槳葉干化機旋轉接頭泄漏分析與處置

唐志超，樊文紅，王振華，李恩群

（重慶耐德沙微谷環保設備有限公司，重慶 401121）

0 引言

槳葉干化機是一種效能較高的污泥干化設備，其殼體內安裝帶有楔形盤的中空槳葉軸，槳葉軸內部通過旋轉接頭源源不斷地通入飽和蒸汽，利用間接熱傳導的方式干化濕污泥，蒸汽在釋放汽化潛熱后轉變為凝結水，再通過旋轉接頭的虹吸管排出槳葉軸。旋轉接頭蒸汽泄漏或者凝結水不能及時通過旋轉接頭排出槳葉軸外，都會使得設備的烘干溫度上不去，導致污泥烘干產能達不到設計值，嚴重的甚至會燒壞減速電動機，造成設備停運。由此可見，旋轉接頭是槳葉干化機最為關鍵的設備之一，其運行狀況的好壞，會直接影響到槳葉干化機的污泥烘干效果。槳葉軸及旋轉接頭結構如圖1所示。

圖1 槳葉軸及旋轉接頭

1 存在的問題

廣東某污泥“三合一”無害化處理項目設計處理污泥規模為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行摻燒，污泥干化熱源為垃圾焚燒爐產生的高溫蒸汽。該污泥無害化處理項目共采用3臺MSD-240型槳葉干化機作為污泥干化主機設備，單臺設備最大日處理量為120 t，槳葉干化機工況參數如表1所示。

表1 槳葉干化機工況參數

旋轉接頭按使用方式分為單向、雙向、雙向內管固定式和雙向內管旋轉式，按密封結構形式分為平面密封、球面密封和柱面彈性體密封3種[1]。該項目每臺槳葉干化機配置了4個NCFZ型日本生產的雙向內管固定式球面密封旋轉接頭，項目一共配置12個旋轉接頭，旋轉接頭的使用條件如表2所示。

表2 旋轉接頭使用條件

當初選用該進口NCFZ型雙向內管固定式球面密封旋轉接頭的主要原因是其具有如下幾個優點：1）結構簡單，安裝方便，不需要潤滑；2）耐高溫，耐壓力波動性能好；3）具有自動調心、自動補償功能[2]；4）石墨軸承間距大，提高了接頭和虹吸管的支撐效果[3]。

設備開機調試過程中卻發現12個旋轉接頭中有2個旋轉接頭的轉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個泄漏的旋轉接頭分布在2臺槳葉干化機設備中，導致這2臺槳葉干化機無法正常投產，嚴重影響此項目的整體完工投產進度。旋轉接頭蒸汽泄漏位置如圖2所示。

圖2 旋轉接頭漏氣位置圖

2 問題分析

經查閱相關文獻資料，總結出旋轉接頭常規蒸汽泄漏原因主要有以下幾點：1）超限值運轉。旋轉接頭在實際使用壓力、溫度或轉速超過最大設計值的情況下超限值運轉，造成旋轉接頭損壞而蒸汽泄漏。2）安裝不同心。旋轉接頭的轉動軸和殼體在安裝時不同心，會造成旋轉接頭內部密封面磨損不均，從而導致蒸汽泄漏[4]。3）易損件壽命到期。由于長時間運行，旋轉接頭的密封環等易損件由于磨損達到使用壽命，若不及時更換，就會導致旋轉接頭蒸汽泄漏[5]。4）異物進入旋轉接頭內部。雜質或鐵屑等異物進入到旋轉接頭內部的密封面后，會使得密封面失效，從而導致旋轉接頭蒸汽泄漏[6]。

由于槳葉干化機及旋轉接頭剛開始進入調試運行階段，并不存在易損件長時間運行造成磨損漏氣的情況，而且我們是嚴格按照說明書進行安裝與使用，因此，我們排除了上述1）～3）的3種旋轉接頭蒸汽泄漏情況，初步判斷原因為蒸汽管道吹掃不干凈，雜質或鐵屑等異物隨蒸汽進入旋轉接頭內部，造成密封面失效，從而導致蒸汽泄漏。設備停機后，我們將旋轉接頭拆下，對其進行了拆解并對結構圖進行了繪制，旋轉接頭結構如圖3所示。

圖3 旋轉接頭結構圖

由圖3可知，其工作原理是：通過彈簧產生的軸向力，將轉動軸、密封環及殼體壓緊，因此密封環與轉動軸配合的球形密封面及密封環與殼體1配合的端面密封面是兩個關鍵密封面，直接關系到蒸汽密封效果，這兩個關鍵密封面中任意一個失效，都會導致蒸汽泄漏。因此，我們對這3個零件及2個密封面進行了仔細檢查。檢查后發現，雖然轉動軸及殼體部分位置存在銹蝕及石墨覆蓋的情況，但并未發現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 密封環球形密封面及平面密封面無異物及拉痕

圖6 2個轉動軸球形密封面均存在多處缺陷

我們對旋轉接頭的零部件簡單清理后進行了回裝，設備通蒸汽運行后發現，這2個旋轉接頭的蒸汽泄漏情況依然存在，因此也排除了由于“異物進入旋轉接頭內部”導致旋轉接頭蒸汽泄漏的情況。由于該項目是廣東省重點項目及當地民生工程，綜合考慮到工期等因素，我們先對存在蒸汽泄漏的2個旋轉接頭用備用旋轉接頭進行了替換，替換后槳葉干化機及旋轉接頭運行正常，不存在漏氣等情況，項目及時竣工投產。對替換下來的旋轉接頭，我們進行了二次拆解，并對拆解下來的轉動軸密封面的石墨附著位置進行了仔細清理及打磨。清理打磨后檢查發現，這2個旋轉接頭的轉動軸球面密封面均存在多處缺陷，缺陷情況如圖5所示。

最終我們得出結論，這2個旋轉接頭主要是由于轉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。這個結論是我們最初沒有預料到的，從企業角度講，降低成本、提高利潤無可厚非，但是制造商在生產制造過程中應當加強質量檢驗，提高產品品質，不能讓不合格品最終流入到客戶手中，造成不必要的經濟損失。

3 處置方案

受疫情影響，旋轉接頭寄回生產廠家維修的往返周期較長，我們決定自行維修?？紤]到旋轉接頭轉動軸材質為45鋼，該材質可焊性較差，焊后極易發生冷裂現象，且焊接時要進行焊前預熱，焊后要進行消除內應力處理，對于已經精加工的轉軸來說，對缺陷補焊的方式并不適合，因此我們采用少量車削的方式去除轉動軸球形密封面上的缺陷。轉動軸球面經數控車削去除0.5 mm厚度后缺陷全部消除，車削后再經過研磨，即可保證球面副的密封效果。

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

球形密封面的力學分析如圖7所示。

圖7 球形密封面受力分析

通過對密封環的軸向力分析，根據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，F2為介質壓力作用于密封環兩端面積差所產生的力，計算公式為

介質壓力作用在殼體兩端面積差所產生的力F1的計算公式為

介質膜壓產生的推開力Fm的計算公式為

式中：A為球面面積；P為介質壓力；λ為系數，取0.7[7]。

代入數據后，計算得密封環球面車削后比壓值Pc=1.7 MPa，PcV=0.06 MPa·m/s，遠小于許用值[PV]=14.73 MPa·m/s，且Pc、PcV值與切削前的數值相差不大，這也說明對密封環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 結論

對旋轉接頭處理后，重新裝配到槳葉干化機上，開機通蒸汽后，旋轉接頭運行平穩，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，為了確保旋轉接頭的密封可靠性和延長旋轉接頭的壽命，在旋轉接頭的裝配、運行與維護過程中應當特別注意以下幾點：1）在安裝旋轉接頭與槳葉軸之前，應仔細檢查旋轉接頭及相關連接件是否滿足相關標準及規范的要求，軸管旋向、口徑及法蘭等部位是重點核實對象；2）安裝時要確保旋轉接頭與槳葉軸同心，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接頭的進出口，金屬軟管應留有足夠的運動空間，使旋轉接頭能自動調節和補償，防止因旋轉接頭殼體位移受到限制而導致彈力無法得到有效補償并產生泄漏[8]；4）在旋轉接頭的安裝、運行與維護過程中要避免雜質進入接頭內部，如果條件允許，最好安裝過濾裝置，以防止異物對旋轉接頭密封面造成的異常磨損或卡死，最終導致旋轉接頭泄漏；5）避免超負荷的碰撞、敲擊或不合理拆裝旋轉接頭，以防損壞旋轉接頭的接口和內部零部件，造成密封失效和使用壽命縮短[9]；6）運行時，注意避免介質溫度及壓力提升速度過快或超過設計值，同時還應注意避免旋轉接頭空運轉現象。