化工設(shè)備密封面現(xiàn)場快速修復(fù)工具的設(shè)計及應(yīng)用

陽巧玲

（湖南智成化工有限公司，湖南株洲412005）

1 密封面的修復(fù)現(xiàn)狀

密封管理是化工企業(yè)設(shè)備管理的重要組成部分，在生產(chǎn)中，一旦發(fā)生泄漏，輕則浪費(fèi)原料、能源，重則影響生產(chǎn)或使整個系統(tǒng)停產(chǎn)。化工維修工作中與泄漏有關(guān)的維修工作占總工作量的65%以上。由于化工生產(chǎn)具有連續(xù)性，一個崗位工藝條件的正常與否，會直接影響到工藝流程中下一崗位的正常操作，如果由于某種要求需要到現(xiàn)場快速直接對構(gòu)件的密封面進(jìn)行修理，而現(xiàn)場構(gòu)件的密封面朝向各異：有水平向上的，有垂直的、有傾斜一定角度的、有水平向下的。要在生產(chǎn)現(xiàn)場直接修理這些看似不顯眼的密封面，需要維修人員付出很長的研磨修理時間或巨大的體能消耗。有些關(guān)鍵件的密封面問題還會導(dǎo)致對設(shè)備進(jìn)行被動大中修，維修工作量成倍增加。為了加強(qiáng)和規(guī)范設(shè)備管理，我們需要設(shè)計一種快捷的維修工具來解決這類看似簡單的問題。

2 密封面快速修復(fù)工具設(shè)計

2.1 人工研磨的局陷性與設(shè)計思路

圖1 用研具研磨平面

研磨工作中，人工研磨是化工維修人員經(jīng)常采用的研磨方法，如圖1所示。圖中采用的方法主要針對于截止閥、止回閥和安全閥。修理這些閥門可以直接將閥盤與閥座相互研磨，也可以如圖1所示使用專門的研磨工具進(jìn)行研磨。這種簡單的工具有如下缺點：（1）修理效率低，一般適合水平向上的密封面的修理。（2）如果需要在垂直平面上進(jìn)行修理，必須保證磨具與修理面貼合，這就需對丁字扳手施加兩個作用力，一個垂直于密封面上的力，該力的大小等于或大于磨具和丁字扳的重力；另一個用于磨削的旋轉(zhuǎn)力。由于這兩種力是由維修人員的雙手提供，因其修理效率低，所需消耗的體能很大，且用雙手很難保證磨具與修理面貼合。

從上述簡單的修理工具的使用過程可以看出，我們要解決兩個關(guān)鍵性的問題：一是提高修理效率，控制磨具速度；二是控制作用力的方向，保證雙手傳遞的力始終垂直于修理密封平面，使磨具與修理面保持貼合。

2.2 密封面現(xiàn)場快速修復(fù)工具的設(shè)計

該快修工具是利用萬向頭原理，對萬向頭兩端連接進(jìn)行改造，并對萬向頭旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行適當(dāng)限制，以手電鉆為動力，采用各種成型磨盤或磨頭進(jìn)行設(shè)計制作的手工電動研磨工具，可廣泛用于公司各種密封面的現(xiàn)場快速修理。具體說明如下：

2.2.1 磨具速度控制

磨削的主運(yùn)動是磨具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，要提高磨削效率，最簡單的方法是提高磨具旋轉(zhuǎn)速度。據(jù)此思路，筆者將圖1中的丁字扳手改為手電鉆夾持柄，利用常用的手電鉆就可以簡單地提高磨具的轉(zhuǎn)速。手電鉆的規(guī)格型號較多，為了充分利用資源，設(shè)計中選擇公司使用數(shù)量較多的D21101的大扭矩電鉆，其參數(shù)見表1。該手電鉆具有調(diào)速功能，我們將連接桿夾持柄的尺寸定為12.5mm。

表1 電鉆主要參數(shù)表

2.2.2 作用力的控制

我們先忽略磨具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，假定磨具在密封面上固定不動，人手施加給磨具的力通過連接桿傳遞給磨具，由于人手施力的方向不確定，如果磨具與連接桿是剛性垂直連接，在這種力的作用下，磨具就會與密封平面產(chǎn)生一定角度的偏斜，這就是磨具與修理密封平面不能保證貼合的原因。我們再假設(shè)磨具與連接桿之間采用活動的球面連接，連接桿上的力沿著連接桿傳遞到活動球面上，如果這個力不垂直于密封平面，它與密封平面垂線的夾角為α，這個力通過活動球面，可分解為一個垂直于密封平面的分力F1和一個平行于密封面的分力F2，如圖2所示，F(xiàn)1能保證磨具與密封平面始終貼合。平行于密封面的分力F2會使磨盤沿密封平面移動，F(xiàn)2=F/sinα，由于F力是人手施加的，方向不確定，這個分力會始終存在，F(xiàn)2的存在有它的好處，好比我們在研磨平臺上走8字，用以保證修磨平面的平整。但這個F2我們還必須進(jìn)行控制，當(dāng)F2過大時，磨盤會運(yùn)動到修磨平面之外，由于修理空間的限制阻擋，我們的雙手會產(chǎn)生劇烈的振動。根據(jù)實地測試，我們將α角控制在6°左右，使人手的擺動幅度控制在12°左右的圓錐空間之內(nèi)，就能很好地控制研磨的平穩(wěn)。

圖2 密封面受力圖

2.2.3 工具部件介紹

由于磨削運(yùn)動的主運(yùn)動是磨具磨盤的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，這個活動點還必須傳遞手電鉆的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動給磨盤，我們采用萬向頭來實現(xiàn)這一要求。最終設(shè)計的現(xiàn)場密封面快速修復(fù)工具如圖3所示。

圖3

（1）磨盤或磨頭

采用M16×1.5螺紋與萬向頭連接。對于最大外圓直徑小于100mm磨頭，材料優(yōu)先選用耐磨性能良好的灰口鑄鐵，對于最大外圓尺寸大于100mm的磨盤一般可采用A3鋼板制作。它的工作表面根據(jù)構(gòu)件密封面形式確定。

在設(shè)計磨盤或磨頭時，還應(yīng)考慮磨盤或磨頭的轉(zhuǎn)動慣量。根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量公式：I=∑miri

可知剛體的質(zhì)量越大，或質(zhì)量分布離轉(zhuǎn)軸越遠(yuǎn)，則轉(zhuǎn)動慣量越大；反之越小。由于是手工操作，磨盤或磨頭的轉(zhuǎn)動慣量應(yīng)設(shè)計得盡可能小些。我們根據(jù)現(xiàn)場的使用情況，將磨盤或磨頭的重量控制在3kg左右，最大外圓直徑控制在200mm左右，基本能滿足化工現(xiàn)場修理密封面的大部分要求。

（2）萬向頭組件

圖4

如圖4所示，該組件兩十字頭銷與十字頭為間隙配合，與上下部為過盈鉚合。十字頭與上、下部兩端面留有0.10～0.15mm左右的間隙，保證上下部轉(zhuǎn)動靈活。手電鉆的旋轉(zhuǎn)力通過兩十字頭銷將力傳遞給磨盤，圖示中十字頭銷3是此構(gòu)件中強(qiáng)度最薄弱的地方。由于磨削負(fù)荷較小，查GB/T1243.1-1983，選用鏈號為10A的滾子鏈連接銷軸（主要參數(shù)見表2），十字頭上部用M16×1.5的螺紋連接萬向頭限位套。

表2 滾子鏈主要參數(shù)

（3）萬向頭限位套

以連接桿為參照物，磨盤在以十字頭為圓心的任意方向自由擺動，由于十字頭的結(jié)構(gòu)與理論上的球面有差別，如果擺動的幅度過大，在F力的作用下，磨頭或連接桿的球面運(yùn)動軌跡會發(fā)生破壞。因人手的擺動幅度能很好地控制在12°左右的圓錐空間之內(nèi)，我們相應(yīng)地將磨頭或連接桿的活動范圍控制在12°的圓錐之內(nèi)。擺動幅度由限位套的內(nèi)壁與十字頭下部的間隙控制，可用車削來進(jìn)行調(diào)整，我們將單邊間隙控制在2～2.5mm左右。萬向頭限位套還起到防止十字頭銷脫出和固定連接桿的作用。

（4）連接桿

連接桿的長度應(yīng)根據(jù)待修密封面到構(gòu)件外輪廓線的深度選擇。連接桿過長時，可在桿上增加一尼龍活動套，方便用手把持。

為了節(jié)約成本，該工具以上零件選用35鋼制作。因手電鉆的旋轉(zhuǎn)方向為順時針方向，同我們緊固螺紋的方向一致，采用右旋螺紋可以起到防松作用。

3 工具的使用方法及操作中注意事項

3.1 工具使用方法

該工具的使用方法同平常用的人工研磨方法相似。首先檢查密封面表面情況，根據(jù)密封面形式及最大外圓尺寸選用備用磨盤。修理時，首先將待修理密封面清理干凈，在密封面上涂抹一層研磨劑，滴幾滴稀濃度機(jī)油。其工作原理是借助于兩研磨面的相對運(yùn)動，實現(xiàn)研磨面上的微切削作用。先進(jìn)行粗磨，查JB2477-81，粗磨時使用顆粒較大的研磨劑，一般選用120#～180#粒度的研磨劑，快速磨去有缺陷的表面。經(jīng)清洗后，再換用顆粒較小的研磨劑，進(jìn)行細(xì)磨，一般選用240#～W28#進(jìn)行細(xì)磨。研磨劑的顆粒大小與粒度號數(shù)見表3。

表3 研磨劑的粒度與尺寸

研磨劑是磨料與研磨液的混合物，常用的磨料有剛玉粉（Al2O3）、碳化硅（SiC）、碳化硼（B4C）、金剛石粉等。常用的研磨液是10#機(jī)油與煤油的混合物。在快修工具的應(yīng)用中，由于磨盤受軸向的旋轉(zhuǎn)力且轉(zhuǎn)速相對較高，發(fā)熱量較大，我們可選用46#機(jī)油作為研磨液，防止在磨削中燒損密封面。

經(jīng)過細(xì)研后，應(yīng)將被研磨面清洗干凈，觀察密封面，如果被研磨面是呈現(xiàn)灰白色、完整而不間斷的、均勻的、圓環(huán)型的研磨線，則研磨工作完成。對于要求較高的密封面，還應(yīng)采用手工精研，直到密封平面對光呈現(xiàn)出淡紅色的鏡面為止。

3.2 實際操作中的注意事項

（1）手電鉆的電源應(yīng)裝有漏電保護(hù)器。

（2）由于磨具轉(zhuǎn)速相對較快，作用在磨具上的軸向力F不應(yīng)過大，但必須保證磨具與密封面可靠貼合。研磨2～3min后應(yīng)對密封面進(jìn)行檢查，防止密封面燒損。缺陷去除后應(yīng)及時更換細(xì)顆粒研磨劑進(jìn)行一次細(xì)磨。如果有高于密封平面的焊疤等雜質(zhì)，應(yīng)先鏟除且微微低于密封平面后，再進(jìn)行研磨，防止密封平面偏磨。

（3）使用中如果發(fā)現(xiàn)振動過大，可停機(jī)調(diào)整好手電鉆的轉(zhuǎn)數(shù)或雙手的對中位置。

（4）對于直徑較大的密封面，可以采用調(diào)低手電鉆轉(zhuǎn)數(shù)的方法達(dá)到操作要求。

4 實際運(yùn)用效果

工具制作好后，進(jìn)行實地測試，一般損壞的密封面在5～20min內(nèi)都能快速修好。

壓縮機(jī)閥座密封面的修復(fù)實例：我公司尿素分廠5#CO2壓縮機(jī)（型號：4M12-55/220）由于四段缸進(jìn)口閥座密封面被沖蝕損壞，造成三段缸嚴(yán)重超壓，該機(jī)無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。其缸體材質(zhì)為35鑄鋼，出口工作壓力為9.8MPa，其進(jìn)口密封面垂直于水平面，經(jīng)過多次手工研磨，由于局部沖蝕痕跡過深（約0.25～0.35mm），無法解決三段缸超壓問題，后采取加紫銅墊進(jìn)行密封處理，因為缸內(nèi)密封面內(nèi)外壓差過大，紫銅墊運(yùn)行16～24h左右就失去效果，并加劇密封面的沖蝕。如果不拆下缸體上鏜床加工，就必須進(jìn)行重復(fù)檢修，而拆下缸體送去鏜床加工，需要4～5人3天左右的工作時間。通過采用快速修復(fù)工具，在短短十幾分鐘內(nèi)便能將缺陷進(jìn)行修復(fù)。

該工具制作經(jīng)濟(jì)簡單，操作使用方便，可廣泛用于化工生產(chǎn)現(xiàn)場中的各種規(guī)格的閥門關(guān)閉件的密封面、高壓管件透鏡墊密封面、活塞式高壓機(jī)的氣缸閥座密封面等的全方位快速修理。

［1］ 濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計［M］.北京：高等教育出版社，2001.