槳葉干化機(jī)旋轉(zhuǎn)接頭泄漏分析與處置

唐志超，樊文紅，王振華，李恩群

（重慶耐德沙微谷環(huán)保設(shè)備有限公司，重慶 401121）

0 引言

槳葉干化機(jī)是一種效能較高的污泥干化設(shè)備，其殼體內(nèi)安裝帶有楔形盤的中空槳葉軸，槳葉軸內(nèi)部通過旋轉(zhuǎn)接頭源源不斷地通入飽和蒸汽，利用間接熱傳導(dǎo)的方式干化濕污泥，蒸汽在釋放汽化潛熱后轉(zhuǎn)變?yōu)槟Y(jié)水，再通過旋轉(zhuǎn)接頭的虹吸管排出槳葉軸。旋轉(zhuǎn)接頭蒸汽泄漏或者凝結(jié)水不能及時通過旋轉(zhuǎn)接頭排出槳葉軸外，都會使得設(shè)備的烘干溫度上不去，導(dǎo)致污泥烘干產(chǎn)能達(dá)不到設(shè)計值，嚴(yán)重的甚至?xí)龎臏p速電動機(jī)，造成設(shè)備停運(yùn)。由此可見，旋轉(zhuǎn)接頭是槳葉干化機(jī)最為關(guān)鍵的設(shè)備之一，其運(yùn)行狀況的好壞，會直接影響到槳葉干化機(jī)的污泥烘干效果。槳葉軸及旋轉(zhuǎn)接頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 槳葉軸及旋轉(zhuǎn)接頭

1 存在的問題

廣東某污泥“三合一”無害化處理項(xiàng)目設(shè)計處理污泥規(guī)模為300 t/d，待處理污泥含水率約為80%，污泥干化后要求含水率不超過40%，處理后的污泥與生活垃圾一起進(jìn)行摻燒，污泥干化熱源為垃圾焚燒爐產(chǎn)生的高溫蒸汽。該污泥無害化處理項(xiàng)目共采用3臺MSD-240型槳葉干化機(jī)作為污泥干化主機(jī)設(shè)備，單臺設(shè)備最大日處理量為120 t，槳葉干化機(jī)工況參數(shù)如表1所示。

表1 槳葉干化機(jī)工況參數(shù)

旋轉(zhuǎn)接頭按使用方式分為單向、雙向、雙向內(nèi)管固定式和雙向內(nèi)管旋轉(zhuǎn)式，按密封結(jié)構(gòu)形式分為平面密封、球面密封和柱面彈性體密封3種[1]。該項(xiàng)目每臺槳葉干化機(jī)配置了4個NCFZ型日本生產(chǎn)的雙向內(nèi)管固定式球面密封旋轉(zhuǎn)接頭，項(xiàng)目一共配置12個旋轉(zhuǎn)接頭，旋轉(zhuǎn)接頭的使用條件如表2所示。

表2 旋轉(zhuǎn)接頭使用條件

當(dāng)初選用該進(jìn)口NCFZ型雙向內(nèi)管固定式球面密封旋轉(zhuǎn)接頭的主要原因是其具有如下幾個優(yōu)點(diǎn)：1）結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，不需要潤滑；2）耐高溫，耐壓力波動性能好；3）具有自動調(diào)心、自動補(bǔ)償功能[2]；4）石墨軸承間距大，提高了接頭和虹吸管的支撐效果[3]。

設(shè)備開機(jī)調(diào)試過程中卻發(fā)現(xiàn)12個旋轉(zhuǎn)接頭中有2個旋轉(zhuǎn)接頭的轉(zhuǎn)動軸與殼體縫隙位置存在蒸汽輕微泄漏的情況，故障率為16.7%，且2個泄漏的旋轉(zhuǎn)接頭分布在2臺槳葉干化機(jī)設(shè)備中，導(dǎo)致這2臺槳葉干化機(jī)無法正常投產(chǎn)，嚴(yán)重影響此項(xiàng)目的整體完工投產(chǎn)進(jìn)度。旋轉(zhuǎn)接頭蒸汽泄漏位置如圖2所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)接頭漏氣位置圖

2 問題分析

經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，總結(jié)出旋轉(zhuǎn)接頭常規(guī)蒸汽泄漏原因主要有以下幾點(diǎn)：1）超限值運(yùn)轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)接頭在實(shí)際使用壓力、溫度或轉(zhuǎn)速超過最大設(shè)計值的情況下超限值運(yùn)轉(zhuǎn)，造成旋轉(zhuǎn)接頭損壞而蒸汽泄漏。2）安裝不同心。旋轉(zhuǎn)接頭的轉(zhuǎn)動軸和殼體在安裝時不同心，會造成旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部密封面磨損不均，從而導(dǎo)致蒸汽泄漏[4]。3）易損件壽命到期。由于長時間運(yùn)行，旋轉(zhuǎn)接頭的密封環(huán)等易損件由于磨損達(dá)到使用壽命，若不及時更換，就會導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)接頭蒸汽泄漏[5]。4）異物進(jìn)入旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部。雜質(zhì)或鐵屑等異物進(jìn)入到旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部的密封面后，會使得密封面失效，從而導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)接頭蒸汽泄漏[6]。

由于槳葉干化機(jī)及旋轉(zhuǎn)接頭剛開始進(jìn)入調(diào)試運(yùn)行階段，并不存在易損件長時間運(yùn)行造成磨損漏氣的情況，而且我們是嚴(yán)格按照說明書進(jìn)行安裝與使用，因此，我們排除了上述1）～3）的3種旋轉(zhuǎn)接頭蒸汽泄漏情況，初步判斷原因?yàn)檎羝艿来祾卟桓蓛?，雜質(zhì)或鐵屑等異物隨蒸汽進(jìn)入旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部，造成密封面失效，從而導(dǎo)致蒸汽泄漏。設(shè)備停機(jī)后，我們將旋轉(zhuǎn)接頭拆下，對其進(jìn)行了拆解并對結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行了繪制，旋轉(zhuǎn)接頭結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)接頭結(jié)構(gòu)圖

由圖3可知，其工作原理是：通過彈簧產(chǎn)生的軸向力，將轉(zhuǎn)動軸、密封環(huán)及殼體壓緊，因此密封環(huán)與轉(zhuǎn)動軸配合的球形密封面及密封環(huán)與殼體1配合的端面密封面是兩個關(guān)鍵密封面，直接關(guān)系到蒸汽密封效果，這兩個關(guān)鍵密封面中任意一個失效，都會導(dǎo)致蒸汽泄漏。因此，我們對這3個零件及2個密封面進(jìn)行了仔細(xì)檢查。檢查后發(fā)現(xiàn)，雖然轉(zhuǎn)動軸及殼體部分位置存在銹蝕及石墨覆蓋的情況，但并未發(fā)現(xiàn)2個密封面存在明顯異物及拉痕，檢查情況如圖4、圖5所示。

圖4 轉(zhuǎn)動軸球形密封面及殼體底部密封面無異物及拉痕

圖5 密封環(huán)球形密封面及平面密封面無異物及拉痕

圖6 2個轉(zhuǎn)動軸球形密封面均存在多處缺陷

我們對旋轉(zhuǎn)接頭的零部件簡單清理后進(jìn)行了回裝，設(shè)備通蒸汽運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)，這2個旋轉(zhuǎn)接頭的蒸汽泄漏情況依然存在，因此也排除了由于“異物進(jìn)入旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部”導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)接頭蒸汽泄漏的情況。由于該項(xiàng)目是廣東省重點(diǎn)項(xiàng)目及當(dāng)?shù)孛裆こ?，綜合考慮到工期等因素，我們先對存在蒸汽泄漏的2個旋轉(zhuǎn)接頭用備用旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)行了替換，替換后槳葉干化機(jī)及旋轉(zhuǎn)接頭運(yùn)行正常，不存在漏氣等情況，項(xiàng)目及時竣工投產(chǎn)。對替換下來的旋轉(zhuǎn)接頭，我們進(jìn)行了二次拆解，并對拆解下來的轉(zhuǎn)動軸密封面的石墨附著位置進(jìn)行了仔細(xì)清理及打磨。清理打磨后檢查發(fā)現(xiàn)，這2個旋轉(zhuǎn)接頭的轉(zhuǎn)動軸球面密封面均存在多處缺陷，缺陷情況如圖5所示。

最終我們得出結(jié)論，這2個旋轉(zhuǎn)接頭主要是由于轉(zhuǎn)動軸本身的鑄造缺陷而造成的密封面失效，最終造成蒸汽泄漏。這個結(jié)論是我們最初沒有預(yù)料到的，從企業(yè)角度講，降低成本、提高利潤無可厚非，但是制造商在生產(chǎn)制造過程中應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)質(zhì)量檢驗(yàn)，提高產(chǎn)品品質(zhì)，不能讓不合格品最終流入到客戶手中，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

3 處置方案

受疫情影響，旋轉(zhuǎn)接頭寄回生產(chǎn)廠家維修的往返周期較長，我們決定自行維修?？紤]到旋轉(zhuǎn)接頭轉(zhuǎn)動軸材質(zhì)為45鋼，該材質(zhì)可焊性較差，焊后極易發(fā)生冷裂現(xiàn)象，且焊接時要進(jìn)行焊前預(yù)熱，焊后要進(jìn)行消除內(nèi)應(yīng)力處理，對于已經(jīng)精加工的轉(zhuǎn)軸來說，對缺陷補(bǔ)焊的方式并不適合，因此我們采用少量車削的方式去除轉(zhuǎn)動軸球形密封面上的缺陷。轉(zhuǎn)動軸球面經(jīng)數(shù)控車削去除0.5 mm厚度后缺陷全部消除，車削后再經(jīng)過研磨，即可保證球面副的密封效果。

同時，由于轉(zhuǎn)動軸與密封環(huán)的球形密封面實(shí)際密封寬度只有4 mm，密封面積較小，因此我們將密封環(huán)的球面厚度也數(shù)控車削了0.5 mm，通過增大密封面積的方式來保證密封效果。由于密封環(huán)的球形密封面積的改變，我們對該密封面的比壓進(jìn)行了核算。

球形密封面的力學(xué)分析如圖7所示。

圖7 球形密封面受力分析

通過對密封環(huán)的軸向力分析，根據(jù)軸向力平衡的原則可得

因此，球形密封面的端面比壓Pc的計算公式為

式中，F(xiàn)2為介質(zhì)壓力作用于密封環(huán)兩端面積差所產(chǎn)生的力，計算公式為

介質(zhì)壓力作用在殼體兩端面積差所產(chǎn)生的力F1的計算公式為

介質(zhì)膜壓產(chǎn)生的推開力Fm的計算公式為

式中：A為球面面積；P為介質(zhì)壓力；λ為系數(shù)，取0.7[7]。

代入數(shù)據(jù)后，計算得密封環(huán)球面車削后比壓值Pc=1.7 MPa，PcV=0.06 MPa·m/s，遠(yuǎn)小于許用值[PV]=14.73 MPa·m/s，且Pc、PcV值與切削前的數(shù)值相差不大，這也說明對密封環(huán)球形密封面的適量切削并不會對其性能造成很大的影響。

4 結(jié)論

對旋轉(zhuǎn)接頭處理后，重新裝配到槳葉干化機(jī)上，開機(jī)通蒸汽后，旋轉(zhuǎn)接頭運(yùn)行平穩(wěn)，無蒸汽泄漏及異響等情況，說明我們的處置方式是合理有效的。同時，為了確保旋轉(zhuǎn)接頭的密封可靠性和延長旋轉(zhuǎn)接頭的壽命，在旋轉(zhuǎn)接頭的裝配、運(yùn)行與維護(hù)過程中應(yīng)當(dāng)特別注意以下幾點(diǎn)：1）在安裝旋轉(zhuǎn)接頭與槳葉軸之前，應(yīng)仔細(xì)檢查旋轉(zhuǎn)接頭及相關(guān)連接件是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的要求，軸管旋向、口徑及法蘭等部位是重點(diǎn)核實(shí)對象；2）安裝時要確保旋轉(zhuǎn)接頭與槳葉軸同心，防止因偏心造成的密封面異常磨損；3）需采用金屬軟管連接旋轉(zhuǎn)接頭的進(jìn)出口，金屬軟管應(yīng)留有足夠的運(yùn)動空間，使旋轉(zhuǎn)接頭能自動調(diào)節(jié)和補(bǔ)償，防止因旋轉(zhuǎn)接頭殼體位移受到限制而導(dǎo)致彈力無法得到有效補(bǔ)償并產(chǎn)生泄漏[8]；4）在旋轉(zhuǎn)接頭的安裝、運(yùn)行與維護(hù)過程中要避免雜質(zhì)進(jìn)入接頭內(nèi)部，如果條件允許，最好安裝過濾裝置，以防止異物對旋轉(zhuǎn)接頭密封面造成的異常磨損或卡死，最終導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)接頭泄漏；5）避免超負(fù)荷的碰撞、敲擊或不合理拆裝旋轉(zhuǎn)接頭，以防損壞旋轉(zhuǎn)接頭的接口和內(nèi)部零部件，造成密封失效和使用壽命縮短[9]；6）運(yùn)行時，注意避免介質(zhì)溫度及壓力提升速度過快或超過設(shè)計值，同時還應(yīng)注意避免旋轉(zhuǎn)接頭空運(yùn)轉(zhuǎn)現(xiàn)象。