夏汝焱 周志鵬

（浙江巨化股份有限公司氟聚廠）

反應(yīng)器用機(jī)械密封結(jié)構(gòu)一般是集裝式結(jié)構(gòu)，安裝在釜口位置，主要通過(guò)密封環(huán)軸向互相接觸及其輔助部件的共同作用實(shí)現(xiàn)機(jī)械密封［1］。 機(jī)械密封涉及密封元件及其輔助部件的連接和共同作用，故不合適的設(shè)計(jì)、制造和安裝工藝，極易造成機(jī)械密封失效［2，3］。 目前，針對(duì)該類機(jī)械密封泄漏失效的分析和技術(shù)改進(jìn)報(bào)道屢見(jiàn)不鮮［4，5］。

某公司FKM 裝置的反應(yīng)釜在反應(yīng)過(guò)程中，氣相高分子聚合物進(jìn)入機(jī)械密封并積聚，造成機(jī)封動(dòng)靜環(huán)密封面被強(qiáng)行打開， 導(dǎo)致機(jī)械密封泄漏，直接影響到FKM 裝置的正常穩(wěn)定生產(chǎn)。 通過(guò)拆檢和失效分析， 對(duì)反應(yīng)釜機(jī)械密封進(jìn)行改進(jìn)，具有十分重要的實(shí)際意義。

1 設(shè)備概況和運(yùn)行情況

1.1 反應(yīng)釜概況

反應(yīng)釜（圖1）主要由電機(jī)、減速機(jī)、機(jī)架、機(jī)械密封、攪拌軸系統(tǒng)及釜體等組成。 生產(chǎn)過(guò)程中，由偏氟乙烯和六氟丙烯組成的混合氣體經(jīng)過(guò)加壓后送入反應(yīng)釜，發(fā)生聚合反應(yīng)，生成高分子聚合物，其中絕大部分都進(jìn)入液相空間，而有極少數(shù)氣相高分子聚合物順著軸進(jìn)入機(jī)械密封機(jī)構(gòu)積聚。

1.2 機(jī)械密封運(yùn)行情況

機(jī)械密封用密封液為常溫， 液位約85%，氮封壓力約1.0 MPa，密封罐自帶盤管冷卻，如圖2所示。 該反應(yīng)釜機(jī)械密封是非集裝式結(jié)構(gòu)，主要由動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、彈簧、O 形圈、傳動(dòng)件及緊固件等組成，由于該機(jī)械密封沒(méi)有軸套，彈簧座和動(dòng)環(huán)均固定在攪拌軸上。 由圖2 可以看出，該機(jī)械密封屬于非集裝式+無(wú)軸套設(shè)計(jì)， 且整體焊接在大蓋法蘭上，給檢修和安裝帶來(lái)了極大不便。

圖2 機(jī)械密封示意圖

機(jī)械密封安裝后，依靠彈簧的彈力，可以克服動(dòng)環(huán)輔助密封圈與軸之間的摩擦阻力，使動(dòng)環(huán)端面緊緊地貼在靜環(huán)的端面上。 此時(shí)，有初始閉合力存在。 當(dāng)主機(jī)開始工作時(shí)，密封腔充滿了壓力流體，從而產(chǎn)生更強(qiáng)有力的軸向推力，使密封端面貼合更緊密。 由于端面的平面度高、表面粗糙度小，在壓力流體的作用下，相對(duì)滑動(dòng)的端面間出現(xiàn)了邊界摩擦或半液體摩擦狀態(tài)，足以防止壓力流體的明顯泄漏，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)密封。 此時(shí)，由動(dòng)環(huán)O 形圈、 靜環(huán)O 形圈和端蓋O 形圈構(gòu)成的輔助密封無(wú)明顯相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了靜密封。

該反應(yīng)釜平均運(yùn)行一個(gè)月左右，便因物料積聚、介質(zhì)端動(dòng)靜環(huán)密封面被打開而導(dǎo)致機(jī)械密封泄漏、失效。

2 故障原因分析

從機(jī)械密封拆檢的情況來(lái)看，氣相高分子聚合物進(jìn)入機(jī)械密封（圖3），會(huì)在動(dòng)環(huán)的彈簧上積聚造成彈簧失效，最終上下兩個(gè)端面密封被強(qiáng)行打開，導(dǎo)致機(jī)械密封泄漏，且磨損攪拌軸。

圖3 聚合物進(jìn)入機(jī)械密封的實(shí)物圖

通過(guò)分析使用工況、檢修及安裝過(guò)程，確定失效原因如下：

a. 機(jī)械密封采用雙端面非集裝式的無(wú)軸套設(shè)計(jì)，動(dòng)環(huán)和彈簧座直接固定在攪拌軸上，且動(dòng)環(huán)安裝無(wú)定位銷，彈簧壓縮量無(wú)法固定；檢修工作量繁重、效率極低。 機(jī)械密封相關(guān)連接件設(shè)計(jì)不合理，機(jī)械密封殼體底面整體焊接在大蓋法蘭上，動(dòng)環(huán)和彈簧座直接固定在攪拌軸上，導(dǎo)致大蓋、機(jī)械密封、攪拌軸三大件必須整體吊裝，不僅降低了檢修效率，還極大地影響了機(jī)械密封的使用壽命。

b. 整個(gè)軸系僅減速機(jī)和機(jī)械密封兩個(gè)點(diǎn)裝配了軸承，傳動(dòng)系統(tǒng)在反應(yīng)釜機(jī)架處無(wú)軸承支承，缺少支撐點(diǎn)；反應(yīng)釜攪拌軸伸入釜內(nèi)，攪拌軸比較長(zhǎng)，攪拌尺寸大，造成密封處攪拌軸偏擺較大，徑向不穩(wěn)定，影響機(jī)械密封的使用壽命。

c. 由于攪拌軸整體加工成型，且攪拌軸與軸套采用過(guò)渡配合，間隙很小。 吊裝平行軸斜齒輪減速機(jī)時(shí)，易發(fā)生碰撞，對(duì)機(jī)械密封影響大，給檢修質(zhì)量帶來(lái)了很大的不確定性。

3 改進(jìn)措施與效果

3.1 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)

3.1.1 非集裝式改集裝式

原機(jī)封（圖2）采用雙端面非集裝式的無(wú)軸套設(shè)計(jì)， 除了本身設(shè)計(jì)缺陷影響機(jī)封檢修質(zhì)量外，其彈簧座直接固定在攪拌軸上，一旦有異物進(jìn)入機(jī)封動(dòng)、靜環(huán)密封腔內(nèi)，極易發(fā)生機(jī)械故障導(dǎo)致彈簧座磨損［6］，甚至損傷攪拌軸。 相比更換彈簧座， 攪拌軸損傷的修復(fù)將耗費(fèi)更多的工時(shí)和財(cái)力，因此，將該機(jī)械密封改為雙端面集裝式機(jī)械密封，如圖4 所示。

圖4 雙端面集裝式機(jī)械密封示意圖

根據(jù)密封壓力和彈簧比壓確定彈簧壓縮量，改進(jìn)后的機(jī)械密封增加了動(dòng)環(huán)定位銷，這將會(huì)大幅降低檢修工作量，并提高檢修效率。 新增的軸套可以防止攪拌軸被磨損，延長(zhǎng)攪拌軸的使用壽命。

3.1.2 增加四氟迷宮密封+兩道V 形圈

由于物料的介質(zhì)特性，反應(yīng)釜內(nèi)發(fā)生聚合反應(yīng)時(shí)，會(huì)有少量物料沿介質(zhì)端靜環(huán)座與軸套間的空隙進(jìn)入動(dòng)、靜環(huán)密封腔體內(nèi)，進(jìn)而造成彈簧失效，打開并破壞密封面，影響機(jī)封使用壽命。 為此， 在介質(zhì)端靜環(huán)座下方增加四氟迷宮密封+兩道V 形圈［6］，如圖5 所示。

圖5 四氟迷宮密封+兩道V 形圈安裝示意圖

在自由狀態(tài)下，V 形圈的唇部外徑大于填料腔的內(nèi)徑，唇部?jī)?nèi)徑小于軸套的外徑，裝配后便有一定的變形。 在支撐環(huán)的作用下，這種變形只發(fā)生在唇的尖端， 并在其接觸部位產(chǎn)生壓力，即使不施加壓緊力，唇口也能封住一定的內(nèi)壓。 因?yàn)榇接凶悦芊庾饔茫?］，當(dāng)介質(zhì)工作壓力升高時(shí)，唇尖改變接觸形狀和加大接觸應(yīng)力，唇部與被密封面貼合的更緊密，實(shí)現(xiàn)可靠密封。 當(dāng)介質(zhì)工作壓力很高時(shí)，可將幾個(gè)V 形圈組合使用，通過(guò)向V形圈施加壓緊力，幾個(gè)V 形圈就會(huì)組合成一個(gè)整體，壓緊力可根據(jù)介質(zhì)壓力調(diào)節(jié)。 泄漏介質(zhì)即使通過(guò)了第1 道V 形圈，壓力也會(huì)大為降低，通過(guò)第2 道V 形圈的唇部后，壓力會(huì)再次降低，如此下去，內(nèi)壓將損失殆盡，最后泄漏被阻止。 可見(jiàn)，多個(gè)V 形圈的密封機(jī)理是唇的自密封作用和填料的密封作用聯(lián)合的結(jié)果。

V 形圈的唇口朝向釜內(nèi)， 當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)升壓時(shí)，唇口受壓后能夠更加貼緊軸套和填料腔室的內(nèi)壁， 阻礙物料通過(guò)此處進(jìn)入動(dòng)靜環(huán)密封腔室；由于V 形圈唇口與軸套之間屬于動(dòng)密封，摩擦熱較大，普通四氟材料若不能及時(shí)散熱，不僅會(huì)磨損軸套， 還會(huì)讓V 形圈發(fā)生無(wú)法逆轉(zhuǎn)的熱力變形。 因此，針對(duì)此接觸面，在軸套上噴涂硬質(zhì)合金，提高軸套硬度，增加耐磨性，并在制作V 形圈的四氟材料中摻入玻璃纖維，既提升V 形圈的耐磨性，又降低摩擦副發(fā)熱［6］，從而有效延長(zhǎng)V 形圈和機(jī)封的使用壽命。

3.1.3 改進(jìn)機(jī)械密封底部與大蓋法蘭連接面

原機(jī)械密封底部與大蓋法蘭直接焊接在一起， 給機(jī)械密封的拆裝和試壓帶來(lái)了極大的不便。 改進(jìn)后的機(jī)械密封屬于集裝式機(jī)械密封，本身就是一個(gè)獨(dú)立的整體，殼體底面和大蓋法蘭被徹底分開，可進(jìn)行獨(dú)立安裝，其檢修、安裝、試壓均比較方便，如圖4 所示。

3.1.4 兩道V 形圈密封性能有限元分析

為進(jìn)一步檢驗(yàn)密封圈的密封性能，提取V 形圈所在局部（兩道V 形圈、四氟迷宮密封、壓緊蓋、 軸套和軸）， 利用ANSYS Workbench 模擬軟件，采用Mechanical 模塊及軸對(duì)稱有限元單元類型，進(jìn)行密封性能分析，簡(jiǎn)化模型及有限單元網(wǎng)格如圖6 所示。

圖6 簡(jiǎn)化模型及有限單元網(wǎng)格

V 形圈和四氟迷宮密封環(huán)采用摻入玻璃纖維的四氟乙烯， 壓蓋和軸套采用304 不銹鋼，軸套與V 形圈接觸部位噴涂硬質(zhì)合金?？紤]到V 形圈所受載荷條件，對(duì)壓蓋、四氟迷宮密封環(huán)底部及軸的一端作固定約束。V 形圈在V 槽內(nèi)部受到5 個(gè)內(nèi)壓工況， 分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 MPa。接觸面采用摩擦接觸，四氟材料與軸套之間的摩擦系數(shù)取0.04。 等效應(yīng)力云圖如圖7 所示。

圖7 等效應(yīng)力云圖

由圖7 可知，1.0 MPa壓力下的最大等效應(yīng)力為10.5 MPa。兩個(gè)V 形圈貼合位置的等效應(yīng)力較大；V 形圈與軸套之間最大接觸應(yīng)力分布在兩個(gè)V 形圈中間部位，且最大接觸應(yīng)力為2.5 MPa，大于密封介質(zhì)壓力1.0 MPa， 說(shuō)明該密封結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)密封，如圖8 所示。此外，沿兩道V 形密封圈與軸套接觸的路徑上，除兩V 形圈接觸位置處及第2 道V 形圈與迷宮環(huán)接觸位置處的接觸應(yīng)力較大外， 兩道V 形圈接觸應(yīng)力整體呈遞減趨勢(shì)，如圖9 所示。

圖8 接觸應(yīng)力云圖

圖9 1.0 MPa 工況下兩道V 形密封圈不同位置接觸應(yīng)力對(duì)比

3.2 無(wú)支點(diǎn)機(jī)架改單支點(diǎn)機(jī)架

原機(jī)架屬于無(wú)支點(diǎn)機(jī)架，僅減速機(jī)輸出軸側(cè)有一個(gè)支點(diǎn)，改進(jìn)后的機(jī)架，增加了軸承［5］作為支點(diǎn)，如圖10 所示。

改進(jìn)后的機(jī)架結(jié)構(gòu)既可以提高整個(gè)軸系的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度， 又可以提高軸承和機(jī)封的使用壽命，其具體位置對(duì)軸承間隙、攪拌軸擺動(dòng)量影響的關(guān)系式為［6］：

由圖11 中攪拌軸擺動(dòng)量x 與軸承間隙a 的幾何關(guān)系［6］可以看出，要使反應(yīng)釜內(nèi)的攪拌軸擺動(dòng)量x 減小，軸承A 和B 間的距離不能太小。

圖11 反應(yīng)釜內(nèi)攪拌軸的擺動(dòng)量x 與軸承間隙a 的關(guān)系

由圖11 可知，如果AB∶BC=1∶3，那么假設(shè)軸承間隙a=0.05 mm 的情況下， 反應(yīng)釜內(nèi)攪拌軸的擺動(dòng)量x=0.35 mm； 如果比值增大到AB∶BC=3∶1，則反應(yīng)釜內(nèi)攪拌軸的擺動(dòng)量x=0.084 mm。 軸承間距增大，能夠減少軸承受力，進(jìn)而減小軸承在徑向和軸向的跳動(dòng)對(duì)機(jī)械密封的不良影響，同時(shí)延長(zhǎng)軸承的使用壽命。 但是，當(dāng)AB∶BC＞3∶1 后，x/a的值無(wú)限接近1，降低x的效果已經(jīng)極其有限。 由此可見(jiàn)，AB∶BC的取值范圍在（1/3，3）之間時(shí)，有利于提升攪拌軸的穩(wěn)定性， 而在機(jī)架上增加軸承，不僅提高了整個(gè)軸系的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減小了反應(yīng)釜內(nèi)攪拌軸的擺動(dòng)量，還延長(zhǎng)了機(jī)封和軸承的使用壽命。

3.3 增加聯(lián)軸器

改進(jìn)前，攪拌軸整體加工成型，給后續(xù)檢修拆裝帶來(lái)極大的不便， 嚴(yán)重制約檢修的質(zhì)量和效率。 因此，對(duì)輸出軸增加聯(lián)軸器，如圖12 所示。

圖12 改進(jìn)后的輸出軸結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)比圖1，原攪拌軸無(wú)聯(lián)軸器，拆裝過(guò)程復(fù)雜，尤其是安裝時(shí)，由于電機(jī)和減速機(jī)的重心不在中心軸上， 與攪拌軸的觸碰都可能影響到機(jī)械密封動(dòng)靜環(huán)密封面，造成機(jī)械密封泄漏。 改進(jìn)后， 輸出軸增加聯(lián)軸器， 將輸出軸和攪拌軸分開， 不僅可以徹底隔絕安裝過(guò)程任何碰撞對(duì)機(jī)封的影響，還能有效降低檢修工作量，提高檢修效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)原機(jī)械密封泄漏失效原因分析，給出了機(jī)械密封改進(jìn)方法；并通過(guò)有限元接觸應(yīng)力分析，表明該改進(jìn)方法可行。 經(jīng)過(guò)裝置的實(shí)際運(yùn)行，證明該反應(yīng)釜機(jī)械密封的使用壽命可由一個(gè)月提升至一年以上，平均檢修時(shí)間減少約60%。 該機(jī)械密封改進(jìn)方法，可為同類裝置的連續(xù)安全運(yùn)行奠定穩(wěn)定基礎(chǔ)，對(duì)類似工況下機(jī)械密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)具有一定的借鑒意義。