桨叶干化机旋转接头泄漏分析与处置

唐志超，樊文红，王振华，李恩群

（重庆耐德沙微谷环保设备有限公司，重庆 401121）

0 引言

桨叶干化机是一种效能较高的污泥干化设备，其壳体内安装带有楔形盘的中空桨叶轴，桨叶轴内部通过旋转接头源源不断地通入饱和蒸汽，利用间接热传导的方式干化湿污泥，蒸汽在释放汽化潜热后转变为凝结水，再通过旋转接头的虹吸管排出桨叶轴。旋转接头蒸汽泄漏或者凝结水不能及时通过旋转接头排出桨叶轴外，都会使得设备的烘干温度上不去，导致污泥烘干产能达不到设计值，严重的甚至会烧坏减速电动机，造成设备停运。由此可见，旋转接头是桨叶干化机最为关键的设备之一，其运行状况的好坏，会直接影响到桨叶干化机的污泥烘干效果。桨叶轴及旋转接头结构如图1所示。

图1 桨叶轴及旋转接头

1 存在的问题

广东某污泥“三合一”无害化处理项目设计处理污泥规模为300 t/d，待处理污泥含水率约为80%，污泥干化后要求含水率不超过40%，处理后的污泥与生活垃圾一起进行掺烧，污泥干化热源为垃圾焚烧炉产生的高温蒸汽。该污泥无害化处理项目共采用3台MSD-240型桨叶干化机作为污泥干化主机设备，单台设备最大日处理量为120 t，桨叶干化机工况参数如表1所示。

表1 桨叶干化机工况参数

旋转接头按使用方式分为单向、双向、双向内管固定式和双向内管旋转式，按密封结构形式分为平面密封、球面密封和柱面弹性体密封3种[1]。该项目每台桨叶干化机配置了4个NCFZ型日本生产的双向内管固定式球面密封旋转接头，项目一共配置12个旋转接头，旋转接头的使用条件如表2所示。

表2 旋转接头使用条件

当初选用该进口NCFZ型双向内管固定式球面密封旋转接头的主要原因是其具有如下几个优点：1）结构简单，安装方便，不需要润滑；2）耐高温，耐压力波动性能好；3）具有自动调心、自动补偿功能[2]；4）石墨轴承间距大，提高了接头和虹吸管的支撑效果[3]。

设备开机调试过程中却发现12个旋转接头中有2个旋转接头的转动轴与壳体缝隙位置存在蒸汽轻微泄漏的情况，故障率为16.7%，且2个泄漏的旋转接头分布在2台桨叶干化机设备中，导致这2台桨叶干化机无法正常投产，严重影响此项目的整体完工投产进度。旋转接头蒸汽泄漏位置如图2所示。

图2 旋转接头漏气位置图

2 问题分析

经查阅相关文献资料，总结出旋转接头常规蒸汽泄漏原因主要有以下几点：1）超限值运转。旋转接头在实际使用压力、温度或转速超过最大设计值的情况下超限值运转，造成旋转接头损坏而蒸汽泄漏。2）安装不同心。旋转接头的转动轴和壳体在安装时不同心，会造成旋转接头内部密封面磨损不均，从而导致蒸汽泄漏[4]。3）易损件寿命到期。由于长时间运行，旋转接头的密封环等易损件由于磨损达到使用寿命，若不及时更换，就会导致旋转接头蒸汽泄漏[5]。4）异物进入旋转接头内部。杂质或铁屑等异物进入到旋转接头内部的密封面后，会使得密封面失效，从而导致旋转接头蒸汽泄漏[6]。

由于桨叶干化机及旋转接头刚开始进入调试运行阶段，并不存在易损件长时间运行造成磨损漏气的情况，而且我们是严格按照说明书进行安装与使用，因此，我们排除了上述1）～3）的3种旋转接头蒸汽泄漏情况，初步判断原因为蒸汽管道吹扫不干净，杂质或铁屑等异物随蒸汽进入旋转接头内部，造成密封面失效，从而导致蒸汽泄漏。设备停机后，我们将旋转接头拆下，对其进行了拆解并对结构图进行了绘制，旋转接头结构如图3所示。

图3 旋转接头结构图

由图3可知，其工作原理是：通过弹簧产生的轴向力，将转动轴、密封环及壳体压紧，因此密封环与转动轴配合的球形密封面及密封环与壳体1配合的端面密封面是两个关键密封面，直接关系到蒸汽密封效果，这两个关键密封面中任意一个失效，都会导致蒸汽泄漏。因此，我们对这3个零件及2个密封面进行了仔细检查。检查后发现，虽然转动轴及壳体部分位置存在锈蚀及石墨覆盖的情况，但并未发现2个密封面存在明显异物及拉痕，检查情况如图4、图5所示。

图4 转动轴球形密封面及壳体底部密封面无异物及拉痕

图5 密封环球形密封面及平面密封面无异物及拉痕

图6 2个转动轴球形密封面均存在多处缺陷

我们对旋转接头的零部件简单清理后进行了回装，设备通蒸汽运行后发现，这2个旋转接头的蒸汽泄漏情况依然存在，因此也排除了由于“异物进入旋转接头内部”导致旋转接头蒸汽泄漏的情况。由于该项目是广东省重点项目及当地民生工程，综合考虑到工期等因素，我们先对存在蒸汽泄漏的2个旋转接头用备用旋转接头进行了替换，替换后桨叶干化机及旋转接头运行正常，不存在漏气等情况，项目及时竣工投产。对替换下来的旋转接头，我们进行了二次拆解，并对拆解下来的转动轴密封面的石墨附着位置进行了仔细清理及打磨。清理打磨后检查发现，这2个旋转接头的转动轴球面密封面均存在多处缺陷，缺陷情况如图5所示。

最终我们得出结论，这2个旋转接头主要是由于转动轴本身的铸造缺陷而造成的密封面失效，最终造成蒸汽泄漏。这个结论是我们最初没有预料到的，从企业角度讲，降低成本、提高利润无可厚非，但是制造商在生产制造过程中应当加强质量检验，提高产品品质，不能让不合格品最终流入到客户手中，造成不必要的经济损失。

3 处置方案

受疫情影响，旋转接头寄回生产厂家维修的往返周期较长，我们决定自行维修。考虑到旋转接头转动轴材质为45钢，该材质可焊性较差，焊后极易发生冷裂现象，且焊接时要进行焊前预热，焊后要进行消除内应力处理，对于已经精加工的转轴来说，对缺陷补焊的方式并不适合，因此我们采用少量车削的方式去除转动轴球形密封面上的缺陷。转动轴球面经数控车削去除0.5 mm厚度后缺陷全部消除，车削后再经过研磨，即可保证球面副的密封效果。

同时，由于转动轴与密封环的球形密封面实际密封宽度只有4 mm，密封面积较小，因此我们将密封环的球面厚度也数控车削了0.5 mm，通过增大密封面积的方式来保证密封效果。由于密封环的球形密封面积的改变，我们对该密封面的比压进行了核算。

球形密封面的力学分析如图7所示。

图7 球形密封面受力分析

通过对密封环的轴向力分析，根据轴向力平衡的原则可得

因此，球形密封面的端面比压Pc的计算公式为

式中，F2为介质压力作用于密封环两端面积差所产生的力，计算公式为

介质压力作用在壳体两端面积差所产生的力F1的计算公式为

介质膜压产生的推开力Fm的计算公式为

式中：A为球面面积；P为介质压力；λ为系数，取0.7[7]。

代入数据后，计算得密封环球面车削后比压值Pc=1.7 MPa，PcV=0.06 MPa·m/s，远小于许用值[PV]=14.73 MPa·m/s，且Pc、PcV值与切削前的数值相差不大，这也说明对密封环球形密封面的适量切削并不会对其性能造成很大的影响。

4 结论

对旋转接头处理后，重新装配到桨叶干化机上，开机通蒸汽后，旋转接头运行平稳，无蒸汽泄漏及异响等情况，说明我们的处置方式是合理有效的。同时，为了确保旋转接头的密封可靠性和延长旋转接头的寿命，在旋转接头的装配、运行与维护过程中应当特别注意以下几点：1）在安装旋转接头与桨叶轴之前，应仔细检查旋转接头及相关连接件是否满足相关标准及规范的要求，轴管旋向、口径及法兰等部位是重点核实对象；2）安装时要确保旋转接头与桨叶轴同心，防止因偏心造成的密封面异常磨损；3）需采用金属软管连接旋转接头的进出口，金属软管应留有足够的运动空间，使旋转接头能自动调节和补偿，防止因旋转接头壳体位移受到限制而导致弹力无法得到有效补偿并产生泄漏[8]；4）在旋转接头的安装、运行与维护过程中要避免杂质进入接头内部，如果条件允许，最好安装过滤装置，以防止异物对旋转接头密封面造成的异常磨损或卡死，最终导致旋转接头泄漏；5）避免超负荷的碰撞、敲击或不合理拆装旋转接头，以防损坏旋转接头的接口和内部零部件，造成密封失效和使用寿命缩短[9]；6）运行时，注意避免介质温度及压力提升速度过快或超过设计值，同时还应注意避免旋转接头空运转现象。