口设备随机资料未提供安装工艺、详细技术要求和密封安装相关参数的情况下,我们经过不断探索,逐渐掌握了在中压搅拌釜机械密封安装过程中出现的关键问题及其解a决方法。并以工艺要求最苛刻的PJ-301为范例,制定了手工对研静密封环背部与静环座接合面的安装新工艺。
2 结构及性能参数
第一结晶搅拌釜(PJ-301)是由佐竹化学机械工业株式会社(SATAKE)设计制造的,为立式上进轴搅拌器结构,采用轴向平衡型双端面机械密封。动环材质为硬质合金,静环材质为碳石墨。其主要技术参数见表1。
3 存在问题及分析
3.1 静压试验要求
根据检修规程,中压反应釜用机械密封在安装完毕后必须进行静压试验。PJ-301的试验压力为设计压力的1.25倍(即5.54×1.25=6.93MPa),试验时间持续30min,然后将试验压力降至最高使用压力(即4.7MPa),并保持6个小时。试验全过程要求机械密封的泄漏量不大于10ml/h。
3.2 存在问题
按照传统机械密封安装方式,在利用光干涉法确认机械密封动、静环平面度符合技术要求(干涉条纹数不大于3条,即平面度不大于0.9μm),且弹簧压缩量调整适当的情况下,出现当静压试验压力小于1.5MPa时密封良好,但当压力上调到1.5～2MPa时出现泄漏,无法保压的现象。
3.3 问题分析
3.3.1 常见泄漏原因
安装过程中严格执行了传统密封安装工艺的各项要求,因此可以排除平面度超标、压缩量不当、密封环缺陷、装配误差等常见机械密封泄漏原因。
3.3.2 备件国产化原因
由备件国产化带来的动、静环或O型环的尺寸偏差可能造成轴套与轴间、动环与轴套间、静环与静环座间各静密封点或密封摩擦副间出现泄漏。从试验中密封泄漏的情形看,由于泄漏量较小,更可能由静密封点泄漏造成。但经过严格細致的核对和比较,国产动、静环和各静密封点O型环的结构和尺寸都符合要求,不会造成密封泄漏。
3.3.3 介质压力变化原因
由于机械密封静压试验中,当介质压力小于1.5MPa时未发生泄漏,说明机械密封系统在低压状态下密封效果良好。但当压力高于1.5～2MPa时,泄漏明显。可见,密封失效与介质压力变化有重要联系。通常情况下,介质压力的变化会造成密封端面比压的变化和机械变形。
端面比压方面:由于PJ-301采用中压搅拌釜普遍使用的轴向平衡型双端面机械密封,载荷系数K<1,由介质压力增大引起的端面比压增大较小,况且在静压试验中端面比压的增大反而会强化密封效果,显然不是泄漏原因。
机械变形方面:密封变形量与介质压力的大小成正比,低压下变形量很小可以忽略,只有在压力大于1.5～2MPa时变形才明显。而这一特性与静压试验中密封泄漏时的压力条件极为吻合。介质压力变化引起机械变形分别包括径向力和轴向力产生的密封变形。
径向力作用在动、静环上,使它们沿径向方向向内变形,造成密封端面呈现喇叭口状缝隙。这种形状使密封端面外缘处接触,而内缘有间隙。由于接触面积减小使端面比压增大,静压时泄漏量减少。
轴向力引起的密封变形主要产生在碳石墨静环上。虽然静环背部和静环座表面都是加工面,光洁度均有一定的要求,但是,当它们紧密接合后仍然存在一定的间隙。由于两工件加工精度的波动和形位公差的累积,这个间隙沿圆周方向不完全相同,微观上呈现许多波峰和波谷。在轴向力的作用下,碳石墨静环背部被紧紧推向静环座表面,静环产生的变形使两者间间隙趋于闭合,同时将微观上的波峰和波谷传递到密封接触面之间。当这些微观上的高度差超出密封接触面平面度和粗糙度要求时,密封便开始泄漏。
综上所述,第一结晶搅拌釜(PJ-301)静压试验机械密封泄漏是由于介质压力产生的轴向力使碳石墨静环发生轴向机械变形,将静环与静环座的间隙传递到密封接触面之间,进而引起密封泄漏。
4 安装新工艺
在确保中压搅拌釜机械密封满足各项传统安装技术要求的基础上,要想解决静压试验密封泄漏问题,就要消除由轴向力引起的机械变形。在压力条件无法改变,轴向力无法消除的情况下,就要消除静环与静环座的间隙,使之无法传递微观形变。
消除间隙的方法有两种。一种是对静环背部和静环座表面分别进行精密加工,使两工件严密接触。但这种方法加工成本过高,技术要求苛刻,因此不够经济实用。另一种方法就是利用碳石墨静环与钢制静环座材质上的硬度差,通过两者对研消除间隙,进而达到严密贴合的效果。这就是解决静压试验密封泄漏的关键。据此制定的中压搅拌釜机械密封安装新工艺是:
首先按照传统安装工艺,确定机械密封各零件完好,平面度、压缩量等达到技术要求。
在不安装O型环的情况下,将静环对应防转销的位置放入静环座,并在两者上作好对应标记。
取出静环和防转销,并在静环背部均匀涂抹由显微硬度为3280HV的纯碳化硅粉末与低粘度透平油混合制成的研磨剂。
按标记重新放入静环,并用手轻轻推动,使之与静环座接触面相对旋转,进而对研。注意旋转角度不要大于8度。
研磨2～3分钟后,取出静环,用酒精清洗研磨面,再次涂抹研磨剂继续对研。在对研过程中注意保护相对位置的标记,以保证接触面相对位置不变。
对研2～3个小时后,在静环背部均匀涂抹红丹着色剂,放入静环座对研。检查接合面,当接触面积未达到85%以上时,继续对研;当达到85%以上时,对研工作结束,继续设备的安装。
注意无论接触面积是否达到85%以上,都不允许静环背部或静环座表面存在沿径向方向贯通接触面的划痕或间隙。
结论
应用这种工艺,圆满解决了第一结晶搅拌釜(PJ-301)静压试验机械密封泄漏问题。同时,应用到其它同类设备后同样效果良好,充分证明新工艺是解决中压搅拌釜密封安装静压试验泄漏问题的有效方法。
参考文献
[1]陈德才.崔德容.机械密封设计制造与应用[M]北京:机械工业出版社,1993
[2]王汝美.实用机械密封技术问答[M]北京:中国石化出版社,1995
