改进立式搅拌釜R-21机械密封

某立式搅拌釜R-21是年产20万吨钟纺聚酯装置的主要设备，该搅拌釜轴密封采用的是φl80mm双端面非平衡型机械密封，电动机功率为45kW。由于该搅拌轴为悬臂式，悬臂长达4000mm，搅拌釜R-21改造后的悬臂长达5500mm，搅拌阻力仅靠机械密封组件上端的轴承固支，底部无支撑轴承，轴的刚度相对较弱，釜工作时轴下端摆动较大，导致下端机械密封的径向圆跳动较大；釜内温度300℃左右，搅拌轴转速200r/min，因此要充分考虑机械密封的散热问题。

1.原机械密封结构分析

因原机械密封（图4-3）使用寿命较短，故对密封失效的原因进行了分析，其主要影响因素为：

1）采用双端面非平衡型多弹簧机械密封，在高温条件下，下端机械密封的辅助密封圈使用寿命较短，同时该机械密封对轴的摆振适应性较差。

2）机械密封离高温区较近，传热路径短，只得在轴上设计了冷却夹套，导致轴的刚性较差，工艺性差，直接影响机械密封的使用寿命。

3）原设计为两只角接触深沟球轴承，考虑到轴承润滑问题，因此采取了面对面安装，此安装导致轴承的支撑距离短，刚性差，影响机械密封寿命。

4）壳体夹套可以冷却的下部腔体较小，冷却不充分。

5）冷却液面较低，容易引起上端机械密封冷却和润滑不充分。

6）原机械密封的检修维护要对釜进行置换清洗后才能进行，因此极不方便。

7）底部无支撑轴承，轴的刚度相对较弱，釜工作时轴下端摆动较大，导致下端机械密封的径向圆跳动较大。

图4-3 搅拌釜R-21原轴机械密封结构简图

2.改进措施

对搅拌釜轴密封进行5方面的改进（图4-4）。

图4-4 搅拌釜R-21改进后的轴密封结构简图

（1）机械密封结构的改进 对于搅拌釜R-21轴下端面的机械密封，由于釜密封相应部位刚性差、温度高，因此设计成金属波纹管密封，保证机械密封有较强的追随性和耐高温性，使辅助密封的结构变化，形式多样，且远离高温区，充分保证机械密封长周期运行。

对于搅拌釜R-21轴上端面的机械密封，由于该密封离轴承较近，刚性较好，同时远离高温区，有较好的密封环境，同时能保证机械密封的长周期运行，因此设计成多弹簧非平衡型机械密封。

（2）密封总成的改进 根据密封装置的设置情况及检修维护的要求，将机械密封、轴承和壳体等组装成一总成，使其能与轴及釜口法兰分离。具体措施是通过设计一轴套，将轴承装于轴套上，机械密封设置于轴承下部，由于温度较高，因此保留原来的两套冷却系统，增加壳体夹套下部冷却腔体，使腔体内壁壁厚在保证强度的情况下尽量薄，从而充分阻隔高温热量传入密封部位，保证密封部位的工作环境，润滑冷却密封介质的出口设置高于上密封面，使整个密封系统润滑冷却充分。

（3）轴承选择及支撑方式的改进 考虑到轴的刚度和受力问题，轴承选用了圆锥滚子轴承，且采用背对背的安装方式，以增加支撑距离，保证轴有较好的刚度。为了保证轴承的润滑，在两轴承之间增加了导油环，使润滑油通过导油环向两轴承分配，保证润滑充分。

轴的悬臂下端增设了一辅助支撑轴承，以保证轴有较好的刚度，降低搅拌轴的振摆值，改善机械密封的运行条件。(www.xing528.com)

（4）轴结构的改进 由于冷却系统的改善以及轴承支撑方式的改变，使得刚性增加，轴的扰动变小，层流相对稳定，机械密封相应部分的温度降低，因此不再需要设计冷却夹套，这样轴的工艺性得到改善，尺寸设计使原有安装尺寸不变，且可有效保证轴套与轴的结合和传动。

（5）检修密封装置的改进 考虑到检修过程中，希望仅更换机械密封，而不对釜进行置换清洗，因此增设了检修密封装置。

具体方法是在釜口法兰上设计一锥面作为检修密封座，检修维护时不用拆卸，设计检修密封体及分瓣支撑环，让密封体固定于轴上。其工作原理：工作时密封体与密封座分离并随轴转动；停车检修时，松开锁紧螺母后检修密封体随轴及搅拌轴在重力作用下自动下移，使密封体与密封座接触并支撑于密封座上，使其达到常压密封，以利于后续检修。密封锥面的设计应充分考虑初始密封状态的形成，保证有效密封。

3.机械密封的设计计算

（1）上、下端面机械密封的设计计算

1）弹簧比压。弹簧比压p_s的作用在于当介质压力很小或者波动时仍能维持一定的端面比压，使介质不致泄漏；同时保证主机在起动、停车时，使密封端面能紧密贴合。此外，它用以克服补偿环辅助密封圈与相关元件表面的摩擦阻力，使补偿环能追随端面的磨损沿轴向移动。根据经验，上端面弹簧比压p_s值取0.122，下端面弹簧比压p_s值取0.178。

2）端面比压。端面比压p_c是机械密封的关键因子。若端面比压过大，密封摩擦副易出现干摩擦工况，使端面磨损加剧；若端面比压过小，则会因间隙过大导致密封失效。上、下端面机械密封的端面比压p_c分别是

式中，B是平衡系数；λ是反压系数；p_Q是冷却冲洗介质的压力。

3）pv值。pv值是衡量机械密封性能的重要指标之一，它作为耐热性和耐磨性的指标，其值大小与密封润滑状态、摩擦副的材料、各端面表面粗糙度及介质黏度等密切相关。上、下端面机械密封的pv值分别是

式中，n是轴的转速；d_b是轴套外径。

由上式计算结果可以看出，上、下端面机械密封性能够满足设计要求。

（2）轴的刚度和强度校核由于取消了夹套，轴的支撑方式有所改善，轴的强度和刚度已比原有轴更强、加工工艺性更好。由类比设计的方法可知，轴的强度和刚度得到提高后，不再进行强度和刚度计算。

4.改进前后比较

在立式搅拌釜R-21运行过程中，原机械密封有较多难以克服的缺点：高温条件下辅助密封圈的使用寿命短，搅拌轴的摆振大，下端机械密封的径向圆跳动较大，壳体夹套冷却下部腔体较小，冷却不充分，只能对釜进行置换清洗后才能抢修。以上缺点严重影响着装置的正常生产，而改进后的搅拌釜R-21机械密封消除了原有的缺点。表4-1列出了搅拌釜R-21轴密封改进前后的生产运行状况。

表4-1 改造前后搅拌釜R-21生产运行状况比较

另外，改进后的立式搅拌釜R-21经过多个生产周期运行，其机械密封没有出现一次故障，为后续生产提供了可靠的保证，达到了改造目的，效果非常好。