化工設備密封面現場快速修復工具的設計及應用

陽巧玲

（湖南智成化工有限公司，湖南株洲412005）

1 密封面的修復現狀

密封管理是化工企業設備管理的重要組成部分，在生產中，一旦發生泄漏，輕則浪費原料、能源，重則影響生產或使整個系統停產。化工維修工作中與泄漏有關的維修工作占總工作量的65%以上。由于化工生產具有連續性，一個崗位工藝條件的正常與否，會直接影響到工藝流程中下一崗位的正常操作，如果由于某種要求需要到現場快速直接對構件的密封面進行修理，而現場構件的密封面朝向各異：有水平向上的，有垂直的、有傾斜一定角度的、有水平向下的。要在生產現場直接修理這些看似不顯眼的密封面，需要維修人員付出很長的研磨修理時間或巨大的體能消耗。有些關鍵件的密封面問題還會導致對設備進行被動大中修，維修工作量成倍增加。為了加強和規范設備管理，我們需要設計一種快捷的維修工具來解決這類看似簡單的問題。

2 密封面快速修復工具設計

2.1 人工研磨的局陷性與設計思路

圖1 用研具研磨平面

研磨工作中，人工研磨是化工維修人員經常采用的研磨方法，如圖1所示。圖中采用的方法主要針對于截止閥、止回閥和安全閥。修理這些閥門可以直接將閥盤與閥座相互研磨，也可以如圖1所示使用專門的研磨工具進行研磨。這種簡單的工具有如下缺點：（1）修理效率低，一般適合水平向上的密封面的修理。（2）如果需要在垂直平面上進行修理，必須保證磨具與修理面貼合，這就需對丁字扳手施加兩個作用力，一個垂直于密封面上的力，該力的大小等于或大于磨具和丁字扳的重力；另一個用于磨削的旋轉力。由于這兩種力是由維修人員的雙手提供，因其修理效率低，所需消耗的體能很大，且用雙手很難保證磨具與修理面貼合。

從上述簡單的修理工具的使用過程可以看出，我們要解決兩個關鍵性的問題：一是提高修理效率，控制磨具速度；二是控制作用力的方向，保證雙手傳遞的力始終垂直于修理密封平面，使磨具與修理面保持貼合。

2.2 密封面現場快速修復工具的設計

該快修工具是利用萬向頭原理，對萬向頭兩端連接進行改造，并對萬向頭旋轉角度進行適當限制，以手電鉆為動力，采用各種成型磨盤或磨頭進行設計制作的手工電動研磨工具，可廣泛用于公司各種密封面的現場快速修理。具體說明如下：

2.2.1 磨具速度控制

磨削的主運動是磨具的旋轉運動，要提高磨削效率，最簡單的方法是提高磨具旋轉速度。據此思路，筆者將圖1中的丁字扳手改為手電鉆夾持柄，利用常用的手電鉆就可以簡單地提高磨具的轉速。手電鉆的規格型號較多，為了充分利用資源，設計中選擇公司使用數量較多的D21101的大扭矩電鉆，其參數見表1。該手電鉆具有調速功能，我們將連接桿夾持柄的尺寸定為12.5mm。

表1 電鉆主要參數表

2.2.2 作用力的控制

我們先忽略磨具的旋轉運動，假定磨具在密封面上固定不動，人手施加給磨具的力通過連接桿傳遞給磨具，由于人手施力的方向不確定，如果磨具與連接桿是剛性垂直連接，在這種力的作用下，磨具就會與密封平面產生一定角度的偏斜，這就是磨具與修理密封平面不能保證貼合的原因。我們再假設磨具與連接桿之間采用活動的球面連接，連接桿上的力沿著連接桿傳遞到活動球面上，如果這個力不垂直于密封平面，它與密封平面垂線的夾角為α，這個力通過活動球面，可分解為一個垂直于密封平面的分力F1和一個平行于密封面的分力F2，如圖2所示，F1能保證磨具與密封平面始終貼合。平行于密封面的分力F2會使磨盤沿密封平面移動，F2=F/sinα，由于F力是人手施加的，方向不確定，這個分力會始終存在，F2的存在有它的好處，好比我們在研磨平臺上走8字，用以保證修磨平面的平整。但這個F2我們還必須進行控制，當F2過大時，磨盤會運動到修磨平面之外，由于修理空間的限制阻擋，我們的雙手會產生劇烈的振動。根據實地測試，我們將α角控制在6°左右，使人手的擺動幅度控制在12°左右的圓錐空間之內，就能很好地控制研磨的平穩。

圖2 密封面受力圖

2.2.3 工具部件介紹

由于磨削運動的主運動是磨具磨盤的旋轉運動，這個活動點還必須傳遞手電鉆的旋轉運動給磨盤，我們采用萬向頭來實現這一要求。最終設計的現場密封面快速修復工具如圖3所示。

圖3

（1）磨盤或磨頭

采用M16×1.5螺紋與萬向頭連接。對于最大外圓直徑小于100mm磨頭，材料優先選用耐磨性能良好的灰口鑄鐵，對于最大外圓尺寸大于100mm的磨盤一般可采用A3鋼板制作。它的工作表面根據構件密封面形式確定。

在設計磨盤或磨頭時，還應考慮磨盤或磨頭的轉動慣量。根據轉動慣量公式：I=∑miri

可知剛體的質量越大，或質量分布離轉軸越遠，則轉動慣量越大；反之越小。由于是手工操作，磨盤或磨頭的轉動慣量應設計得盡可能小些。我們根據現場的使用情況，將磨盤或磨頭的重量控制在3kg左右，最大外圓直徑控制在200mm左右，基本能滿足化工現場修理密封面的大部分要求。

（2）萬向頭組件

圖4

如圖4所示，該組件兩十字頭銷與十字頭為間隙配合，與上下部為過盈鉚合。十字頭與上、下部兩端面留有0.10～0.15mm左右的間隙，保證上下部轉動靈活。手電鉆的旋轉力通過兩十字頭銷將力傳遞給磨盤，圖示中十字頭銷3是此構件中強度最薄弱的地方。由于磨削負荷較小，查GB/T1243.1-1983，選用鏈號為10A的滾子鏈連接銷軸（主要參數見表2），十字頭上部用M16×1.5的螺紋連接萬向頭限位套。

表2 滾子鏈主要參數

（3）萬向頭限位套

以連接桿為參照物，磨盤在以十字頭為圓心的任意方向自由擺動，由于十字頭的結構與理論上的球面有差別，如果擺動的幅度過大，在F力的作用下，磨頭或連接桿的球面運動軌跡會發生破壞。因人手的擺動幅度能很好地控制在12°左右的圓錐空間之內，我們相應地將磨頭或連接桿的活動范圍控制在12°的圓錐之內。擺動幅度由限位套的內壁與十字頭下部的間隙控制，可用車削來進行調整，我們將單邊間隙控制在2～2.5mm左右。萬向頭限位套還起到防止十字頭銷脫出和固定連接桿的作用。

（4）連接桿

連接桿的長度應根據待修密封面到構件外輪廓線的深度選擇。連接桿過長時，可在桿上增加一尼龍活動套，方便用手把持。

為了節約成本，該工具以上零件選用35鋼制作。因手電鉆的旋轉方向為順時針方向，同我們緊固螺紋的方向一致，采用右旋螺紋可以起到防松作用。

3 工具的使用方法及操作中注意事項

3.1 工具使用方法

該工具的使用方法同平常用的人工研磨方法相似。首先檢查密封面表面情況，根據密封面形式及最大外圓尺寸選用備用磨盤。修理時，首先將待修理密封面清理干凈，在密封面上涂抹一層研磨劑，滴幾滴稀濃度機油。其工作原理是借助于兩研磨面的相對運動，實現研磨面上的微切削作用。先進行粗磨，查JB2477-81，粗磨時使用顆粒較大的研磨劑，一般選用120#～180#粒度的研磨劑，快速磨去有缺陷的表面。經清洗后，再換用顆粒較小的研磨劑，進行細磨，一般選用240#～W28#進行細磨。研磨劑的顆粒大小與粒度號數見表3。

表3 研磨劑的粒度與尺寸

研磨劑是磨料與研磨液的混合物，常用的磨料有剛玉粉（Al2O3）、碳化硅（SiC）、碳化硼（B4C）、金剛石粉等。常用的研磨液是10#機油與煤油的混合物。在快修工具的應用中，由于磨盤受軸向的旋轉力且轉速相對較高，發熱量較大，我們可選用46#機油作為研磨液，防止在磨削中燒損密封面。

經過細研后，應將被研磨面清洗干凈，觀察密封面，如果被研磨面是呈現灰白色、完整而不間斷的、均勻的、圓環型的研磨線，則研磨工作完成。對于要求較高的密封面，還應采用手工精研，直到密封平面對光呈現出淡紅色的鏡面為止。

3.2 實際操作中的注意事項

（1）手電鉆的電源應裝有漏電保護器。

（2）由于磨具轉速相對較快，作用在磨具上的軸向力F不應過大，但必須保證磨具與密封面可靠貼合。研磨2～3min后應對密封面進行檢查，防止密封面燒損。缺陷去除后應及時更換細顆粒研磨劑進行一次細磨。如果有高于密封平面的焊疤等雜質，應先鏟除且微微低于密封平面后，再進行研磨，防止密封平面偏磨。

（3）使用中如果發現振動過大，可停機調整好手電鉆的轉數或雙手的對中位置。

（4）對于直徑較大的密封面，可以采用調低手電鉆轉數的方法達到操作要求。

4 實際運用效果

工具制作好后，進行實地測試，一般損壞的密封面在5～20min內都能快速修好。

壓縮機閥座密封面的修復實例：我公司尿素分廠5#CO2壓縮機（型號：4M12-55/220）由于四段缸進口閥座密封面被沖蝕損壞，造成三段缸嚴重超壓，該機無法正常運轉。其缸體材質為35鑄鋼，出口工作壓力為9.8MPa，其進口密封面垂直于水平面，經過多次手工研磨，由于局部沖蝕痕跡過深（約0.25～0.35mm），無法解決三段缸超壓問題，后采取加紫銅墊進行密封處理，因為缸內密封面內外壓差過大，紫銅墊運行16～24h左右就失去效果，并加劇密封面的沖蝕。如果不拆下缸體上鏜床加工，就必須進行重復檢修，而拆下缸體送去鏜床加工，需要4～5人3天左右的工作時間。通過采用快速修復工具，在短短十幾分鐘內便能將缺陷進行修復。

該工具制作經濟簡單，操作使用方便，可廣泛用于化工生產現場中的各種規格的閥門關閉件的密封面、高壓管件透鏡墊密封面、活塞式高壓機的氣缸閥座密封面等的全方位快速修理。

［1］ 濮良貴，紀名剛.機械設計［M］.北京：高等教育出版社，2001.