本文对立式搅拌釜R-21机械密封的原结构进行了分析，讨论了原结构主要存在的问题，并提出了改进措施，延长了机械密封的使用寿命。

立式搅拌釜R-21是年产20万t钟纺聚酯装置流程中的主要设备，该搅拌釜轴密封采用的是Φ180mm双端面非平衡型机械密封，电机功率为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跳动较大；釜内温度为300℃左右，搅拌轴转速为200r/min，因此要充分考虑机械密封的散热问题。

日本原装机械密封结构分析

由于原装机械密封使用寿命较短，为此对密封失效的原因进行了分析，其主要影响因素：

该采用双端面非平衡型多弹簧机械密封，下端机械密封在高温条件下，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。

机械密封离高温区较近、传热路径短,因此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。

原设计为两副角接触向心球轴承,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。

壳体夹套冷却下部腔体较小,冷却不充分。

冷却液面较低,容易引起上端机械密封冷却和润滑不充分。

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。

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跳动较大。

改进措施

机械密封结构的改进

下端面机械密封，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，使辅助密封的结构变化,形式多样。同时远离高温区,充分保证机械密封长周期运行。

上端面机械密封，由于上端面机械密封离轴承较近，刚性较好，同时远离高温区，有较好的密封环境，使机械密封长周期运行成为可能，因此设计成多弹簧非平衡型机械密封。

密封总成的改进

由于密封装置的设置及检修维护的要求,因此将机械密封、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,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，充分改善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。

轴承选择及支撑方式的改进

考虑到轴的刚性和受力问题,轴承选用了圆锥滚子轴承；为了增加轴的刚性，改善密封环境,采取轴承背对背的安装方式，以达到增加支撑距离,保证轴有较好的刚度。为了保证轴承的润滑,因此在两轴承之间增加导油环，使润滑油通过导油环向两轴承分配，保证润滑充分。轴的悬臂下端增设辅助支撑轴承，以保证轴有较好的刚性，降低搅拌轴的振摆值，改善机械密封运行条件。

轴结构的改进

由于冷却系统的改善、轴承支撑方式的改变刚性增加，轴的扰动变小，层流的相对稳定，使机械密封相应部分的温度较低，因此不再需要设计冷却夹套，改善轴的工艺性，尺寸设计保证原有安装尺寸不变，保证轴套与轴的有效结合和传动。

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，不对釜进行置换清洗，因此增设了该装置。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，使密封体固定于轴上。其工作原理是，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，实现常压密封，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。

机械密封的设计计算

上端面机械密封的设计计算

端面比压是机械密封的关键因子，若端面比压过大，易使密封摩擦副出现干摩擦工况，使端面磨损加剧；若端面比压过小，则因泄漏过大导致密封失效。

PC = PS + P介＝ 0.315 MPa

式中：P介=（B-λ）PQ ；B-平衡系数；λ-反压系数；PQ-冷却冲洗介质；PS-根据经验取0.122。

PCV 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、摩擦副的材质、各端面表面粗糙度和介质粘度等密切相关。

PcV＝Pcπdbn/60＝0.913<4.9

式中：n-轴的转速；db-轴套外径。

满足设计要求。

弹簧比压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,根据经验取0.122。

下端面机械密封的设计计算

端面比压PC = PS + P介＝0.212 MPa

式中：P介 =（B-λ）PQ ；B-平衡系数；λ-反压系数；PQ-冷却冲洗介质；PS-根据经验取0.178。

PcV＝Pcπdbn/60＝0.443<4.9

式中：n－轴的转速；db－轴套外径。

满足设计要求。

弹簧比压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，根据经验取0.178。

轴的刚度和强度校核

由于取消了夹套,轴的支撑方式的改善,轴的强度和刚度已比原有轴更强、加工工艺性能好,由类比设计的方法知，轴的强度和刚度得到提高，所以不再进行强度和刚度计算。

改进前后比较

在立式搅拌釜R-21运行中，原R-21机械密封有较多难以克服的缺点，存在着高温条件下辅助密封圈使用寿命短，搅拌轴的摆振大，下端机械密封的径向跳动较大，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，从而严重影响装置正常生产。而改进后的R-21机械密封克服了以上缺点。上表是经改进后对一到六系列生产运行进行的一些技术统计。

从上述表中可以看出，尽管经过多个生产周期运行，改进后立式搅拌釜R-21机械密封没有出现一次故障。为2#聚酯装置生产提供了非常可靠的保证，达到了改造目的，效果非常好。

结论

通过对立式搅拌釜R-21机械密封改造后，立式搅拌釜R-21运行状况良好，机械密封一直处于非常稳定状态，使用周期由原来的8个月提高到连续使用3年以上，到目前为止没有出过一次故障，为生产的正常运行提供了保障。增加了装置效益达几百万元，为涤纶部降本增益打下了坚实的基础。