悬臂加热器旋转密封垫片失效分析与处理

丛有才 李志强

摘  要：某核电基地某型号应急柴油机在2016年更换为Coolelf乙二醇冷却液后，陆续发现多个加热器垫片接头处存在黄色结晶。为消除渗漏，提高设备可靠性，通过对失效垫片的深入分析，新垫片选型，加热器紧固力矩计算以及试验验证等，最终总结出一套悬臂梁结构、旋转密封件渗漏的处理方法，并开发研制出一种新型密封垫片。

关键词：加热元件  悬臂  旋转密封  渗漏  处理

引言：

2016年大修期間巡检时发现2LHQ200/700RS电加热组件接头密封垫片外表面存在结晶，此后陆续发现同型号柴油机存在同类型结晶现象，截止2019年10月共发生同类型异常11起，本报告对历次大修处理历程做分析，整理密封垫片选型过程，固化经验。

设备失效后果：冷却液渗漏，应急电源可靠性降级。

正文

1、设备介绍

1.1加热器简介

在柴油机的水循环系统中，每个加热水箱内装有3个浸没式电加热器元件，见图1。每个加热元件由3个屏蔽的线圈环路组成，见图1。浸没式加热器的功率12kW（380V）×3根，用以保证柴油机的冷却水及润滑油在预热状态，减少快速启动时运动部件的磨损。

1.2失效现象

加热器元件拆出后，密封垫片已分为两层。加热元件及原装垫片结构特点：

◇螺纹M76×2

◇圆台外径91mm，内径76mm，单边宽7.5mm，实际承压面宽约6mm

◇原装垫片D95*77*2.0mm

◇材质Tesnit BA-U

1.3可能失效原因分析：

1）原密封垫片为纤维垫片，结构不够致密，在加热器元件安装过程中，由于旋转挤压造成纤维垫片分层，介质从分层处渗漏。

2）密封面存在缺陷，垫片局部未压实。

3）密封面整圈压紧力小于垫片密封比压。

4）加热元件为悬臂安装，在自重长时间作用下垫片上半蠕变松弛，导致垫片下半压紧力不足。

2、失效原因深入分析及相应措施

2.1 纤维垫片换型

加热元件为螺纹紧固安装，密封形式为“螺纹连接垫片密封”。此种密封垫片在拧紧螺纹时，垫片不仅承受压紧力，而且还承受剪切力，使垫片产生扭转变形。多层粘接的纤维垫片安装和拆卸过程中易分层，导致密封失效。拆卸的旧垫片端面有渗漏结晶物，证实了这点原因分析。

为此，将原密封垫更换为材质更致密的Garlock 5500或Bluegard 3400垫片，安装3个月后表面仍出现结晶物。根据经验制定紧固力矩为450N.m，仍无法消除渗漏。

2.2 密封面缺陷处理

加热器密封面应满足光洁度和平直度要求，受限于加工空间，第19次大修将加热器壳体和加热元件的法兰面在同一台铣床上重新找平，初始最大张口0.30mm，铣削处理后胎具检查缝隙<0.05mm，满足要求。经验证明，铣削密封面改善了密封条件，但不能完全消除缺陷。

2.3 密封比压计算

垫片比压指单位面积压紧力，是垫片有效密封的前提条件之一。为进一步分析多层粘接纤维垫片渗漏原因，计算垫片比压。查阅资料两种垫片的比压如下：

①计算在450N.m紧固力矩时垫片所受螺栓预紧力F

拧紧力矩计算公式T=KFd

式中T-拧紧力矩，取经验力矩450N.m

K-拧紧力矩系数

F-预紧力

d-螺纹公称直径，为M76（垫片内径0.0765m）

K值取0.18-0.21，为无润滑条件的一般加工面。

计算可知预紧力F范围28011.2～32679.7N。

②计算两种垫片最低预紧力FA

a）查阅资料得知：Garlock IFG 5500比压为20.35MPa

根据公式P=F/S，推导最低预紧力FA=PS ，S为垫片接触面积

垫片规格：D92*77*2.5

故垫片面积为S=3.14（R2-r2）=0.001989975m2

FA=PS=20350000Pa*0.001989975m2=40496.0N

故Garlock IFG5500垫片最低预紧力需要40496.0N>32679.74N

故450N.m经验力矩不满足密封比压要求。

b）Bluegard  3400比压14.5MPa，根据公式P=F/S，推导最低预紧力

FA=PS=28854.7N<29411.7N，故K小于0.20时450N.m力矩满足密封比压要求。

由于加热器壳体为薄壁焊接件，增加拧紧力矩可能导致结构受损，因此未继续增加拧紧力矩。

2.4 悬臂加热器元件受力分析

加热元件长约55cm，自重2.7kg，由于悬臂安装，导致密封垫片上下受力不均，长时间使用后因6点钟方向预紧力不足导致密封不严。

2.7kg×10N/kg×0.55m÷2=F2×r

计算加热器螺纹支撑自重需要的力F2=195.4N

小结：F2远小于加热元件紧固力F，自身重量对减弱拧紧里的影响可以忽略。

针对上述分析，设计金属外环+密封内环的组合垫片，并做力学分析。外圈均为316L不锈钢金属环+内圈由氟橡胶或三元乙丙橡胶或Supranite PG AC F改性四氟乙烯垫片制成的3种型号垫片。

金属环外径92mm，内径85mm。

橡胶圈或改性四氟乙烯环外径85mm，内径78mm。

查询机械设计手册，加热器壳体为Q235碳钢，屈服强度≥235MPa;316L不锈钢金属垫片屈服强度≥177MPa。

1）计算金属垫片性能

根据T=KFd，计算出F≈30，000N。其中

T：450N.m，经验拧紧力矩

K-拧紧力矩系数，取0.2

d-螺纹公称直径M76（垫片内径取0.0765m）

公式： ，其中

P：压强Pa

F：紧固力N

S：垫片接触面积㎡

1、计算该尺寸垫片金属环压强

按经验力矩450N.m计算垫片金属环压强，

=30.2MPa

小结：按450N.m力矩紧固的压强为30.2 MPa，小于316L不锈钢和Q235碳钢的屈服强度，因此不会发生塑性变形。

2）橡胶垫片密封性能

考虑法兰、及金属垫变形问题，不锈钢垫厚度选2-3mm为宜。当金属外环选用3mm厚度时，橡胶垫内环厚度选4mm，此时压缩率25%，符合压缩量5-30%的经验值;当内环选用4mm厚的Supranite PG AC F 垫片时，同样符合需求，但是长期使用的补偿性能下降，故最终选型氟橡胶的外金属环垫片，无内齿，添加粘接剂保证橡胶与金属骨架的粘接强度。

1.1分析结论

综上分析：氟橡胶+外金属环的组合垫经过2个月的离线验证，没有发生渗漏，橡胶面完整，无压溃现象;外金属环无压痕。从橡胶使用经验看，2个月的验证时间能有效检验使用效果，表明研制的组合垫产品能满足现场需求。

结论：外金属环+氟橡胶圈的组合垫片能保证初始安装时结构不受损伤，也能保证长期使用的密封能力，是此种悬臂梁结构的最佳密封方案。

参考文献：

[1]《机械设计手册第六版》第二卷 成大先 主编

[2]Bluegard 3400、GARLOCK IFG5500官网资料96862D56-FDF5-4753-81A7-231428C3ED31