黎遠中，楊文文

(新疆新特能源股份有限公司，新疆 烏魯木齊 831408)

1 問題

殘液攪拌罐是多晶硅生產(chǎn)中殘液處理工序的主要設備之一，殘液攪拌罐的填料密封又是攪拌罐的關鍵部件，它的運行狀態(tài)直接影響生產(chǎn)的安全性和環(huán)保狀況。某多晶硅生產(chǎn)企業(yè)殘液攪拌罐的填料密封效果較差，攪拌罐中的氫氣及少量的淋洗液和氯化氫從攪拌軸密封處泄漏，不僅腐蝕攪拌軸(攪拌軸和軸承腐蝕清況如圖1所示)，而且泄漏出的氫氣集聚在殘液處理廠房內部，攪拌罐上部空間的氫氣含量嚴重超標，容易出現(xiàn)閃爆；另外，從攪拌軸密封處泄漏至殘液廠房內的氯化氫會危害作業(yè)人員的身體健康，氯化氫泄漏還對周圍的設備管道產(chǎn)生腐蝕，影響設備的使用壽命。該公司的多晶硅生產(chǎn)能力和產(chǎn)量逐步擴大，殘液處理量越來越大，如何提高攪拌罐攪拌軸處密封性能，防止氫氣、氯化氫等外漏，是該公司安全環(huán)保和職業(yè)健康關注的焦點，因此改進攪拌罐的填料密封裝置，提高攪拌罐的密封性勢在必行。

圖1 攪拌軸和軸承腐蝕情況Fig.1 Corrosion of agitating shaft and bear

2 原攪拌罐填料密封技術分析

原攪拌罐使用的填料密封的結構組裝圖如圖2所示。

1—填料函;2—石墨盤根軟填料;3—填料壓蓋;4—螺栓;5—螺母。圖2 原填料密封組裝圖Fig.2 Original assembling of packing seal

這是一種傳統(tǒng)的簡單的填料密封結構，該填料密封的密封機制分析如下[1]。

壓緊式填料密封不是因為固體填料與旋轉軸緊密貼合阻止內部流體泄出，而是通過填料與旋轉軸之間的潤滑油膜阻止流體外泄。這層油膜來自所用的填料，其內部組織較大的空隙內充滿了潤滑劑，或者在使用時填料外表面涂上一層稠厚的機械油，用來補充潤滑膜。當使用一段時間后，已有的潤滑膜逐漸消失，就會產(chǎn)生泄漏。

在這一填料密封中，內部流體可能通過下列途徑泄漏：①流體穿過填料本身的縫隙而出現(xiàn)滲漏；②流體通過填料與填料函內壁之間的縫隙泄漏；③流體通過填料與轉軸之間的縫隙泄漏。填料置于填料函中，通過壓蓋將填料壓緊在軸上，填料依靠壓蓋軸向壓緊力,產(chǎn)生徑向變形填滿間隙。填料在變形時，依靠徑向變形產(chǎn)生的徑向力緊貼轉軸與填料箱內壁表面，實現(xiàn)密封。這就是說，在填料密封可能出現(xiàn)的3個泄漏途徑中填料本身的滲漏可以通過壓實填料的方法來消除；填料函內表面與填料之間的泄漏,因為無相對運動且填料被壓實而與填料箱內壁表面緊密貼合，達到了止漏目的；只有填料與轉軸之間，因有相對運動，并存在微小間隙，所以常造成泄漏。

傳統(tǒng)填料密封的不足之處在于密封性能較差、 軸或軸套磨損較大、 損失功耗大以及使用壽命短等。

要想改善填料密封的密封效果，在填料密封結構設計時要考慮解決3個問題: ①盡量使徑向壓緊力均勻且與泄漏壓力規(guī)律一致,使軸承壓面受壓均勻,從而使軸磨損小而且均勻。②使填料密封結構中的填料具有補償能力、足夠的潤滑性和彈性。③ 密封的填料沿軸向抱緊力應均勻分布。因此，優(yōu)化后的填料密封結構應該是一種能夠自動根據(jù)被密封介質壓力的變化而改變密封力的填料密封結構。

3 解決方案

3.1 保證罐頂密封氣氣相壓力穩(wěn)定

攪拌罐的填料密封裝置中的氮氣密封氣采用自動控制，保持密封氣的壓力穩(wěn)定。在填料密封腔引入氮氣的管道上安裝一個自力式微壓調節(jié)閥(見圖3中的7)，自動地調節(jié)氮氣，使進入填料腔分布環(huán)的氮氣壓力始終比罐頂氣相壓力高50～100 kPa。這樣隨時能保證罐頂壓力處于微正壓(0.01～0.5 kPa)，隔離空氣，不會在罐內出現(xiàn)閃爆，微量的氫氣隨著氮氣從罐頂?shù)呐艢夤芘懦?。使用的常溫下密封氣對填料函里的填料及軸有冷卻作用，與此同時，由于罐頂?shù)奈⒄龎?，相對地增加一部分氯硅烷和氯化氫進一步溶解在罐內液體里，從而減少了氯硅烷和氯化氫氣體從填料密封處逸出，軟填料部分承受的腐蝕性氣體很少，并且密封壓力也很低。這樣，軟填料為了達到密封的目的所需的螺栓預緊力也很小，軟填料的使用壽命就會延長。

1—現(xiàn)場壓力表;2—通向大氣的球閥(常開);3—進氣球閥;4—攪拌罐;5—攪拌軸;6—(人孔處的)防爆膜；7—自力式微壓調節(jié)閥;8—旁路進氣球閥;9—填料密封裝置。圖3 保證攪拌罐頂?shù)獨饷芊鈿鈮毫Ψ€(wěn)定的自動控制示意圖Fig.3 Automatic control of nitrogen seal gas pressure at top of mixing tank

3.2 聚四氟乙烯硬環(huán)填料結構設計

填料密封在原設計基礎上，增加了聚四氟乙烯硬環(huán)填料結構設計，按照螺套式螺旋密封的原理，把它設計為流阻型非接觸式阻止氣體泄漏的密封結構。其外圓與填料函內表面進行過盈配合，避免介質氣體從填料函與填料間隙處泄漏；在填料函中增加分布環(huán)(如圖4所示)和硬環(huán)(如圖5所示)。

在聚四氟乙烯硬填料內環(huán)(與軸相鄰側)上挖有數(shù)道螺旋狀的環(huán)形溝槽，螺旋槽與軸的外表面之間構成螺旋密封。位于分布器上方的硬環(huán)(相當于螺母)內側溝槽的螺紋旋向與軸的旋轉方向相反(如圖5所示)，當攪拌軸(相當于螺桿)在旋轉時，將向外泄漏的介質(氣液混合)積聚在軟填料、軸與硬環(huán)內螺旋槽形成的空腔里，向罐內方向運動，即把這些介質用“螺母”向罐內方向“擰”回去，達到止漏目的；位于分布器下方的硬環(huán)內側溝槽的螺紋旋向與軸的旋轉方向相同(如圖5所示)，它與軸構成氣體空隙腔，形成螺旋密封，當一定壓力(0.03～0.05 MPa)的密封氮氣通過螺旋槽時，在軸的旋轉下，產(chǎn)生“泵”送效應，利用螺旋的“泵”送作用，把沿泄漏間隙泄漏的介質推回攪拌罐，實現(xiàn)密封[2-4]。硬填料環(huán)內側與軸外表面進行間隙配合，使聚四氟乙烯硬填料環(huán)不與旋轉軸摩擦，通過加入比介質氣體泄漏壓力略高的常溫氮氣來阻隔介質的泄漏，并且這樣的硬填料環(huán)的壽命遠遠大于軟填料。氣體分布環(huán)的使用壽命與此硬填料環(huán)幾乎一樣。因此軟硬填料的使用壽命也大大延長。

1—孔1;2—孔2;3—孔3;4—孔4。圖4 氣體分布環(huán)示意圖Fig.4 Diagram of gas distribution ring

1—矩形斷面槽;2,3—三角形斷面槽;溝槽螺紋旋方向與軸的旋轉方向相反。

1,2,3—溝槽螺紋旋向與軸的旋轉方向一致，螺旋槽斷面是三角形。圖5 硬填料環(huán)示意圖Fig.5 Diagram of hard packing ring

3.3 軟硬填料組合的密封形式

在填料函里使用軟硬填料搭配的組合形式。選用填充20%石墨的硬聚四氟乙烯填料環(huán)，硬填料環(huán)與填料函內表面過盈配合，與軸套表面間隙配合，與氟橡膠O形密封圈和碳纖維浸PTFE的軟填料或編織的聚四氟乙烯盤根配合使用，能夠延長填料的使用壽命。硬填料環(huán)不與旋轉軸直接接觸，壽命顯然比軟填料長(只有當軸承損壞而未發(fā)現(xiàn)繼續(xù)使用時才有可能損壞硬填料)，引用迷宮密封原理和螺旋密封原理，利用具有一定壓力的密封氮氣阻隔物料介質從填料空隙逸出，從硬填料處逸出的少量氣體經(jīng)過O形密封圈的阻擋后，少量的氣體又經(jīng)歷一個填料硬環(huán)的螺旋槽時形成旋渦方向與流出方向相反，只剩微量的氣體再從軟填料密封處逸出，即使有少量的氣體從軟填料處逸出，軟填料壓蓋螺栓稍微緊固一下，就能阻擋物料介質氣體逸出。因此這種設計的軟填料的使用壽命會延長。而O形密封圈選用的氟橡膠設計利用自身的彈性與軸過盈配合，在低溫、低壓、低轉速、微量腐蝕的條件下，其使用壽命周期比原來的油浸石墨盤根長得多。軟填料選用編織的聚四氟乙烯盤根(靠近壓蓋側)或碳纖維浸聚四氟乙烯盤根(靠近介質側)混合搭配，有足夠的潤滑性和彈性。圖6為軟硬填料組合的密封形式，圖7為聚四氟乙烯盤根，圖8為軟填料。

1—填料函;2—隔環(huán);3—氣體分布環(huán);4—密封進氣孔;5—O形密封圈;6—填料硬環(huán);7—軟填料環(huán);8—壓蓋;9—雙頭螺栓;10—螺母;11—蝶形彈簧墊片;12—填料硬環(huán)上的三角形斷面槽;13—斷面為矩形的外環(huán)槽;14—填料硬環(huán)上的矩形斷面槽；15—連通孔;16—斷面為矩形的內環(huán)槽;17—連通孔;18—隔環(huán)上的三角形斷面槽;19—軸。圖6 軟硬填料組合的密封形式示意圖Fig.6 Diagram of soft packing and hard packing combined seal

圖7 聚四氟乙烯盤根圖Fig.7 Diagram of PTFE packing

圖8 碳纖維浸聚四氟乙烯填料(軟填料)圖Fig.8 Diagram of carbon fiber-PTFE packing, i.e. soft packing

3.4 填料壓蓋的螺栓處增加蝶形彈簧墊片

在填料壓蓋的每個螺栓處增加3個蝶形彈簧墊片串聯(lián)使用。由于填料壓蓋處在未加蝶形彈簧墊之前，其螺栓所施加給填料的預緊力是恒定的，只要填料的壓縮變形量稍有減少，就會加劇填料的應力松弛，從而降低軟填料的密封穩(wěn)定性。因此在填料壓蓋的每個螺栓處增加3個蝶形彈簧墊片串聯(lián)使用，一旦填料出現(xiàn)松弛，有預緊力的彈簧墊推動壓蓋向下移動，相當于增加了軟填料密封的自動補償能力，就能改善填料的應力松弛，增強密封的穩(wěn)定性和可靠性。圖9是3個蝶形彈簧墊片串聯(lián)的圖片(如圖6中的序號11)。

圖9 3個蝶形彈簧墊片串聯(lián)組合圖Fig.9 Diagram of combination of three butterfly spring gasket in series

3個蝶形彈簧墊片串聯(lián)使用的位移變形量是單個蝶形彈簧墊片的3倍，蝶形彈簧墊片串聯(lián)組合使用的總長度不大于單個蝶形彈簧墊片外徑的3倍。

由于在填料壓蓋的連接螺栓上增加了彈簧,填料對軸的密封力可隨密封介質壓力的變化而變化 ,維護了填料的彈性 ,實現(xiàn)了填料具有良好密封性能和延長使用壽命的目的[1]。

3.5 軸與填料接觸部位的技術處理

軸與軟填料接觸組成摩擦副是影響填料密封工作的可靠性、長久性和穩(wěn)定性的主要因素。為了提高摩擦副軸的耐磨性和耐腐蝕性，最好是在摩擦副軸上沉積抗磨潤滑鎳基納米或非金屬合金等[5-6]；通過物理化學氣相沉積法(PVD/CVD)，激光真空弧薄膜沉積技術(VLDT)[7]，超音速氧燃氣火焰噴涂(HVOF)[8]，超音速等離子噴涂(HEPJet)[9]等技術與方法，在其表面上獲得高致密涂層。本次技改項目考慮到目前本地還沒有如此加工能力，對軸與填料接觸部分用低合金鋼進行調質處理，通過磨床，使軸的外表面的粗糙度達到0.8 μm，從而提高軸的表面光潔度和硬度，耐磨性增強。

3.6 填料函結構技術改造

參考國際標準ISO 3069：2000《軸向吸入離心泵裝機械密封和軟填料的空腔尺寸》，設計填料函和密封腔尺寸。在填料函腔內設計了氣體分布環(huán)(如圖6中序號3)。

4 效果驗證

2016 年5月 ,該密封結構在多晶硅生產(chǎn)殘液處理工序殘液攪拌罐上使用 ,氯化氫、氫氣的泄漏量明顯降低。在密封處泄漏的氫氣體積分數(shù)小于2×10-4，最小是5×10-5(原密封處泄漏的氫氣體積分數(shù)大于2×10-3)；在密封處泄漏的氯化氫氣體體積分數(shù)為2×10-5，證明此改造項目是行之有效的。與傳統(tǒng)密封結構相比，預緊力明顯減小。經(jīng)過一段時期的運轉證明：泄漏量基本無變化,且填料磨損趨于均勻；填料密封的使用壽命延長，維修成本降低，工作環(huán)境得到了改善。

5 結語

填料密封在低轉速、低工作壓力和100 ℃的條件下比機械密封具有價格便宜、維護簡單方便的優(yōu)勢。技術人員根據(jù)實際生產(chǎn)情況，在原有的基礎上，通過學習先進的理論知識，并積累工作經(jīng)驗，不斷地創(chuàng)新，優(yōu)化填料密封結構，達到預期密封的目標。