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        懸臂加熱器旋轉(zhuǎn)密封墊片失效分析與處理

        2022-06-29 19:53:15叢有才李志強(qiáng)
        裝備維修技術(shù) 2022年6期
        關(guān)鍵詞:滲漏懸臂處理

        叢有才 李志強(qiáng)

        摘? 要:某核電基地某型號(hào)應(yīng)急柴油機(jī)在2016年更換為Coolelf乙二醇冷卻液后,陸續(xù)發(fā)現(xiàn)多個(gè)加熱器墊片接頭處存在黃色結(jié)晶。為消除滲漏,提高設(shè)備可靠性,通過(guò)對(duì)失效墊片的深入分析,新墊片選型,加熱器緊固力矩計(jì)算以及試驗(yàn)驗(yàn)證等,最終總結(jié)出一套懸臂梁結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)密封件滲漏的處理方法,并開(kāi)發(fā)研制出一種新型密封墊片。

        關(guān)鍵詞:加熱元件? 懸臂? 旋轉(zhuǎn)密封? 滲漏? 處理

        引言:

        2016年大修期間巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)2LHQ200/700RS電加熱組件接頭密封墊片外表面存在結(jié)晶,此后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)同型號(hào)柴油機(jī)存在同類型結(jié)晶現(xiàn)象,截止2019年10月共發(fā)生同類型異常11起,本報(bào)告對(duì)歷次大修處理歷程做分析,整理密封墊片選型過(guò)程,固化經(jīng)驗(yàn)。

        設(shè)備失效后果:冷卻液滲漏,應(yīng)急電源可靠性降級(jí)。

        正文

        1、設(shè)備介紹

        1.1加熱器簡(jiǎn)介

        在柴油機(jī)的水循環(huán)系統(tǒng)中,每個(gè)加熱水箱內(nèi)裝有3個(gè)浸沒(méi)式電加熱器元件,見(jiàn)圖1。每個(gè)加熱元件由3個(gè)屏蔽的線圈環(huán)路組成,見(jiàn)圖1。浸沒(méi)式加熱器的功率12kW(380V)×3根,用以保證柴油機(jī)的冷卻水及潤(rùn)滑油在預(yù)熱狀態(tài),減少快速啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件的磨損。

        1.2失效現(xiàn)象

        加熱器元件拆出后,密封墊片已分為兩層。加熱元件及原裝墊片結(jié)構(gòu)特點(diǎn):

        ◇螺紋M76×2

        ◇圓臺(tái)外徑91mm,內(nèi)徑76mm,單邊寬7.5mm,實(shí)際承壓面寬約6mm

        ◇原裝墊片D95*77*2.0mm

        ◇材質(zhì)Tesnit BA-U

        1.3可能失效原因分析:

        1)原密封墊片為纖維墊片,結(jié)構(gòu)不夠致密,在加熱器元件安裝過(guò)程中,由于旋轉(zhuǎn)擠壓造成纖維墊片分層,介質(zhì)從分層處滲漏。

        2)密封面存在缺陷,墊片局部未壓實(shí)。

        3)密封面整圈壓緊力小于墊片密封比壓。

        4)加熱元件為懸臂安裝,在自重長(zhǎng)時(shí)間作用下墊片上半蠕變松弛,導(dǎo)致墊片下半壓緊力不足。

        2、失效原因深入分析及相應(yīng)措施

        2.1 纖維墊片換型

        加熱元件為螺紋緊固安裝,密封形式為“螺紋連接墊片密封”。此種密封墊片在擰緊螺紋時(shí),墊片不僅承受壓緊力,而且還承受剪切力,使墊片產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。多層粘接的纖維墊片安裝和拆卸過(guò)程中易分層,導(dǎo)致密封失效。拆卸的舊墊片端面有滲漏結(jié)晶物,證實(shí)了這點(diǎn)原因分析。

        為此,將原密封墊更換為材質(zhì)更致密的Garlock 5500或Bluegard 3400墊片,安裝3個(gè)月后表面仍出現(xiàn)結(jié)晶物。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)制定緊固力矩為450N.m,仍無(wú)法消除滲漏。

        2.2 密封面缺陷處理

        加熱器密封面應(yīng)滿足光潔度和平直度要求,受限于加工空間,第19次大修將加熱器殼體和加熱元件的法蘭面在同一臺(tái)銑床上重新找平,初始最大張口0.30mm,銑削處理后胎具檢查縫隙<0.05mm,滿足要求。經(jīng)驗(yàn)證明,銑削密封面改善了密封條件,但不能完全消除缺陷。

        2.3 密封比壓計(jì)算

        墊片比壓指單位面積壓緊力,是墊片有效密封的前提條件之一。為進(jìn)一步分析多層粘接纖維墊片滲漏原因,計(jì)算墊片比壓。查閱資料兩種墊片的比壓如下:

        ①計(jì)算在450N.m緊固力矩時(shí)墊片所受螺栓預(yù)緊力F

        擰緊力矩計(jì)算公式T=KFd

        式中T-擰緊力矩,取經(jīng)驗(yàn)力矩450N.m

        K-擰緊力矩系數(shù)

        F-預(yù)緊力

        d-螺紋公稱直徑,為M76(墊片內(nèi)徑0.0765m)

        K值取0.18-0.21,為無(wú)潤(rùn)滑條件的一般加工面。

        計(jì)算可知預(yù)緊力F范圍28011.2~32679.7N。

        ②計(jì)算兩種墊片最低預(yù)緊力FA

        a)查閱資料得知:Garlock IFG 5500比壓為20.35MPa

        根據(jù)公式P=F/S,推導(dǎo)最低預(yù)緊力FA=PS ,S為墊片接觸面積

        墊片規(guī)格:D92*77*2.5

        故墊片面積為S=3.14(R2-r2)=0.001989975m2

        FA=PS=20350000Pa*0.001989975m2=40496.0N

        故Garlock IFG5500墊片最低預(yù)緊力需要40496.0N>32679.74N

        故450N.m經(jīng)驗(yàn)力矩不滿足密封比壓要求。

        b)Bluegard? 3400比壓14.5MPa,根據(jù)公式P=F/S,推導(dǎo)最低預(yù)緊力

        FA=PS=28854.7N<29411.7N,故K小于0.20時(shí)450N.m力矩滿足密封比壓要求。

        由于加熱器殼體為薄壁焊接件,增加擰緊力矩可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受損,因此未繼續(xù)增加擰緊力矩。

        2.4 懸臂加熱器元件受力分析

        加熱元件長(zhǎng)約55cm,自重2.7kg,由于懸臂安裝,導(dǎo)致密封墊片上下受力不均,長(zhǎng)時(shí)間使用后因6點(diǎn)鐘方向預(yù)緊力不足導(dǎo)致密封不嚴(yán)。

        2.7kg×10N/kg×0.55m÷2=F2×r

        計(jì)算加熱器螺紋支撐自重需要的力F2=195.4N

        小結(jié):F2遠(yuǎn)小于加熱元件緊固力F,自身重量對(duì)減弱擰緊里的影響可以忽略。

        針對(duì)上述分析,設(shè)計(jì)金屬外環(huán)+密封內(nèi)環(huán)的組合墊片,并做力學(xué)分析。外圈均為316L不銹鋼金屬環(huán)+內(nèi)圈由氟橡膠或三元乙丙橡膠或Supranite PG AC F改性四氟乙烯墊片制成的3種型號(hào)墊片。

        金屬環(huán)外徑92mm,內(nèi)徑85mm。

        橡膠圈或改性四氟乙烯環(huán)外徑85mm,內(nèi)徑78mm。

        查詢機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè),加熱器殼體為Q235碳鋼,屈服強(qiáng)度≥235MPa;316L不銹鋼金屬墊片屈服強(qiáng)度≥177MPa。

        1)計(jì)算金屬墊片性能

        根據(jù)T=KFd,計(jì)算出F≈30,000N。其中

        T:450N.m,經(jīng)驗(yàn)擰緊力矩

        K-擰緊力矩系數(shù),取0.2

        d-螺紋公稱直徑M76(墊片內(nèi)徑取0.0765m)

        公式: ,其中

        P:壓強(qiáng)Pa

        F:緊固力N

        S:墊片接觸面積㎡

        1、計(jì)算該尺寸墊片金屬環(huán)壓強(qiáng)

        按經(jīng)驗(yàn)力矩450N.m計(jì)算墊片金屬環(huán)壓強(qiáng),

        =30.2MPa

        小結(jié):按450N.m力矩緊固的壓強(qiáng)為30.2 MPa,小于316L不銹鋼和Q235碳鋼的屈服強(qiáng)度,因此不會(huì)發(fā)生塑性變形。

        2)橡膠墊片密封性能

        考慮法蘭、及金屬墊變形問(wèn)題,不銹鋼墊厚度選2-3mm為宜。當(dāng)金屬外環(huán)選用3mm厚度時(shí),橡膠墊內(nèi)環(huán)厚度選4mm,此時(shí)壓縮率25%,符合壓縮量5-30%的經(jīng)驗(yàn)值;當(dāng)內(nèi)環(huán)選用4mm厚的Supranite PG AC F 墊片時(shí),同樣符合需求,但是長(zhǎng)期使用的補(bǔ)償性能下降,故最終選型氟橡膠的外金屬環(huán)墊片,無(wú)內(nèi)齒,添加粘接劑保證橡膠與金屬骨架的粘接強(qiáng)度。

        1.1分析結(jié)論

        綜上分析:氟橡膠+外金屬環(huán)的組合墊經(jīng)過(guò)2個(gè)月的離線驗(yàn)證,沒(méi)有發(fā)生滲漏,橡膠面完整,無(wú)壓潰現(xiàn)象;外金屬環(huán)無(wú)壓痕。從橡膠使用經(jīng)驗(yàn)看,2個(gè)月的驗(yàn)證時(shí)間能有效檢驗(yàn)使用效果,表明研制的組合墊產(chǎn)品能滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。

        結(jié)論:外金屬環(huán)+氟橡膠圈的組合墊片能保證初始安裝時(shí)結(jié)構(gòu)不受損傷,也能保證長(zhǎng)期使用的密封能力,是此種懸臂梁結(jié)構(gòu)的最佳密封方案。

        參考文獻(xiàn):

        [1]《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第六版》第二卷 成大先 主編

        [2]Bluegard 3400、GARLOCK IFG5500官網(wǎng)資料96862D56-FDF5-4753-81A7-231428C3ED31

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