多晶硅生產(chǎn)中殘液攪拌罐密封結(jié)構(gòu)的改造

黎遠(yuǎn)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(shè)備之一，殘液攪拌罐的填料密封又是攪拌罐的關(guān)鍵部件，它的運(yùn)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?jī)?nèi)部，攪拌罐上部空間的氫氣含量嚴(yán)重超標(biāo)，容易出現(xiàn)閃爆；另外，從攪拌軸密封處泄漏至殘液廠房?jī)?nèi)的氯化氫會(huì)危害作業(yè)人員的身體健康，氯化氫泄漏還對(duì)周圍的設(shè)備管道產(chǎn)生腐蝕，影響設(shè)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(kuò)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(guān)注的焦點(diǎn)，因此改進(jìn)攪拌罐的填料密封裝置，提高攪拌罐的密封性勢(shì)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(shù)分析

原攪拌罐使用的填料密封的結(jié)構(gòu)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(jiǎn)單的填料密封結(jié)構(gòu)，該填料密封的密封機(jī)制分析如下[1]。

壓緊式填料密封不是因?yàn)楣腆w填料與旋轉(zhuǎn)軸緊密貼合阻止內(nèi)部流體泄出，而是通過填料與旋轉(zhuǎn)軸之間的潤(rùn)滑油膜阻止流體外泄。這層油膜來自所用的填料，其內(nèi)部組織較大的空隙內(nèi)充滿了潤(rùn)滑劑，或者在使用時(shí)填料外表面涂上一層稠厚的機(jī)械油，用來補(bǔ)充潤(rùn)滑膜。當(dāng)使用一段時(shí)間后，已有的潤(rùn)滑膜逐漸消失，就會(huì)產(chǎn)生泄漏。

在這一填料密封中，內(nèi)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(nèi)壁之間的縫隙泄漏；③流體通過填料與轉(zhuǎn)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(shí)，依靠徑向變形產(chǎn)生的徑向力緊貼轉(zhuǎn)軸與填料箱內(nèi)壁表面，實(shí)現(xiàn)密封。這就是說，在填料密封可能出現(xiàn)的3個(gè)泄漏途徑中填料本身的滲漏可以通過壓實(shí)填料的方法來消除；填料函內(nèi)表面與填料之間的泄漏,因?yàn)闊o相對(duì)運(yùn)動(dòng)且填料被壓實(shí)而與填料箱內(nèi)壁表面緊密貼合，達(dá)到了止漏目的；只有填料與轉(zhuǎn)軸之間，因有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮解決3個(gè)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(jié)構(gòu)中的填料具有補(bǔ)償能力、足夠的潤(rùn)滑性和彈性。③ 密封的填料沿軸向抱緊力應(yīng)均勻分布。因此，優(yōu)化后的填料密封結(jié)構(gòu)應(yīng)該是一種能夠自動(dòng)根據(jù)被密封介質(zhì)壓力的變化而改變密封力的填料密封結(jié)構(gòu)。

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?dú)饷芊鈿獠捎米詣?dòng)控制，保持密封氣的壓力穩(wěn)定。在填料密封腔引入氮?dú)獾墓艿郎习惭b一個(gè)自力式微壓調(diào)節(jié)閥(見圖3中的7)，自動(dòng)地調(diào)節(jié)氮?dú)?，使進(jìn)入填料腔分布環(huán)的氮?dú)鈮毫κ冀K比罐頂氣相壓力高50～100 kPa。這樣隨時(shí)能保證罐頂壓力處于微正壓(0.01～0.5 kPa)，隔離空氣，不會(huì)在罐內(nèi)出現(xiàn)閃爆，微量的氫氣隨著氮?dú)鈴墓揄數(shù)呐艢夤芘懦?。使用的常溫下密封氣?duì)填料函里的填料及軸有冷卻作用，與此同時(shí)，由于罐頂?shù)奈⒄龎?，相?duì)地增加一部分氯硅烷和氯化氫進(jìn)一步溶解在罐內(nèi)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(dá)到密封的目的所需的螺栓預(yù)緊力也很小，軟填料的使用壽命就會(huì)延長(zhǎng)。

1—現(xiàn)場(chǎng)壓力表;2—通向大氣的球閥(常開);3—進(jìn)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(diào)節(jié)閥;8—旁路進(jìn)氣球閥;9—填料密封裝置。圖3 保證攪拌罐頂?shù)獨(dú)饷芊鈿鈮毫Ψ€(wěn)定的自動(dòng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

填料密封在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，增加了聚四氟乙烯硬環(huán)填料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，按照螺套式螺旋密封的原理，把它設(shè)計(jì)為流阻型非接觸式阻止氣體泄漏的密封結(jié)構(gòu)。其外圓與填料函內(nèi)表面進(jìn)行過盈配合，避免介質(zhì)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(nèi)環(huán)(與軸相鄰側(cè))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(gòu)成螺旋密封。位于分布器上方的硬環(huán)(相當(dāng)于螺母)內(nèi)側(cè)溝槽的螺紋旋向與軸的旋轉(zhuǎn)方向相反(如圖5所示)，當(dāng)攪拌軸(相當(dāng)于螺桿)在旋轉(zhuǎn)時(shí)，將向外泄漏的介質(zhì)(氣液混合)積聚在軟填料、軸與硬環(huán)內(nèi)螺旋槽形成的空腔里，向罐內(nèi)方向運(yùn)動(dòng)，即把這些介質(zhì)用“螺母”向罐內(nèi)方向“擰”回去，達(dá)到止漏目的；位于分布器下方的硬環(huán)內(nèi)側(cè)溝槽的螺紋旋向與軸的旋轉(zhuǎn)方向相同(如圖5所示)，它與軸構(gòu)成氣體空隙腔，形成螺旋密封，當(dāng)一定壓力(0.03～0.05 MPa)的密封氮?dú)馔ㄟ^螺旋槽時(shí)，在軸的旋轉(zhuǎn)下，產(chǎn)生“泵”送效應(yīng)，利用螺旋的“泵”送作用，把沿泄漏間隙泄漏的介質(zhì)推回?cái)嚢韫?，?shí)現(xiàn)密封[2-4]。硬填料環(huán)內(nèi)側(cè)與軸外表面進(jìn)行間隙配合，使聚四氟乙烯硬填料環(huán)不與旋轉(zhuǎn)軸摩擦，通過加入比介質(zhì)氣體泄漏壓力略高的常溫氮?dú)鈦碜韪艚橘|(zhì)的泄漏，并且這樣的硬填料環(huán)的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(zhǎng)。

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(zhuǎn)方向相反。

1,2,3—溝槽螺紋旋向與軸的旋轉(zhuǎn)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(nèi)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(zhǎng)填料的使用壽命。硬填料環(huán)不與旋轉(zhuǎn)軸直接接觸，壽命顯然比軟填料長(zhǎng)(只有當(dāng)軸承損壞而未發(fā)現(xiàn)繼續(xù)使用時(shí)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?dú)庾韪粑锪辖橘|(zhì)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(gè)填料硬環(huán)的螺旋槽時(shí)形成旋渦方向與流出方向相反，只剩微量的氣體再?gòu)能浱盍厦芊馓幰莩?，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(zhì)氣體逸出。因此這種設(shè)計(jì)的軟填料的使用壽命會(huì)延長(zhǎng)。而O形密封圈選用的氟橡膠設(shè)計(jì)利用自身的彈性與軸過盈配合，在低溫、低壓、低轉(zhuǎn)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(zhǎng)得多。軟填料選用編織的聚四氟乙烯盤根(靠近壓蓋側(cè))或碳纖維浸聚四氟乙烯盤根(靠近介質(zhì)側(cè))混合搭配，有足夠的潤(rùn)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—?dú)怏w分布環(huán);4—密封進(jìn)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(nèi)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(gè)螺栓處增加3個(gè)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(yù)緊力是恒定的，只要填料的壓縮變形量稍有減少，就會(huì)加劇填料的應(yīng)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(gè)螺栓處增加3個(gè)蝶形彈簧墊片串聯(lián)使用，一旦填料出現(xiàn)松弛，有預(yù)緊力的彈簧墊推動(dòng)壓蓋向下移動(dòng)，相當(dāng)于增加了軟填料密封的自動(dòng)補(bǔ)償能力，就能改善填料的應(yīng)力松弛，增強(qiáng)密封的穩(wěn)定性和可靠性。圖9是3個(gè)蝶形彈簧墊片串聯(lián)的圖片(如圖6中的序號(hào)11)。

圖9 3個(gè)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(gè)蝶形彈簧墊片串聯(lián)使用的位移變形量是單個(gè)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(zhǎng)度不大于單個(gè)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(duì)軸的密封力可隨密封介質(zhì)壓力的變化而變化 ,維護(hù)了填料的彈性 ,實(shí)現(xiàn)了填料具有良好密封性能和延長(zhǎng)使用壽命的目的[1]。

3.5 軸與填料接觸部位的技術(shù)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(zhǎng)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(rùn)滑鎳基納米或非金屬合金等[5-6]；通過物理化學(xué)氣相沉積法(PVD/CVD)，激光真空弧薄膜沉積技術(shù)(VLDT)[7]，超音速氧燃?xì)饣鹧鎳娡?HVOF)[8]，超音速等離子噴涂(HEPJet)[9]等技術(shù)與方法，在其表面上獲得高致密涂層。本次技改項(xiàng)目考慮到目前本地還沒有如此加工能力，對(duì)軸與填料接觸部分用低合金鋼進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，通過磨床，使軸的外表面的粗糙度達(dá)到0.8 μm，從而提高軸的表面光潔度和硬度，耐磨性增強(qiáng)。

3.6 填料函結(jié)構(gòu)技術(shù)改造

參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3069：2000《軸向吸入離心泵裝機(jī)械密封和軟填料的空腔尺寸》，設(shè)計(jì)填料函和密封腔尺寸。在填料函腔內(nèi)設(shè)計(jì)了氣體分布環(huán)(如圖6中序號(hào)3)。

4 效果驗(yàn)證

2016 年5月 ,該密封結(jié)構(gòu)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?jǐn)?shù)小于2×10-4，最小是5×10-5(原密封處泄漏的氫氣體積分?jǐn)?shù)大于2×10-3)；在密封處泄漏的氯化氫氣體體積分?jǐn)?shù)為2×10-5，證明此改造項(xiàng)目是行之有效的。與傳統(tǒng)密封結(jié)構(gòu)相比，預(yù)緊力明顯減小。經(jīng)過一段時(shí)期的運(yùn)轉(zhuǎn)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(zhǎng)，維修成本降低，工作環(huán)境得到了改善。

5 結(jié)語(yǔ)

填料密封在低轉(zhuǎn)速、低工作壓力和100 ℃的條件下比機(jī)械密封具有價(jià)格便宜、維護(hù)簡(jiǎn)單方便的優(yōu)勢(shì)。技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，在原有的基礎(chǔ)上，通過學(xué)習(xí)先進(jìn)的理論知識(shí)，并積累工作經(jīng)驗(yàn)，不斷地創(chuàng)新，優(yōu)化填料密封結(jié)構(gòu)，達(dá)到預(yù)期密封的目標(biāo)。