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摘 要 ：烷基化裝置主要以較為成熟的硫酸法為主，DuPont（杜邦）公司的 Stratco 工藝是目前全球?qū)ν榛蜕a(chǎn)的主要代表 性工藝，Stratco 臥式偏心反應(yīng)器是當(dāng)今最為成熟的攪拌混合反應(yīng)器且市場(chǎng)占有率極高。因此對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)而言，機(jī)械密封的可靠性是其 能否長(zhǎng)期平穩(wěn)運(yùn)行的重要保障。通過(guò)結(jié)構(gòu)布置及理論計(jì)算，深入分析硫酸反應(yīng)器密封的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，主要從兩個(gè)方面進(jìn)行理論分析。 一 是結(jié)合工藝流程，從傳熱機(jī)制角度確定選型方案 ；二是通過(guò)控制端面間界面形狀改善機(jī)封的運(yùn)行狀態(tài)，合理利用以往成功的技術(shù)理念 給出結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用有限元軟件進(jìn)行分析校核，輸入實(shí)際工況參數(shù)后結(jié)合流、固、熱耦合迭代，計(jì)算出較為可靠的理論結(jié)果，最后通 過(guò)模擬試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證結(jié)構(gòu)參數(shù)的可靠性。

關(guān)鍵詞 ：烷基化裝置 ；機(jī)械密封 ；傳熱機(jī)制 ；結(jié)構(gòu)參數(shù)

中圖分類號(hào) ：TE96      文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ：B        文章編號(hào) ：1671-2064(2023)10-0076-07

1 選型及方案

1.1 密封設(shè)計(jì)難點(diǎn)

1.1.1 工藝復(fù)雜

Stratco 臥式烷基化反應(yīng)器是一種液壓混合機(jī)，專門(mén) 用于酸性催化劑對(duì)烴類進(jìn)行烷基化，同時(shí)去除烴類化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，復(fù)雜的工藝流程對(duì)機(jī)封的長(zhǎng)周期運(yùn)行有很大挑戰(zhàn)。對(duì)機(jī)封來(lái)說(shuō)，其強(qiáng)腐蝕性、黏度大等特性， 目前技術(shù)手段處理已非難事，通過(guò)材質(zhì)升級(jí)便可滿足應(yīng)用，但機(jī)封面對(duì)其復(fù)雜的工藝流程，對(duì)穩(wěn)定、長(zhǎng)周期的運(yùn)行有著很大的挑戰(zhàn)。

1.1.2 工況苛刻

（1）軸擺及振動(dòng)。接觸器內(nèi)流體的循環(huán)受到位于液壓  頭特殊軸流式葉輪的影響，物料在抽送過(guò)程中，與軸相連的葉輪會(huì)遭受流體強(qiáng)力剪切作用及高度湍流沖擊作用（見(jiàn)圖1），因此軸擺及振動(dòng)對(duì)機(jī)封運(yùn)行的穩(wěn)定性是有極大影響的。

圖1 設(shè)備示意圖

（2）外沖洗選擇。部分終端在使用過(guò)程中機(jī)封并無(wú)外沖洗，這將大大影響機(jī)封使用效果，某煉化廠烷基化裝置 三機(jī)一開(kāi)兩備情況下連續(xù)生產(chǎn)一年都極為困難。而烷基化反應(yīng)器的工藝流程為 ：低溫時(shí)在硫酸催化劑的作用下，碳四進(jìn)料中的烯烴與異丁烷發(fā)生烷基化反應(yīng)，生成以帶支鏈異辛烷為主的反應(yīng)混合物 ( 即烷基化油）。根據(jù)工藝需求，此機(jī)封采用的外沖洗流體為參與反應(yīng)原料之一，即碳四。

（3）密封腔內(nèi)操作條件穩(wěn)定性。此工藝流程中，脫去游離水后的碳四與閃蒸罐來(lái)的循環(huán)冷劑混合后進(jìn)入反應(yīng)器，一般而言，其 Plan32 沖洗流體工況范圍是 0.5 ～ 0.8MPa、 7 ～ 9℃。一方面從傳熱機(jī)制角度講，此時(shí)碳四在該操作 壓力下呈現(xiàn)液態(tài)，但其飽和蒸汽壓隨溫度的升高會(huì)急劇增大，易發(fā)生汽化現(xiàn)象，因此機(jī)封環(huán)體對(duì)外沖洗流體的對(duì)流傳熱必須嚴(yán)格控制 ；另一方面從蒸汽壓力角度講，需保證前置緩沖套起到節(jié)流保壓作用，避免早期磨損使密封腔內(nèi)沖洗流體（液態(tài)碳四）直接汽化，同時(shí)控制間隙內(nèi)的一定流速使少量反應(yīng)生成的膠狀物隔離在緩沖套另一側(cè)（見(jiàn)圖2）。因此其核心點(diǎn)在于保持密封腔內(nèi)沖洗流體在一定溫升范圍內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生汽化問(wèn)題，以達(dá)到減小沖洗流量的目的， 避免稀釋工藝流體。

圖2 緩沖套示意圖

1.2 密封與系統(tǒng)方案

針對(duì)以上工況及生產(chǎn)工藝需求，制定如下方案（見(jiàn)圖 3）。

1.2.1 密封方案

布置方式 3，3CW-FB A 型密封。

1.2.2 系統(tǒng)方案

Plan 32+53A ，隔離液為耐酸型航空液壓油。

1.2.3主要材料選擇

介質(zhì)側(cè)端面采用碳化硅配對(duì)碳化硅，大氣側(cè)端面采用石墨配對(duì)碳化硅 ；金屬材料采用耐蝕合金 NS1403 ；彈簧采用哈氏合金 NS3303 ；輔助O形圈采用全氟醚橡膠。

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

2.1 內(nèi)置軸承

軸承采用調(diào)心滾子軸承，能夠補(bǔ)償一定的同軸度誤差，也可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)心，避免與設(shè)備發(fā)生軸系干涉或過(guò)定位問(wèn)題，同時(shí)具有較好的抗沖擊能力及較強(qiáng)的承載能力。 不同于以往攪拌器機(jī)封軸承的安裝位置，此機(jī)封將軸承安裝在兩組端面之間，可以提高機(jī)封抗擺能力，提高軸系的剛性，改善槳葉強(qiáng)烈的振擺情況，還可以避免遠(yuǎn)端緩沖套被動(dòng)承擔(dān)支點(diǎn)的作用，降低緩沖套間隙處的磨損程度，使其功能性壽命大大延長(zhǎng)，這對(duì)密封腔的保壓及阻隔效果有明顯提高。

但內(nèi)置軸承也有其短板，需嚴(yán)密考慮。其本身在轉(zhuǎn)動(dòng) 過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定摩擦熱，雖然這些溫升對(duì)軸承本身并無(wú)影響，但對(duì)于機(jī)封則顯得尤為關(guān)鍵。

2.2 串聯(lián)布置

此工況的常規(guī)選型一般是 3CW-BB（雙端面 - 背對(duì)背 布置），但對(duì)于內(nèi)置軸承的產(chǎn)熱問(wèn)題并無(wú)法很好解決。大氣側(cè)密封與軸承等旋轉(zhuǎn)件的產(chǎn)熱基本由系統(tǒng)的換熱單元承擔(dān)，從對(duì)流傳熱角度分析，介質(zhì)側(cè)密封的溫升若無(wú)法有效控制，則環(huán)體附件的液態(tài)碳四則會(huì)發(fā)生汽化或沸騰，在氣 泡潰破過(guò)程中產(chǎn)生的水力沖擊是機(jī)封無(wú)法承受的，尤其對(duì)于碳化硅端面的機(jī)封。一方面是端面液膜失穩(wěn)，流體承載 與接觸承載比例失衡，使得端面出現(xiàn)嚴(yán)重剛性接觸并發(fā)生過(guò)度磨損，對(duì)于硬對(duì)硬材質(zhì)的摩擦副端面是不可逆的損壞，極易造成熱彈失穩(wěn)引發(fā)嚴(yán)重后果 ；另一方面是滑動(dòng)O形圈發(fā)生頻繁“章動(dòng)”使滑移直徑處磨損加劇，易發(fā)生早 期失效，甚至在O圈壓縮比過(guò)大時(shí)，彈簧無(wú)法提供足夠的補(bǔ)償克服阻尼，在頻繁的水力沖擊中發(fā)生端面崩牙，造成環(huán)體破裂。

因此在考慮傳熱效應(yīng)的情況下，機(jī)封采用串聯(lián)布置。對(duì)于介質(zhì)側(cè)密封而言，Plan32 沖洗存在強(qiáng)制對(duì)流現(xiàn)象，因此根據(jù)牛頓冷卻定律 Q=αA(T-Tw) 可知，增加環(huán)體的對(duì)流換熱面積并充分利用低溫碳四的沖洗效果，可以有效達(dá)到降溫的目的 ；在密封腔內(nèi)，由于轉(zhuǎn)速較低，旋轉(zhuǎn)件引起的黏滯阻力在沖洗流換熱的情況下，所產(chǎn)生的熱量并不會(huì)對(duì)介質(zhì)側(cè)密封所處的密封腔環(huán)境造成影響，因此端面接觸摩擦產(chǎn)生的熱量為密封腔內(nèi)的主要熱源。對(duì)于大氣側(cè)密封而言，需保證其在高壓差下運(yùn)行時(shí)，端面間的界面形狀保持趨近平行間隙而不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重畸變。大氣側(cè)密封由于承受更高的壓差，在流體力作用下，截面形狀受力彎曲產(chǎn)生的力變形更加明顯，因此需通過(guò)有限元分析優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，讓其由溫度產(chǎn)生的熱變形可以足夠補(bǔ)償壓力導(dǎo)致的力變形，使得端面在耦合后的平行間隙下穩(wěn)定運(yùn)行，避免在油類這種高黏流體中因界面畸變產(chǎn)生強(qiáng)烈的流體動(dòng)、靜壓效應(yīng)，密封端面承載能力過(guò)大導(dǎo)致開(kāi)啟或流體承載力過(guò)小，使端面剛性接觸而發(fā)生嚴(yán)重磨損。

另外需注意，由于工藝波動(dòng)、報(bào)警失效等不可抗拒因素的存在，介質(zhì)側(cè)密封需考慮反壓操作情況，大氣側(cè)密封需考慮介質(zhì)側(cè)密封完全失效時(shí)承擔(dān)主密封的情況，這些將在設(shè)計(jì)計(jì)算模塊繼續(xù)論證。

2.3 導(dǎo)流套

一方面通過(guò)導(dǎo)流套剪切流體產(chǎn)生強(qiáng)烈湍流效應(yīng)，有利于對(duì)流傳熱，避免在環(huán)體表面形成層流底層，因傳熱熱阻的存在造成較大溫差。而在 Plan32 外沖洗與套體剪切的共同作用下，由于流體質(zhì)點(diǎn)劇烈混合，可近似地認(rèn)為無(wú)傳熱熱阻，即在 Plan32 的沖洗流體中基本上沒(méi)有溫差，如此避免了環(huán)體周圍的碳四不會(huì)因溫差發(fā)生汽化或沸騰，有利于機(jī)封運(yùn)行的穩(wěn)定性。

另一方面，在導(dǎo)流孔的離心引流作用下，避免反應(yīng)殘留的膠狀物在組件縫隙內(nèi)積聚，堵塞彈簧或使滑動(dòng)O形圈掛起，增強(qiáng)局部空間內(nèi)流體的流動(dòng)性。同時(shí)由于采用小 彈簧外置及滑動(dòng)O形圈暴露在工藝介質(zhì)中，導(dǎo)流套可保護(hù)暴露在工藝介質(zhì)中的各旋轉(zhuǎn)零件，避免因遭受顆粒性物質(zhì)的沖擊而造成零件損壞情況的發(fā)生。

3 理論計(jì)算及模擬分析

3.1 理論計(jì)算

3.1.1 衡量標(biāo)準(zhǔn)

（1）端面溫升 ；（2）承載比例 ；（3）摩擦（摩擦能耗、 生熱，包括發(fā)生摩擦的位置） ；（4）磨損速率 ；（5）泄漏  率 ；（6）運(yùn)行的一致性和穩(wěn)定性。

3.1.2 參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）端面材料 ；（2）平衡比 ；（3）端面寬度 ；（4）傳 熱環(huán)境 ；（5）力變形錐度 ；（6）熱變形錐度。

3.1.3 計(jì)算步驟

首先對(duì)二級(jí)密封進(jìn)行理論計(jì)算，大體確定結(jié)構(gòu)參數(shù)后，進(jìn)行有限元分析校核，根據(jù)模擬出的結(jié)果對(duì)密封進(jìn)行有限元計(jì)算。大氣側(cè)密封參數(shù)計(jì)算如下 ^[1]。

此時(shí)密封面閉合，端面處于混合摩擦狀態(tài)，利用混合 摩擦狀態(tài)下密封端面的摩擦熱計(jì)算公式計(jì)算得出 ：

利用一端對(duì)流傳熱的肋片導(dǎo)熱法，求出端面平均溫度 ^[2]。

圖4 摩擦副簡(jiǎn)化圖

對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的動(dòng)環(huán)，根據(jù)截面形心位置簡(jiǎn)化動(dòng)環(huán)為 L 形截面環(huán)（見(jiàn)圖 4），使整個(gè)端面均勻熱流，左環(huán)體計(jì)算 （環(huán)體材質(zhì)浸銻石墨，流體為輕質(zhì)油） ：

根據(jù)流量需求，此工況下內(nèi)置泵送環(huán)必須保證足夠流量以滿足降溫要求，所產(chǎn)生壓頭可克服管阻即可。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，此密封采用雙向泵送，待試驗(yàn)?zāi)M時(shí)實(shí)測(cè)流量是否滿足要求。

另外，對(duì)于大氣側(cè)密封需充分考慮密封的承載能力。 機(jī)封需能夠承受頻繁軸擺及在介質(zhì)側(cè)密封完全失效的情況下承擔(dān)主密封的作用，故在可控范圍內(nèi)，選擇通過(guò)增加端  面寬度及加大平衡比，提高機(jī)封抗擺能力及承載能力。其中，在參數(shù)設(shè)定上需考慮因端面加寬引起溫度梯度產(chǎn)生較大的徑向錐度，由此造成的收斂型間隙，由于其較低的摩擦系數(shù)，雖然可以降低磨損，但泄漏量可能會(huì)有所增加， 并會(huì)在此狀態(tài)下長(zhǎng)期持續(xù)發(fā)生 ^[3]。若產(chǎn)生過(guò)大的徑向錐度則會(huì)造成局部發(fā)生剛性接觸，接觸承載與流體承載比例失衡，在較大的接觸力下造成過(guò)度磨損，或引起端面間膜壓系數(shù)增加造成開(kāi)啟力過(guò)大，在擺動(dòng)過(guò)程中發(fā)生噴漏的現(xiàn)象。因此，對(duì)于大氣側(cè)端面間隙的界面形狀，希望其在運(yùn)行狀態(tài)下達(dá)到的是偏收斂的平行間隙（1 條氦光帶以內(nèi)）， 在液相流體膜作用下，端面所受全部載荷在理想狀態(tài)下基本由流體壓力承擔(dān)，使得密封面在全液相下輕微接觸且只允許有限的摩擦生熱及輕微磨損，通過(guò)計(jì)算使得端面的間隙最小，以此來(lái)控制泄漏量。

假設(shè)初始錐度與熱錐度引起的凈徑向錐度為 1 條氦光 帶，則 Φ=5.1×10^-5

此模型為假定端面間界面形狀呈收斂型間隙，其膜壓系數(shù)升高及黏性流體剪切時(shí)端面間隙間產(chǎn)生的熱流體動(dòng)力楔效 應(yīng)并未考慮，手工計(jì)算較為復(fù)雜，需借助有限元建模分析。

3.2 大氣側(cè)密封 FEM 有限元分析計(jì)算

基本參數(shù)在初步設(shè)定的基礎(chǔ)上，結(jié)合以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)， 重新精確給出參數(shù)，以此為基礎(chǔ)利用有限元在傳熱邊界、 壓力邊界、材料區(qū)域、等溫線、溫度引起的撓度、壓力引起的撓度、總?cè)毕荨?yīng)力分布和安全系數(shù)等方面進(jìn)行校核及優(yōu)化（見(jiàn)圖 5）。

圖5 模型網(wǎng)格劃分

3.2.1 未磨損時(shí)端面計(jì)算結(jié)果

具體數(shù)值見(jiàn)圖 6 和表 2。

                                                                表2 計(jì)算項(xiàng)目及結(jié)果

圖6 摩擦副總變形量、摩擦副應(yīng)力分布

3.2.2 穩(wěn)態(tài)時(shí)端面計(jì)算結(jié)果

具體數(shù)值見(jiàn)圖 7 和表 3。

（1）變形趨勢(shì) ：密封端面從初始狀態(tài)到工作穩(wěn)態(tài)后， 運(yùn)轉(zhuǎn)工況下的端面變形量為+0.4條氦光帶（1條氦光帶約為 0.29μm），僅僅是微小的變形量，不會(huì)引起界面形狀的畸變。由于高壓差的存在，壓力產(chǎn)生的變形還是較為明顯的。因此需要設(shè)計(jì)為由壓力引起的負(fù)徑向錐角在溫度導(dǎo)致的正徑向錐角補(bǔ)償后能夠在近似平行的微收斂間隙下運(yùn)行，此時(shí)流體膜為正剛度，端面承載能力大、液膜剛度穩(wěn)定、抗擺動(dòng)性能強(qiáng)，端面間以流體承載占主導(dǎo)地位，此時(shí)在開(kāi)車、停車期間，不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重磨損。此變形量在石墨環(huán)磨損后，摩擦副端面將呈近似平行間隙運(yùn)轉(zhuǎn)。（2）端面力分布 ：經(jīng)模擬計(jì)算，此時(shí)端面的總承載力F 總=2063N，接觸力 Fc=243N，接觸力占比僅為 11.77%， 由剪切引起的熱流體動(dòng)壓效應(yīng)產(chǎn)生的開(kāi)啟力占比 25.25%。因黏性剪切引起的功率消耗比為 91.2%，因接觸摩擦引起的功率消耗比為 8.8%。存在接觸力并不意味著一定會(huì)發(fā)生過(guò)度磨損，收斂間隙會(huì)在一定程度上降低磨損系數(shù)，使密封保持在低磨損、低泄漏量的狀態(tài)下持續(xù)運(yùn)行至平行穩(wěn)定狀態(tài)，不至于在全液相非接觸狀態(tài)下發(fā)生噴漏等情況。

3.3 介質(zhì)側(cè)密封 FEM 有限元分析計(jì)算

3.3.1 未磨損時(shí)端面計(jì)算結(jié)果

從圖 8 和表 4 可以看出，未磨損時(shí)端面應(yīng)力分布、熱錐度以及模壓，有如下特征。

圖8 摩擦副總變形量、摩擦副應(yīng)力分布

（1）變形趨勢(shì) ：密封端面從初始狀態(tài)到工作穩(wěn)態(tài)后， 運(yùn)轉(zhuǎn)工況下的端面變形量為+0.3條氦光帶（1條氦光帶約為 0.29μm），僅僅是微小的變形量，不會(huì)引起界面形狀的畸變。碳化硅環(huán)由于其自身機(jī)械性能的高抗可壓性，其向內(nèi)外的彎曲趨勢(shì)不明顯，因此在此模型中重點(diǎn)考慮溫度梯度引起的熱變形影響。此時(shí)的端面變形幾乎全部是由溫度變形所導(dǎo)致的，而在實(shí)際操作條件下，介質(zhì)側(cè)環(huán)體周圍的傳熱機(jī)制為環(huán)體對(duì) PLan32 沖洗流體進(jìn)行對(duì)流傳熱、 環(huán)體本身為熱傳導(dǎo)、環(huán)體對(duì) PLan53A 隔離流進(jìn)行對(duì)流傳熱，通過(guò)將 PLan32 沖洗孔靠近機(jī)封端面， 同時(shí)導(dǎo)流套輔助形成湍流，在零件轉(zhuǎn)速及沖洗流速較快的端面附近可有效提高對(duì)流傳熱系數(shù)，因此在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中溫度梯度引起的熱錐角可能要更小，端面的界面形狀更趨于平行狀態(tài)。

（2）端面力分布 ：經(jīng)模擬計(jì)算，此時(shí)端面的總承載力F總 =2371N，凈受力為F凈 =538N，接觸力Fc=20.5N接觸力占比僅為 3.8%。因黏性剪切引起的功率消耗比為99.7%，因接觸摩擦引起的功率消耗比為 0.3%。考慮到硬對(duì)硬密封磨損后的不可逆性，尤其在開(kāi)車、停車時(shí)短暫地發(fā)生半干摩擦或干摩擦，這將嚴(yán)重影響間隙的界面形狀及后續(xù)的運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)于此模型，由于端面間接觸力極低，基本可看作為始終保持非接觸狀態(tài)運(yùn)行。

（3）環(huán)體溫度梯度 ：從分析模型中可以看出，整個(gè)環(huán)體的溫度穩(wěn)步較為均勻，并無(wú)溫升梯度過(guò)于積聚的情況， 這對(duì)于密封腔操作環(huán)境的穩(wěn)定性有著極大提高，不會(huì)引起端面附近的介質(zhì)發(fā)生嚴(yán)重相變，這也符合設(shè)計(jì)初衷。讓端面始終在全液相流體膜作用下穩(wěn)定運(yùn)行，端面所受全部載荷在理想狀態(tài)下基本全部由流體壓力承擔(dān)，使得密封面在全液相下僅有極小的輕微接觸且只允許有限的摩擦生熱及粗糙度級(jí)別的輕微磨損。

表4 計(jì)算項(xiàng)目及結(jié)果

   

3.3.2 極端工況計(jì)算結(jié)果

從圖 9 和表 5 看出，極端工況下端面變形、流膜狀態(tài)以及膜厚分布，具有如下規(guī)律性特點(diǎn)。

圖9 摩擦副總變形量、端面液體體積分?jǐn)?shù)

表5 計(jì)算項(xiàng)目及結(jié)果

（1）變形趨勢(shì) ：此模型模擬為 Plan53A 壓力不足， 介質(zhì)側(cè)密封出現(xiàn)反壓時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，此狀態(tài)下端面幾乎成平行間隙運(yùn)行，不會(huì)因界面形狀的畸變而發(fā)生嚴(yán)重磨損。碳化硅環(huán)由于其自身機(jī)械性能的高抗可壓性，其向內(nèi)的彎曲的趨勢(shì)不明顯，因此在此模型中重點(diǎn)考慮端面間的流體膜狀態(tài)。反壓狀態(tài)下，端面間的流體膜由油膜變?yōu)檩p烴膜，前期設(shè)計(jì)的反壓平衡比較高，因此不會(huì)發(fā)生噴漏現(xiàn)象。此時(shí)需考慮端面間是否會(huì)出現(xiàn)汽液兩相的流體膜狀態(tài)，經(jīng)過(guò)模擬分析，流體未發(fā)生相變，雖然存在一定的接觸力，但整體端面間仍由流體承載為主。

（2）膜厚分布 ：從微觀膜厚上看，端面間隙的整體趨勢(shì)為壓差增大的微發(fā)散型間隙，主要考慮到前期磨損導(dǎo)致 界面形狀改變而影響平衡比參數(shù)，在發(fā)散型間隙的影響 下，端面間的膜壓系數(shù)會(huì)逐漸降低，端面不易開(kāi)啟 ^[4] ，避 免發(fā)生噴漏情況。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)模擬現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況（見(jiàn)圖 10），對(duì)磨損量、磨損 狀態(tài)、溫升3個(gè)方面進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象校核理論計(jì)算結(jié)果 ^[5]。

圖10 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)方案圖

4.1 試驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)

(1) 內(nèi)側(cè)密封采用特殊設(shè)計(jì)泵送環(huán)，保證流量在15 ～ 20L/min ；(2) 內(nèi)側(cè)試驗(yàn)件密封采用經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的接觸式密封，保證運(yùn)行時(shí)僅有極低的溫升，避免影響介質(zhì)側(cè)密封試驗(yàn)結(jié)果 ；(3) 機(jī)封裝配前，用酒精將石墨環(huán)徹底擦拭干凈，不得有任何石墨粉，避免影響觀測(cè)結(jié)果 ；(4)   隔離液采用與現(xiàn)場(chǎng)密封液理化性質(zhì)近似的10#工業(yè)白油 ； (5) 端面禁止抹油 ；(6) 沖洗液采用水，溫度恒定到室溫后， 需測(cè)水溫記錄才可進(jìn)行試驗(yàn)，嚴(yán)格控制沖洗液循環(huán)溫度及冷卻水流量大小 ^[6]。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

4.2.1 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn) 8h

介質(zhì)側(cè) ：沖洗管路無(wú)溫升 ；端面光潔度良好， 動(dòng)環(huán)  無(wú)磨損痕跡，靜環(huán)可見(jiàn)一圈極輕微摩擦痕跡（粗糙度級(jí)） （見(jiàn)圖 11）。

大氣側(cè) ：循環(huán)管路溫升＜ 5℃ ;  端面光潔度良好，動(dòng) 環(huán)極輕微摩擦痕跡（粗糙度級(jí)），靜環(huán)內(nèi)孔可見(jiàn)一圈極輕 微摩擦痕跡（見(jiàn)圖 11）。

圖11 摩擦副端面

4.2.2 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn) 12h

介質(zhì)側(cè) ：沖洗管路無(wú)溫升 ；端面光潔度良好， 動(dòng)環(huán)無(wú)磨損痕跡，靜環(huán)可見(jiàn)一圈極輕微摩擦痕跡（粗糙度級(jí)）（見(jiàn)圖 12）。

大氣側(cè) ：循環(huán)管路溫升＜ 5℃ ;  端面光潔度良好，動(dòng)環(huán)極輕微摩擦痕跡（粗糙度級(jí)），靜環(huán)內(nèi)孔可見(jiàn)一圈極輕微摩擦痕跡（見(jiàn)圖 12）。

圖12 摩擦副端面

4.3 試驗(yàn)總結(jié)

介質(zhì)側(cè) ：由水替代輕烴做運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，機(jī)封幾乎在全膜潤(rùn)滑下運(yùn)行，端面僅有極輕微的摩擦痕跡。將摩擦痕跡放大觀察，可看出機(jī)封偏內(nèi)孔接觸，主要原因是試驗(yàn)室條件下沖洗水的溫度無(wú)法達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)操作溫度，同時(shí)因流體的動(dòng)力黏度與導(dǎo)熱系數(shù)不同，導(dǎo)致試驗(yàn)?zāi)M過(guò)程中由溫度引起的熱錐角超過(guò)實(shí)際工況數(shù)值，使得端面間隙在凈錐角偏收斂型時(shí)內(nèi)孔存在接觸，其接觸承載占比高于流體承載 ^[7]。

大氣側(cè) ：根據(jù)用戶建議采用理化性質(zhì)相似的10#工業(yè)白油代替耐酸型航空液壓油進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果幾乎與計(jì)算相同。通過(guò)收集磨損下的石墨粉可側(cè)面反映端面的接觸狀態(tài)以及流體的承載能力，此密封端面附近幾乎無(wú)磨損石墨粉殘留，通過(guò)平鏡觀察運(yùn)行穩(wěn)態(tài)后的端面光圈，并未發(fā)現(xiàn)端面發(fā)生畸變。從平鏡觀察運(yùn)轉(zhuǎn)后的動(dòng)環(huán)端面為不到一條氦光帶的同心圓，靜環(huán)端面光帶清晰未見(jiàn)磨損，變形及磨損情況符合模擬分析結(jié)果。

5 使用反饋

目前用戶已使用超過(guò) 1 年以上，機(jī)封運(yùn)行平穩(wěn)，滿足用戶生產(chǎn)需求。從反饋的拆解照片來(lái)看，端面摩擦痕跡均勻，未發(fā)生嚴(yán)重磨損，與前期設(shè)計(jì)結(jié)果基本保持一致（見(jiàn)圖 13）。

圖13 摩擦副端面

6 結(jié)語(yǔ)

在特殊工況中為保證機(jī)封的使用效果，設(shè)計(jì)者需格外注意在設(shè)計(jì)參數(shù)滿足工況使用條件下，同時(shí)需考慮機(jī)封與工況環(huán)境之間的相互影響。需多方位校核設(shè)計(jì)參數(shù)，如利用有限元分析等，以此得出最優(yōu)解。特別在操作條件不穩(wěn)定情況下如何分析混合潤(rùn)滑狀態(tài)下流體膜承載能力，這關(guān)乎整個(gè)機(jī)封的運(yùn)行狀態(tài)。端面的界面形狀控制與對(duì)流傳熱之間的關(guān)系也需要重點(diǎn)考慮，這在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中極為關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)

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[6] 蔡仁良,顧伯勤,宋鵬云.過(guò)程裝備密封技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出 版社,2006.

[7] 王汝美.實(shí)用機(jī)械密封技術(shù)問(wèn)答[M].北京:中國(guó)石化出版社,2014.

Design Analysis and Calculation of Seal in Alkylated Sulfuric Acid Reactor

CAO Da,DONG Hui,HU Shenghua,LIU Chenghao

（Dandong Colossus Group Co., Ltd., Dandong Liaoning 118000）

Abstract:Alkylation devices are mainly mature sulfuric acid process, DuPont Stratco process is currently the world'smain representative process for alkylation oil production, Stratco horizontal eccentric reactor is the most mature stirred mixing reactor market share is high, so for the domestic market, reliability of mechanical seal is an important guarantee for its long-term stable operation. In this paper, the key points of seal design of sulfuric acid reactor are analyzed by structural arrangement and theoretical calculation. Mainly from two aspects of the theoretical analysis: 1. Combined with the process, from the heat transfer mechanism to determine the selection scheme; 2. Improve the running state of the machine seal by controlling the shape of the interface between end faces. Reasonable use of the previous successful technical concepts to give the structural parameters, using the finite element software for analysis and verification, input actual working parameters combined with the flow, solid, thermal coupling iteration, calculate the more reliable theoretical results, and finally through the simulation test to verify the reliability of structural parameters.

Key words:alkylation device;mechanical seal of sulfuric acid reactor;heat transfer mechanism;structural parameter