懸臂加熱器旋轉密封墊片失效分析與處理

叢有才 李志強

摘? 要：某核電基地某型號應急柴油機在2016年更換為Coolelf乙二醇冷卻液后，陸續發現多個加熱器墊片接頭處存在黃色結晶。為消除滲漏，提高設備可靠性，通過對失效墊片的深入分析，新墊片選型，加熱器緊固力矩計算以及試驗驗證等，最終總結出一套懸臂梁結構、旋轉密封件滲漏的處理方法，并開發研制出一種新型密封墊片。

關鍵詞：加熱元件? 懸臂? 旋轉密封? 滲漏? 處理

引言：

2016年大修期間巡檢時發現2LHQ200/700RS電加熱組件接頭密封墊片外表面存在結晶，此后陸續發現同型號柴油機存在同類型結晶現象，截止2019年10月共發生同類型異常11起，本報告對歷次大修處理歷程做分析，整理密封墊片選型過程，固化經驗。

設備失效后果：冷卻液滲漏，應急電源可靠性降級。

正文

1、設備介紹

1.1加熱器簡介

在柴油機的水循環系統中，每個加熱水箱內裝有3個浸沒式電加熱器元件，見圖1。每個加熱元件由3個屏蔽的線圈環路組成，見圖1。浸沒式加熱器的功率12kW（380V）×3根，用以保證柴油機的冷卻水及潤滑油在預熱狀態，減少快速啟動時運動部件的磨損。

1.2失效現象

加熱器元件拆出后，密封墊片已分為兩層。加熱元件及原裝墊片結構特點：

◇螺紋M76×2

◇圓臺外徑91mm，內徑76mm，單邊寬7.5mm，實際承壓面寬約6mm

◇原裝墊片D95*77*2.0mm

◇材質Tesnit BA-U

1.3可能失效原因分析：

1）原密封墊片為纖維墊片，結構不夠致密，在加熱器元件安裝過程中，由于旋轉擠壓造成纖維墊片分層，介質從分層處滲漏。

2）密封面存在缺陷，墊片局部未壓實。

3）密封面整圈壓緊力小于墊片密封比壓。

4）加熱元件為懸臂安裝，在自重長時間作用下墊片上半蠕變松弛，導致墊片下半壓緊力不足。

2、失效原因深入分析及相應措施

2.1 纖維墊片換型

加熱元件為螺紋緊固安裝，密封形式為“螺紋連接墊片密封”。此種密封墊片在擰緊螺紋時，墊片不僅承受壓緊力，而且還承受剪切力，使墊片產生扭轉變形。多層粘接的纖維墊片安裝和拆卸過程中易分層，導致密封失效。拆卸的舊墊片端面有滲漏結晶物，證實了這點原因分析。

為此，將原密封墊更換為材質更致密的Garlock 5500或Bluegard 3400墊片，安裝3個月后表面仍出現結晶物。根據經驗制定緊固力矩為450N.m，仍無法消除滲漏。

2.2 密封面缺陷處理

加熱器密封面應滿足光潔度和平直度要求，受限于加工空間，第19次大修將加熱器殼體和加熱元件的法蘭面在同一臺銑床上重新找平，初始最大張口0.30mm，銑削處理后胎具檢查縫隙<0.05mm，滿足要求。經驗證明，銑削密封面改善了密封條件，但不能完全消除缺陷。

2.3 密封比壓計算

墊片比壓指單位面積壓緊力，是墊片有效密封的前提條件之一。為進一步分析多層粘接纖維墊片滲漏原因，計算墊片比壓。查閱資料兩種墊片的比壓如下：

①計算在450N.m緊固力矩時墊片所受螺栓預緊力F

擰緊力矩計算公式T=KFd

式中T-擰緊力矩，取經驗力矩450N.m

K-擰緊力矩系數

F-預緊力

d-螺紋公稱直徑，為M76（墊片內徑0.0765m）

K值取0.18-0.21，為無潤滑條件的一般加工面。

計算可知預緊力F范圍28011.2～32679.7N。

②計算兩種墊片最低預緊力FA

a）查閱資料得知：Garlock IFG 5500比壓為20.35MPa

根據公式P=F/S，推導最低預緊力FA=PS ，S為墊片接觸面積

墊片規格：D92*77*2.5

故墊片面積為S=3.14（R2-r2）=0.001989975m2

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

故Garlock IFG5500墊片最低預緊力需要40496.0N>32679.74N

故450N.m經驗力矩不滿足密封比壓要求。

b）Bluegard? 3400比壓14.5MPa，根據公式P=F/S，推導最低預緊力

FA=PS=28854.7N<29411.7N，故K小于0.20時450N.m力矩滿足密封比壓要求。

由于加熱器殼體為薄壁焊接件，增加擰緊力矩可能導致結構受損，因此未繼續增加擰緊力矩。

2.4 懸臂加熱器元件受力分析

加熱元件長約55cm，自重2.7kg，由于懸臂安裝，導致密封墊片上下受力不均，長時間使用后因6點鐘方向預緊力不足導致密封不嚴。

2.7kg×10N/kg×0.55m÷2=F2×r

計算加熱器螺紋支撐自重需要的力F2=195.4N

小結：F2遠小于加熱元件緊固力F，自身重量對減弱擰緊里的影響可以忽略。

針對上述分析，設計金屬外環+密封內環的組合墊片，并做力學分析。外圈均為316L不銹鋼金屬環+內圈由氟橡膠或三元乙丙橡膠或Supranite PG AC F改性四氟乙烯墊片制成的3種型號墊片。

金屬環外徑92mm，內徑85mm。

橡膠圈或改性四氟乙烯環外徑85mm，內徑78mm。

查詢機械設計手冊，加熱器殼體為Q235碳鋼，屈服強度≥235MPa;316L不銹鋼金屬墊片屈服強度≥177MPa。

1）計算金屬墊片性能

根據T=KFd，計算出F≈30，000N。其中

T：450N.m，經驗擰緊力矩

K-擰緊力矩系數，取0.2

d-螺紋公稱直徑M76（墊片內徑取0.0765m）

公式： ，其中

P：壓強Pa

F：緊固力N

S：墊片接觸面積㎡

1、計算該尺寸墊片金屬環壓強

按經驗力矩450N.m計算墊片金屬環壓強，

=30.2MPa

小結：按450N.m力矩緊固的壓強為30.2 MPa，小于316L不銹鋼和Q235碳鋼的屈服強度，因此不會發生塑性變形。

2）橡膠墊片密封性能

考慮法蘭、及金屬墊變形問題，不銹鋼墊厚度選2-3mm為宜。當金屬外環選用3mm厚度時，橡膠墊內環厚度選4mm，此時壓縮率25%，符合壓縮量5-30%的經驗值;當內環選用4mm厚的Supranite PG AC F 墊片時，同樣符合需求，但是長期使用的補償性能下降，故最終選型氟橡膠的外金屬環墊片，無內齒，添加粘接劑保證橡膠與金屬骨架的粘接強度。

1.1分析結論

綜上分析：氟橡膠+外金屬環的組合墊經過2個月的離線驗證，沒有發生滲漏，橡膠面完整，無壓潰現象;外金屬環無壓痕。從橡膠使用經驗看，2個月的驗證時間能有效檢驗使用效果，表明研制的組合墊產品能滿足現場需求。

結論：外金屬環+氟橡膠圈的組合墊片能保證初始安裝時結構不受損傷，也能保證長期使用的密封能力，是此種懸臂梁結構的最佳密封方案。

參考文獻：

[1]《機械設計手冊第六版》第二卷 成大先 主編

[2]Bluegard 3400、GARLOCK IFG5500官網資料96862D56-FDF5-4753-81A7-231428C3ED31