淺談預(yù)灰桶攪拌器軸封的選擇

金亞男，王 琨，王曉茸

(中國成達(dá)工程有限公司，四川 成都 610041)

預(yù)灰桶是氨堿法制堿工藝中的重要設(shè)備，其主要作用是把預(yù)熱母液及石灰乳在桶內(nèi)進(jìn)行充分混合反應(yīng)，含氨尾氣通過頂部管道送回母液蒸餾塔的預(yù)熱段，混合后的預(yù)灰乳進(jìn)入母液蒸餾塔進(jìn)行后續(xù)蒸餾操作。生產(chǎn)中的預(yù)灰桶通常采用帶攪拌的立式圓筒形結(jié)構(gòu)。對于大型氨堿裝置，筒體及框式攪拌器尺寸通常較大。預(yù)灰桶內(nèi)存在氨氣、水汽、石灰乳介質(zhì)，操作溫度較高，攪拌軸的良好密封性能對設(shè)備安全可靠運(yùn)行具有重要的作用。

本文針對預(yù)灰桶可采用的幾種攪拌器軸封形式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行探討和分析，以期能為用戶選擇提供參考。

1 水銀箱密封

水銀箱密封是預(yù)灰桶攪拌的傳統(tǒng)軸封結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 水銀箱密封結(jié)構(gòu)圖

該結(jié)構(gòu)利用水銀比重大的特性，通過在水銀箱中水銀高度差對預(yù)灰桶內(nèi)實(shí)現(xiàn)密封。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，造價低，固定部分與轉(zhuǎn)動軸無接觸，對于攪拌器晃動容忍度較高。

缺點(diǎn)有以下幾方面：

1)為保證有效密封，水銀箱尺寸較大，占用空間大，增加預(yù)灰桶高度。

2)水銀有毒，一旦系統(tǒng)超壓水銀會逸出，影響環(huán)境。而預(yù)灰桶與母液蒸餾塔相連，蒸汽系統(tǒng)不穩(wěn)定，操作不當(dāng)短時超壓現(xiàn)象經(jīng)常會發(fā)生，造成攪拌器外面水銀散落，處理困難。

2 填料密封

填料密封是一種傳統(tǒng)的壓蓋密封，可用于大型填料函和重載的場合。它靠壓蓋產(chǎn)生壓緊力，從而壓緊填料，迫使填料壓緊在密封表面(軸的外表面和密封腔)上，產(chǎn)生密封效果的徑向力，因而起密封作用。

圖2 填料密封結(jié)構(gòu)圖

填料密封結(jié)構(gòu)簡單，操作維修方便，成本低廉。對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的軸允許有軸向竄動。不足之處在于軸不允許有較大的徑向跳動，消耗功率大，密封可靠性差。在本設(shè)備介質(zhì)條件下對軸或軸套磨損較嚴(yán)重，使用壽命短。使用過程中往往發(fā)生氨氣及水汽沿填料密封泄漏，不僅污染環(huán)境，對生產(chǎn)成本也造成比較大的浪費(fèi)。

3 機(jī)械密封

機(jī)械密封是一種比較成熟的密封方式，能滿足多種工況要求，在石化等部門廣泛應(yīng)用。機(jī)械密封通常由四個密封組合而成：

A.動環(huán)與靜環(huán)之間的密封——動密封

B.動環(huán)與軸(軸套)之間的密封——相對靜密封

C.靜環(huán)與靜環(huán)座之間的密封——靜密封

D.靜環(huán)座(壓蓋)與設(shè)備之間的密封——靜密封

通過上述幾種密封方式的組合，機(jī)械密封的密封性好，性能穩(wěn)定，泄漏量少，摩擦功耗低，對軸磨損很小。機(jī)械密封端面磨損后可自動補(bǔ)償，一般情況下，毋需經(jīng)常性的維修，抗振性好，對旋轉(zhuǎn)軸的振動、偏擺以及軸對密封腔的偏斜不敏感。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造精度高、價格較貴、維修不方便。

針對預(yù)灰桶微正壓操作和攪拌器轉(zhuǎn)速低的特點(diǎn)，我們選擇了雙端面機(jī)械密封。

雙端面機(jī)械密封結(jié)構(gòu)如圖3所示。雙端面機(jī)械密封有兩道端面密封，密封材料介質(zhì)側(cè)為四氟材料包覆全氟醚，外側(cè)為氟橡膠。一級密封圈防止介質(zhì)進(jìn)入密封裝置，二級密封圈在密封環(huán)的端面上產(chǎn)生一個適當(dāng)?shù)谋葔?壓緊力)，使兩個接觸端面(動環(huán)、靜環(huán)端面)相互緊密貼合，并在兩端面間極小的間隙中維持一層極薄的液膜，從而達(dá)到密封的目的。雙端面密封需要外供密封液系統(tǒng)，向密封腔內(nèi)引入密封液進(jìn)行堵封、潤滑和冷卻，且多為循環(huán)冷卻使用。考慮到密封液有微量內(nèi)漏的可能，建議選用水作為密封液。密封液不僅可以沖洗摩擦和改善機(jī)械密封工作環(huán)境，還可以作為一級密封面是否失效的重要檢測手段。

圖3 雙端面機(jī)械密封結(jié)構(gòu)圖

4 磁性液體密封

磁性液體旋轉(zhuǎn)密封是一種新型密封,是利用磁鐵、導(dǎo)磁極靴與導(dǎo)磁軸套之間形成旋轉(zhuǎn)磁場回路，從而將磁性液體牢牢地吸附在極靴尖端和軸套之間，形成類似“O”形環(huán)狀的流體環(huán)，將間隙完全堵住，達(dá)到密封目的。其原理如圖4。

(1)極靴傳遞磁力，極靴尖端的極齒寬度為0.2～0.4 mm，兩個極齒的間隙為1.5～2 mm。(2)磁性液體處的間隙為0.1～1 mm，單個磁性液體環(huán)能承受0.05～0.01 MPa，過增加級數(shù)增加整體耐壓能力。(3)軸(軸套)為導(dǎo)磁材料，在高腐蝕性情況通過表面噴涂PTFE或金屬實(shí)現(xiàn)耐腐蝕。(4)永磁鐵選用燒結(jié)釹鐵硼永磁鐵矯頑力HcJ達(dá)到1 114 kA/m。圖4 磁性液體密封原理圖

磁性液體是一種新型納米功能材料。由3～5納米的磁性顆粒、表面活性劑和基載液組成。基載液一般為合成油類、硅油類、氟醚類。磁性液體在磁場中具有磁性，對磁場響應(yīng)；在非磁場中，就沒有磁性，是一種超順磁液體智能材料。

圖5 磁性液體在磁場中形態(tài)圖

磁性液體密封特點(diǎn)：

密封間隙被磁性液體填充，利用磁場力，磁性液體能夠承受來自介質(zhì)側(cè)的壓力，從而被密封介質(zhì)無法向外泄漏。

固定側(cè)與旋轉(zhuǎn)側(cè)無接觸磨損，使磁性液體密封壽命比傳統(tǒng)機(jī)械密封大大延長，可靠性更高。

適用于往復(fù)狀態(tài)下的無泄漏密封，解決傳統(tǒng)密封往復(fù)密封難的問題。

圖6 攪拌器用磁性液體密封結(jié)構(gòu)圖

磁性液體旋轉(zhuǎn)密封具有零泄漏、長壽命、動靜皆可密封、能承受高轉(zhuǎn)速、低摩擦、無需輔助系統(tǒng)占用空間小等突出優(yōu)點(diǎn)。磁性液體在軸(軸套)與靜環(huán)之間形成密封介質(zhì)，動靜環(huán)之間無摩擦，功耗低，密封間隙是機(jī)械密封的 20～200倍，故對攪拌軸的擺動、串動、晃動以及設(shè)備的振動適應(yīng)性很強(qiáng)。對軸的振動偏擺不敏感。磁性液體密封通過增加磁性液體的粘度和增加齒數(shù)提高耐用壓力，壓力使用范圍通常為：真空～2 MPa，高壓、低速場合可選擇高粘度磁性液體。磁性液體密封使用溫度受軸承耐溫限制，目前應(yīng)用裝置中150 ℃可長期穩(wěn)定運(yùn)行。磁性液體耐溫可達(dá)到230 ℃。磁性液體密封在有毒有害和易燃易爆氣體、液體、粉末密封方面等具有應(yīng)用優(yōu)勢。密封的具體選擇需要密封廠家根據(jù)設(shè)備操作參數(shù)給出。

磁性液體為新型納米級混合材料，價格比較貴。

5 幾種密封方式的比較

上述幾種密封形式除磁性液體密封外都在預(yù)灰桶攪拌器中有應(yīng)用。幾種密封形式對比見表1，純堿廠可根據(jù)具體情況及操作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇。

表1 幾種密封方式比較表

1)水銀箱密封是比較老的密封形式，雖然成本低廉，對于攪拌器晃動容忍度較高，但由于系統(tǒng)蒸汽壓力不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)水銀箱內(nèi)水銀噴出的情況，水銀噴出后很難收集和處理，隨著環(huán)保要求越來越高，系統(tǒng)操作壓力越來越高，水銀箱密封已經(jīng)處于被淘汰的邊緣。

2)填料密封成本低，是低壓攪拌器比較常用的密封形式，但泄漏量較大，已經(jīng)不能滿足越來越高的環(huán)保要求。由于預(yù)灰桶內(nèi)介質(zhì)的腐蝕性較強(qiáng)，需要頻繁更換軸套和填料。我公司在烏茲別克斯坦氨堿項(xiàng)目預(yù)灰桶即選用填料密封，至今仍在使用。

3)機(jī)械密封正常運(yùn)行泄漏量極微，可滿足環(huán)保要求。但如果一級密封圈泄漏，可能造成隔離液內(nèi)漏或者介質(zhì)外漏。機(jī)械密封使用壽命長于填料密封，在密封流體壓力和彈簧力作用下即使摩擦副磨損后，密封端面也能自動保持貼緊，因此一旦安裝好后就不需要經(jīng)常調(diào)整，使用方便，適合連續(xù)、自動化生產(chǎn)，可在線監(jiān)測是否存在異常。機(jī)械密封停車時需注意密封的表面清理，防止顆粒或粘稠介質(zhì)進(jìn)入密封端面或浮動密封圈處影響密封性能。機(jī)械密封價格比填料密封高，適用于純堿項(xiàng)目的升級改造。機(jī)械密封是比較成熟的產(chǎn)品，適用范圍比較廣泛，結(jié)構(gòu)多樣，價格和使用壽命差異也比較大。建議用戶根據(jù)需要同時考慮經(jīng)濟(jì)性，選擇適當(dāng)品牌的產(chǎn)品。前面描述的機(jī)械密封選型應(yīng)用在我公司沙特純堿項(xiàng)目，目前項(xiàng)目正在安裝階段。機(jī)械密封通常需要使用密封液，密封液的循環(huán)、收集、處理增加了運(yùn)行成本。預(yù)灰桶攪拌器轉(zhuǎn)速比較低，在沒有條件使用密封液的場合，可以考慮干磨機(jī)械密封。干磨機(jī)械密封結(jié)構(gòu)和普通機(jī)械密封類似，動靜環(huán)摩擦副選用更好的無壓碳化硅和石墨材料，不借助液體壓力，只借助彈簧力達(dá)到密封效果，正壓操作泄漏量可能會比常規(guī)機(jī)械密封略高。

4)磁性液體密封是一種新型密封結(jié)構(gòu)，可以做到零泄漏，使用壽命優(yōu)于普通機(jī)械密封。磁性液體密封結(jié)構(gòu)比機(jī)械密封簡單，不需要輔助系統(tǒng)，占地較小。由于采用了新型納米材料，該密封價格較高。由于沒有輔助系統(tǒng)，運(yùn)行成本較機(jī)械密封低。小軸徑磁性液體密封和好的機(jī)械密封價格相差不大，考慮到運(yùn)行成本優(yōu)勢可以考慮采用，大軸徑的磁性液體密封價格較高，需慎重選擇。磁性液體密封在一些高危害、高腐蝕介質(zhì)或?qū)Ω獌?nèi)潔凈度要求高的攪拌器上已有很好的應(yīng)用，如頭孢松鈉結(jié)晶罐(操作溫度125 ℃，壓力0.3 MPa，介質(zhì)丙酮、己酯、水蒸汽等)等。第一次使用需要用戶提供實(shí)際介質(zhì)給密封廠家進(jìn)行磁性液體的基底選擇。