臥式反應(yīng)釜攪拌軸密封結(jié)構(gòu)的研究

陳永強(qiáng)

（佛山市金銀河智能裝備股份有限公司， 廣東 佛山 528100）

引言

臥式反應(yīng)釜廣泛應(yīng)用于聚酯行業(yè)，高溫、高壓或高真空、高黏度是其3 個主要特征。臥式反應(yīng)釜內(nèi)的攪拌裝置都是在一個支承支架上，該支承支架的兩端分別支承在反應(yīng)釜的前、后圓側(cè)罩上。混合機(jī)的結(jié)構(gòu)有雙軸式、鼠籠式、單軸式等多種，如卡爾費休的鼠籠式混合機(jī)。反應(yīng)釜是聚合、脫低生產(chǎn)的核心設(shè)備，其生產(chǎn)工藝的優(yōu)劣取決于其高真空度。從實驗結(jié)果可以看出，攪拌裝置密封的可靠性和有效性是影響聚合釜、脫低釜工作性能的重要因素，需在高壓力、高真空環(huán)境下生產(chǎn)，確保產(chǎn)品的質(zhì)量。

1 常用旋轉(zhuǎn)軸密封

為了防止釜內(nèi)的介質(zhì)與釜外的大氣進(jìn)行交換，需要對旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行機(jī)械密封。常見的旋轉(zhuǎn)軸密封方法有機(jī)械密封、填料密封、骨架油封密封、螺旋密封、磁流體密封、干氣密封、刷式密封7 種，其中機(jī)械密封和骨架油封密封是較好的高溫高壓旋轉(zhuǎn)軸的密封方式。

1.1 旋轉(zhuǎn)軸密封的工作原理

旋轉(zhuǎn)軸密封是指在傳動軸旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下阻止箱體內(nèi)外油液溝通的功效，其原理是在自由狀態(tài)下，油封唇口與軸頸之間形成一條0.3 mm 左右寬的密封帶，在該環(huán)形密封內(nèi)保持一層厚約0.009 mm 的油膜，這層油膜使油封唇口與軸頸表面之間在接近“液體摩擦”的條件下工作，起到潤滑軸頸，減少油封唇口磨損的作用。唇口與軸頸之間保持薄而均勻的油膜，是油封工作的最佳狀態(tài)，在這種情況下，會有極微量的油液滲出，使唇口外側(cè)的軸頸濕潤，這雖然在外觀上會染塵，但卻是油封工作良好的標(biāo)志，不可視為故障；隨著油封唇口的磨損，其內(nèi)徑變得比軸頸的外徑大，靠自緊彈簧的彈力不足以對軸頸表面形成一定的壓力，此時油膜厚度增加，油液的滲漏量會逐漸增多，最終造成密封失效[1]。

1.2 旋轉(zhuǎn)軸密封的功能作用

旋轉(zhuǎn)軸密封可以為旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)運動提供密封與刮塵功能，主要功能是保存系統(tǒng)中的軸承或系統(tǒng)的潤滑劑，以避免泄漏；第二功能是防止外部顆粒或其他環(huán)境影響造成系統(tǒng)污染。旋轉(zhuǎn)軸密封是一種動密封，組成結(jié)構(gòu)由靜止環(huán)（靜環(huán)）、旋轉(zhuǎn)環(huán)（動環(huán)）、彈性元件、緊定螺釘、旋轉(zhuǎn)環(huán)輔助密封圈和靜止環(huán)輔助密封圈等元部件組成。7 種旋轉(zhuǎn)軸密封方法的功能分別介紹如下：

1）機(jī)械密封裝置是由至少一對垂直于旋轉(zhuǎn)軸線端面在外力（流體壓力，彈力等）的作用及輔助密封件的協(xié)作下保持緊貼且相對轉(zhuǎn)動組成的防止泄漏的裝置。

2）填料密封裝置主要靠填料來阻止釜內(nèi)介質(zhì)與釜外大氣進(jìn)行交流，填料在壓蓋的預(yù)緊力作用下與螺旋軸緊密接觸，達(dá)到密封的目的。填料密封一般都設(shè)有進(jìn)出水管，引入具有壓力的潔凈水，冷卻填料密封。填料密封裝置結(jié)構(gòu)簡單，易維護(hù)管理，當(dāng)發(fā)現(xiàn)密封處漏水過多時，稍加壓力壓緊壓蓋即可，更換填料也比較方便，但其裝置軸功率損耗大，對軸的磨損也較大，必須定期更換防磨襯套。

3）骨架油封密封裝置是在油封與軸之間存在著油封刃口控制的油膜，此油膜具有流體潤滑特性，在液體表面張力的作用下，油膜的剛度恰好使油膜與空氣接觸端形成一個新界面，防止了工作介質(zhì)的泄漏，從而實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸的密封。骨架油封廣泛應(yīng)用于真空或低壓的工作狀態(tài)。

4）螺旋密封是利用螺旋槽作為推力裝置，與釜內(nèi)介質(zhì)產(chǎn)生相互作用力，相互低消壓力，從而達(dá)到密封效果。

5）磁流體密封是利用磁場將磁液固定在密封軸的周圍，形成動態(tài)封密。

6）干氣密封是在兩個密封面上產(chǎn)生一個穩(wěn)定的氣膜，利用氣膜阻塞相對低壓的密封介質(zhì)泄漏通道，實現(xiàn)了密封效果。

7）刷式密封是由刷環(huán)和轉(zhuǎn)子通過接觸配合實現(xiàn)密封的，因此泄漏量較少。

2 臥式攪拌器軸向密封的特點

臥式反應(yīng)釜攪拌裝置與垂直反應(yīng)釜攪拌裝置的工作環(huán)境是不同的。兩個主要的不同之處：一是垂直攪拌機(jī)無論上、下裝，都是軸向受力的，而水平攪拌機(jī)的主要作用是自身的重量和附著在攪拌機(jī)圓盤上的材料的徑向載荷使得軸發(fā)生一定的彎曲受力情況，使得攪拌機(jī)的軸封結(jié)構(gòu)比立式要復(fù)雜。二是軸向密封面臨的環(huán)境不同。直立面對的氣相、液相比較單一；而水平型則是氣、液、固的混合體。這就導(dǎo)致了兩種不同的軸向密封件不能用相同的方式比較。以吉瑪、卡爾費休和日本的中紡公司的軸向密封件為例分析，3 個企業(yè)在熔體密封方面的功能是一樣的，但是它們的結(jié)構(gòu)又是不同的。卡爾費休的密封結(jié)構(gòu)是一種V 形的補(bǔ)償密封，它包括5 個V 形密封圈，V 形密封圈磨損后，因彈簧的作用，軸向壓緊，V 形開口打開，從而彌補(bǔ)了徑向磨損。但是，這種補(bǔ)償是有限度的，通常可以持續(xù)工作6 個月左右之后，填料與軸面摩擦部位的空隙會逐漸增大。另外，卡爾費休的內(nèi)部密封圈位于爐膛的另一端，也就是所謂的“迷宮”，最初的設(shè)計目的是保護(hù)熔體的安全。因設(shè)計不當(dāng)，在強(qiáng)力彈簧的作用下，三環(huán)并未形成“宮”，而是緊緊地纏在一起，三環(huán)變成了一個環(huán)。這就導(dǎo)致了輪軸的磨損。由于這3 個圓圈即使是“宮”，也起不到太大的作用，最后決定將3 個圓圈的大小統(tǒng)一為兩個圓圈。吉瑪公司的熔體密封體系以套管式間隙為主，其結(jié)構(gòu)比較簡單。套管密封件采用無接觸密封，通過軸套和軸套間的極細(xì)間隙來防止液體外泄，從而達(dá)到密封性。套管是由聚四氟乙烯制造而成，中紡公司在熔體密封中使用了雙層填料，從而保證了密封的可靠性。應(yīng)注意上述三種結(jié)構(gòu)的熔體密封體系在攪拌機(jī)運行時只能密封熔體，不能阻止氣體的流動，不能保證真空。真空的產(chǎn)生完全取決于外層的密封體系，即真空密封體系。

對于外部的真空密封，兩家公司都是采用幾種不同的唇型骨架密封件作為密封本體。日本中紡使用雙端面平衡式機(jī)械密封，造價更昂貴，但其性能更佳。內(nèi)、外密封形式各異，各有其功能，將水平攪拌機(jī)軸封所面對的問題逐個解決。卡爾費休的軸封上有一個小洞，位于最外層的密封件中間。小孔與縮聚真空裝置相連。這個孔洞的功能很重要，經(jīng)過分析，內(nèi)部的熔體密封在長時間的運轉(zhuǎn)中，不可避免地會受到損傷，因為補(bǔ)償?shù)南拗疲欢螘r間后，會有少量的材料通過內(nèi)部的密封進(jìn)入到孔洞中，然后冷卻為固態(tài)粒子，這將嚴(yán)重地威脅到真空密封。在故障停止時，罐內(nèi)的真空被破壞為小的正壓力（為了防止在生產(chǎn)中出現(xiàn)漏油的情況，為了防止過高的黏度，采用了這種方法）。此時爐膛內(nèi)的材料和氣體會從內(nèi)部的密封體內(nèi)擠壓而入。另外，當(dāng)冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障或斷電時，空腔的溫度會逐漸上升，內(nèi)部的一些物質(zhì)會分解，內(nèi)部的氣壓會逐漸上升，形成一個負(fù)壓差，最后會把所有的雜質(zhì)粒子帶到真空密封中，造成嚴(yán)重的后果。通過這個小孔，可以保證空腔內(nèi)的真空，同時也保證了左邊的第一個唇形密封存在一個正壓力的差異，這樣就能保持唇面的比壓，確保了密封的可靠性。

3 密封系統(tǒng)的冷卻和潤滑

在真空密封中，一般不能超過200 ℃的封閉環(huán)境溫度。因此，必須采取制冷降溫措施。而靜環(huán)和動環(huán)之間的摩擦力也會產(chǎn)生熱量和磨損，所以，還需要在它們之間用密封液體潤滑、冷卻和輔助密封。卡爾費休與吉瑪公司的密封裝置是典型的。前者采用循環(huán)式水冷，但因其低溫而被稱為“低溫制冷”。冷卻水分為3個部分，一個是軸內(nèi)部冷卻軸承和一個外部的真空封口，另一個是在真空和熔體之間的空腔。在熔體密封部位沒有冷卻水，所以在連接部位加了一個小孔，并與真空系統(tǒng)相連。第二股水流經(jīng)過軸內(nèi)的夾套，極大地減少了密封唇的溫度，但是軸的設(shè)計制造難度大，成本高，夾套內(nèi)的污物很難去除。吉瑪公司和卡爾費休的制冷方法有很大不同。將200 ℃的凝結(jié)水用于熔融密封，故稱高溫降溫。這主要是為了避免熔融液在熔融密封件之間的空隙處冷卻結(jié)塊，從而破壞密封。在高真空環(huán)境、100 Pa 的條件下，泄漏的方向必須始終朝向反應(yīng)釜內(nèi)部。因此，由于種種原因，熔融物很難在很大的空隙內(nèi)停留下來作為潤滑劑，同時也阻止了后面的熔融物進(jìn)入空隙。它們在使用水進(jìn)行降溫的同時，也使用了液體封口，也就是將密封液體注射到由唇狀骨架密封形成的腔體中。密封液要選擇易揮發(fā)的液體，要能與容器中的材料兼容，并且不能影響到容器的正常反應(yīng)。卡爾費休使用了EG，吉瑪使用了硅油。高位槽灌裝密封液體，即在距離攪拌軸水平方向2～3 m 處設(shè)置一個與液體腔連通的密封液體容器，使其具有一定的正壓力差。上述配套設(shè)備的完善和正常運轉(zhuǎn)是保證臥式反應(yīng)釜等攪拌設(shè)備有效、可靠、持久運作的關(guān)鍵[2]。

4 若干注意事項

1）精心安裝。尤其是在真空密封裝置上，注意對軸體與唇緣的接觸部位進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚怼４送猓炀壍姆较驊?yīng)該始終面對著潤滑劑或密封液體，并且確保正壓力差，也就是說，唇緣應(yīng)該朝向密封液體，避免密封性的損壞。

2）不管是唇型密封件，還是機(jī)械密封件，密封件都起到了很大的作用。因此，在維修時，要對液腔、密封罐和有關(guān)的管道進(jìn)行仔細(xì)的清潔，不得有任何的雜質(zhì)。在試車前3 h 內(nèi)，應(yīng)按照規(guī)定向油缸內(nèi)灌裝密封液體，以確保油液能及時滲透到摩擦表面。不要在沒有密封液體的情況下啟動攪拌機(jī)。

3）對罐內(nèi)液體高度進(jìn)行嚴(yán)格的控制，防止材料淹沒了熔體的密封，并盡可能地創(chuàng)造出一個較好的罐內(nèi)密閉環(huán)境。無論采用何種密封方式，材料的過度滲透都會使密封件提前磨損，對真空密封件造成直接的威脅。

4）在故障調(diào)試中，經(jīng)常會發(fā)生密封液體少容器產(chǎn)生氣泡，或者是密封液體滲漏的情況。這個時候需等真空系統(tǒng)開始運轉(zhuǎn)后仔細(xì)地看一下。如果正確地安裝，上述現(xiàn)象將會消除。此外當(dāng)沿著軸向推進(jìn)時，唇緣不可避免地會發(fā)生輕微的扭曲，從而影響密封的效果，導(dǎo)致密封液體的泄漏。隨著真空系統(tǒng)工作軸與唇緣間的抱力增加，逐步吻合氣泡及漏油情況將會得到改善，直至恢復(fù)正常。在此需要說明的是，不管是什么原因，都要及時地進(jìn)行密封液體的填充，以保證密封液的正常水平，不能讓液體流干。在生產(chǎn)過程中，特別是在新的密封設(shè)備運行一段時間之后，由于種種原因，導(dǎo)致密封的過早磨損、老化、變形，以至造成密封液體滲漏，無法保持密封。比如，由于冷卻水的停機(jī)時間太長，在高溫下，會引起密封件的老化、變形；密封液、雜物等雜質(zhì)會造成密封唇、機(jī)械密封端面的不正常磨損；軸承因各種原因造成大的磨耗，間隙大導(dǎo)致唇部填料，對密封造成很大的不利影響。突發(fā)停修時，要注意對軸密封系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，使各副系統(tǒng)的運行正常；反應(yīng)釜中的壓力應(yīng)該是小正壓，不能太高，最好為12 kPa。

5 攪拌軸密封性能的優(yōu)化研究

根據(jù)工況的不同，普通的軸密封可以采用液體密封、法蘭盤密封、填料密封、機(jī)械密封等多種密封方法，例如一個工程的水解反應(yīng)器，它的主要功能是亞臨界水解，并將其分解成固體燃料。該反應(yīng)釜的設(shè)計參數(shù)為：工作壓力3.2 MPa，設(shè)計壓力3.4 MPa，工作溫度24.5 ℃，設(shè)計溫度25.0 ℃。本裝置可以采用填料密封，在軸套和箱體之間填充填料（通常稱為盤根），并用壓蓋和螺絲將其壓實，從而實現(xiàn)密封。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、加工方便、安裝方便等特點，但由于填料及攪拌軸使用時間長，會產(chǎn)生磨損，導(dǎo)致物料損耗及動力損耗，并需經(jīng)常維修。也可以使用機(jī)械密封，又稱為端面密封，它的主要用途是轉(zhuǎn)動軸式密封，其機(jī)械密封性能穩(wěn)定，泄漏少（大約是填料密封的1%)，耗電低（大約是填料的用量）。可適應(yīng)高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕介質(zhì)等惡劣條件下的密封性要求，但其成本相對較高。

針對填料密封，應(yīng)從改善其磨損程度、頻繁更換等方面進(jìn)行優(yōu)化。一是選擇適當(dāng)?shù)拿芊獠牧希纾嵝允哂辛己玫臐B透性和自潤滑性，軸向壓力不會太大，而且對軸的磨損也相對較少。二是可以考慮采用復(fù)合填充法，例如將兩種不同的填充劑交替放置，分別與軸桿、箱體相接觸，從而減小了填充物與軸心的接觸面積，從而提高了摩擦力。機(jī)械密封由于其自身的特點，其自身的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢是顯而易見的，因此，在優(yōu)化方面，要從擴(kuò)大適應(yīng)性著手，進(jìn)一步完善參數(shù)。一是根據(jù)工作場所的不同，選擇合適的材料，以適應(yīng)各種用途。為延長其使用壽命，應(yīng)選用機(jī)械性能好、抗氧化、耐磨損的材質(zhì)，并盡可能選用易加工、便宜的材質(zhì)，以減少生產(chǎn)成本。二是針對不同的工作環(huán)境，選用適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)及密封體系[3]。

6 結(jié)語

對臥式反應(yīng)釜進(jìn)行軸端密封設(shè)計時，應(yīng)結(jié)合反應(yīng)釜內(nèi)介質(zhì)的特性，選用與之相兼容的密封材質(zhì)，以延長密封件的壽命，節(jié)約維護(hù)成本，提高生產(chǎn)效率。并且可考慮采用兩種或以上的密封材質(zhì)組合在一起使用，實現(xiàn)對釜內(nèi)多種介質(zhì)的密封效果。

由于軸端密封結(jié)構(gòu)屬于精密部件，設(shè)計時需考慮密封件的磨損量與密封性能的關(guān)系，保證在允許磨損量內(nèi)，密封結(jié)構(gòu)正常工作。同時，在安裝時保證各密封面的合理，以免損傷密封結(jié)構(gòu)。

在臥式反應(yīng)釜中，采用適當(dāng)?shù)拿芊饨Y(jié)構(gòu)，適當(dāng)?shù)貎?yōu)化密封結(jié)構(gòu)，提高其密封性，不僅可以減少材料損耗，而且可以改善運行環(huán)境，有效地提高設(shè)備的使用效率，節(jié)約維護(hù)成本，對環(huán)保和安全具有重要的作用。