懸臂加熱器旋轉(zhuǎn)密封墊片失效分析與處理

叢有才 李志強(qiáng)

摘? 要：某核電基地某型號應(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，通過對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)告對歷次大修處理歷程做分析，整理密封墊片選型過程，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。

正文

1、設(shè)備介紹

1.1加熱器簡介

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)浸沒式電加熱器元件，見圖1。每個(gè)加熱元件由3個(gè)屏蔽的線圈環(huán)路組成，見圖1。浸沒式加熱器的功率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，為無潤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，自身重量對減弱擰緊里的影響可以忽略。

針對上述分析，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，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2個(gè)月的離線驗(yàn)證，沒有發(fā)生滲漏，橡膠面完整，無壓潰現(xiàn)象;外金屬環(huán)無壓痕。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