工业水曝气机轴封泄露原因分析及技术改造 - 图文

中国石油克拉玛依石化公司2014年技术交流论文

工业水曝气机轴封泄露原因分析及技术

改造

论文作者：谢延斌 王东 刘福

工作单位：检维修中心钳工车间

单位领导签字：

- 1 -

中国石油克拉玛依石化公司2014年技术交流论文

工业水曝气机轴封泄露原因分析及技术改造

谢延斌 王东 刘福

（检维修中心钳工车间，新疆克拉玛依，834003）

摘 要：曝气机是工业污水处理装置中的一种液下长轴设备，因工作环境恶劣，且轴封部件长期沉浸在污水中，加上轴封本身设计不合理等特点，容易出现密封泄露，进而造成污水窜入设备本体，引发设备转子、轴承等部件锈蚀、磨损，并最终导致设备震动过大而无法正常使用。而通过增加密封轴套、重新选型机械密封以及设置前置梳齿密封等技术改造措施，有效提高了曝气机整体密封性，延长了密封使用寿命。本文首先对原曝气机轴封泄露原因进行了分析，然后对技术改造过程进行了阐述和说明。

关键词：液下长轴设备 轴封 泄露 技术改造

某石化公司工业污水装置采用AO池，生物降解的方式实现污水的净化处理，其中在AO池中生存有大量的工业菌类，而这些菌种需要充足的氧气才能存活，为了达到该目的，需要在池中安装工业曝气机。而该装置采用的曝气机为液下长轴设备，型号为WQF-100，池中共安装该类型设备21台。但自装置开工以来，曝气机的运行状况并不理想，经常性的发生震动和轴承烧毁等问题，维修频次非常高，每台设备平均半年就要进行一次彻底的大修，这给装置正常操作和设备维修带来了很大的工作量，同时产生了较高的维护成本。为了彻底解决该问题，从2013年开始，我们对该设备进行了技术改造，重点改造内容为曝气机的密封系统。 1 曝气机的结构及工作原理

WQF-100型曝气机为液下长轴设备，其传动轴为2m长的不锈钢薄壁空心管，最大外径为40mm、内径为33mm，轴头上端周向均匀钻有筛孔，用于吸入空气。传动轴由三套轴承固定安装在两段不锈钢钢桶内部，轴端最下部安装有密封腔和叶轮，叶轮采用开式空心结构，轴端上部通过联轴器与电机相连。设备整体结构如下图1所示。这样电机带动轴和叶轮旋转，而叶轮在高速旋转的情况下，在其叶片顶端产生负压区，空心传动轴内部的空气就会在压差的作用下不断流向叶轮，并被叶轮送出，实现了给OA生化池通气供氧的作用，确保了池中微生物的正常繁殖和生长，并最终实现了生物污水净化目的。

- 2 -

中国石油克拉玛依石化公司2014年技术交流论文

图1 曝气机整体结构示意图

2 运行中存在的问题

由于曝气机为筒形结构，内部的轴承采用预先加注机油进行润滑，所以轴承的润滑性直接决定着设备的使用状况和寿命。而曝气机是下潜在污水中工作的，一旦筒体内部出现窜水，必然会造成内部轴承润滑不良，引发曝气机震动，严重时会有轴承烧毁抱轴的风险。所以曝气机自身的轴封性能显得至关重要。

该设备原有的轴封系统采用单端面机械密封外加骨架油封的结构，其中骨架油封为第一道密封，失效后再由机械密封进行密封。但设备所处的介质环境为炼厂污水，含有大量的颗粒和泥沙，并有一定的腐蚀性，工作的环境非常苛刻。原设计的骨架油封在这种污水环境中使用寿命非常短，特别容易出现磨损和老化。一旦第一道骨架油封失效，后续的机械机械密封使用周期就会大大缩短。所以该设备主要的故障还是轴封系统不可靠，容易出现泄漏，造成设备内部进污水，引发轴承烧毁、转子磨损等严重问题。根据维修情况统计，每年曝气机因内部进水造成的轴承锈蚀、烧毁故障占到了所有检修工作量的80%以上，所以设备轴封系统的升级改造成为解决该设备问题的一个关键。 3 轴封系统失效的原因分析 3.1 轴封系统的结构

如图2所示，该曝气机原轴封采用单端面大弹簧机械密封形式，安装在下部的密封腔内，腔体内部预先加注润滑油，起到润滑冷却密封的作用。而在腔体的下部端盖又加装一道骨架油封，起到第一

- 3 -

中国石油克拉玛依石化公司2014年技术交流论文

级密封的作用，同时也将污水中较大的固体颗粒进行阻隔，保护内部机械密封。另外，该设备传动轴采用的是薄壁空心不锈钢管，机械密封没有轴套部件，密封的动环座直接通过紧定螺钉安装在传动轴上，而一旦传动轴密封段出现磨损或弯曲变形，就得设法修复或更换新轴，维修的难度较大。

图2 曝气机原轴封结构示意图

3.2 轴封失效原因分析

曝气机原轴封系统在设计结构上存在较大的缺陷。从上图2中可以看出，一旦最下部的骨架油封失效，腔体内的润滑油就会流失，污水倒灌进密封腔，引起机械密封摩擦不正常。而污水也会从静环与传动轴之间的间隙进入密封腔体，这时就完全依赖动环密封圈和密封摩擦副对污水进行密封，但由于原密封动环密封圈不耐腐蚀，接触到含腐蚀性的污水介质后会出现涨大失效的问题，造成密封性能下降。另外一定压力的污水介质作用于密封摩擦副的背面，形成了反向压力，如图3所示。而一般机械密封在设计时都是承受正向压力的，即被密封的介质处于密封元件的外围。查询相关资料得知密封承受反向压力的能力最多是承受正向压力的30%，容易出现密封泄漏问题。所以原密封在设计上过多的依赖了第一道骨架油封，一旦油封有问题，机械密封将会很快失效。

- 4 -

中国石油克拉玛依石化公司2014年技术交流论文

图3 污水泄漏通道及密封受力示意

另外，原密封在设计安装上缺少轴套部件，下部的骨架油封与一个钢环配合使用（如图2所示），形成相对运动的摩擦副。设计初衷时为了保护传动轴，避免传动轴被油封磨坏。但钢环与传动轴之间并没有采取可靠的传动措施，仅依靠传动轴上镶嵌的O型圈与钢环之间的摩擦力进行扭矩传动。随着O型圈磨损老化，该摩擦力会快速减小，这样就不但不能保证钢环与油封相对转动，而且还会因为钢环不能与传动轴同步旋转，使得钢环与传动轴出现相互摩擦，造成传动轴严重磨损，加大了污水介质泄漏到密封腔体内部的流量，如图4所示。一旦所有密封全部失效，污水就会窜入上部轴承内部，造成轴承润滑失效，而污水中含有的固体颗粒还会造成轴承卡瑟，严重时造成轴承烧损散架。

图4 被钢环严重磨损的曝气机轴头

- 5 -

中国石油克拉玛依石化公司2014年技术交流论文

4 曝气机轴封系统的技术改造

为了彻底解决曝气机因轴封系统不可靠而引发的设备震动、轴承烧毁问题，我们在认真分析泄露原因的基础上，提出了密封系统技术改造的技术方案，具体方案措施主要包括（1）给轴封增加轴套，起到保护转子的作用 （2）在机械密封前端设置阻隔衬套，进一步阻隔介质中含有的固体颗粒，起到保护机械密封的作用 （3）增加梳齿迷宫密封，降低污水进入密封腔体的介质压力，降低密封工作负荷以及润滑油被污染的可能性，具体的措施方案如下： 4.1 给曝气机密封系统加装轴套

原曝气机最大的设计缺陷就是没有轴套，一旦传动轴出现磨损，就必须修对传动轴进行重新修复或更换，但往往修复使用的传动轴强度减弱，使用寿命短，这样就造成了很大的工作量以及资金成本浪费，而通过给机械密封及下端油封增加共用轴套，就可以有效的保护传动轴不被磨损，同时降低设备维修工作量和资金成本。但随之产生了新的问题： （1）密封腔尺寸以及油封尺寸部分需要改变

（2）原来的机械密封因加装轴套后尺寸不合适，不能继续使用，必须重新设计机械密封 （3）需要设法解决轴套传动问题。

4.1.1 密封腔尺寸及下部油封尺寸的设计和改进

对于第一个问题，我们预先计算好加装轴套的尺寸（外径为Φ45），然后根据轴套的外径推算各配合零部件的相关尺寸，通过细致的核算和测量，我们认为在对原密封腔结构尺寸做微量调整下，技术改造工作是可行的。下表1为密封腔改造前和改造后的相关尺寸对比。

表1 改造前后相关数据变化对比 mm

机械密封型号 密封腔的外径 Φ165 Φ165 密封腔密封安装部的内径 位的轴颈 Φ62 Φ65 Φ35 Φ45 安装密封静环的台阶尺寸 Φ55 Φ65 油封尺寸 改造前 104-35 改造后 104-45 Φ60×Φ42×10 Φ65×Φ45×10 对于油封尺寸的改变，解决起来相对简单，就是选择配套尺寸的合适油封即可。但考虑到原有骨架油封的材质选型为普通耐油丁晴橡胶唇封，根本不耐含泥沙污水的磨损和腐蚀，所以我们对油封材质进行了升级，选用更加耐磨和耐腐蚀的氟橡胶唇封（材质代号F-23-11），以延长油封的使用寿命，进而提高轴封系统的可靠性，如图5所示。

- 6 -

中国石油克拉玛依石化公司2014年技术交流论文

图5 材质升级后的骨架油封

4.1.2 机械密封重新选型核算

对于第二个问题，我们对改造后的机械密封重新进行了材质选型和运行参数核算。具体如下： （1）密封材质选型

由于曝气机深处在污水当中，介质中含有大量的颗粒和泥沙，会对密封摩擦副产生严重磨损，所以密封动静环摩擦副材质选择硬质合金对硬质合金的形式。另外由于污水还含有一定的腐蚀性，所以动环座和弹性元件均采用不锈钢材料，而辅助密封也采用耐腐蚀的氟橡胶O型圈。 （2）密封参数核算 ①密封设计尺寸的重新核定

根据改造后的密封腔尺寸以及加装的轴套外径，初步确定了机械密封动静环摩擦副的外形尺寸，如下图6所示

(其中：D=46mm; D0=48mm; D3=65mm; D2=60mm; D1=50)

图6 重新设计选型的密封结构示意图

- 7 -

中国石油克拉玛依石化公司2014年技术交流论文

②密封平衡系数B的核算

222根据密封平衡系数的计算公式：B?D2?D0/D2?D12进行计算，得到：

2

2

2

2

B=60-48/60-50=1.18

根据机械密封平衡性判别式K≤1为平衡性；K≥1为非平衡机械密封可知，重新选型设计的机械密封为非平衡型。由于曝气机密封所处的污水深度压力不超过0.03MPa，非平衡机械密封完全满足工况要求，所以重新选型的密封结构设计是合理的，且加工制造简单，配件成本低。 ③ 密封端面开启失效核算

根据密封端面比压的计算公式：Pg 其中: Pg表示密封端面比压

dP表示穿透密封面的压差，在这里为污水穿透密封面的压差，按照密封所处污水深度（2m），最大的穿透压力估值为0.02MPa ,即 dP=0.02 MPa

?dP?B?K??PSP进行计算

B 代表密封的平衡系数，B=1.18

K 代表压降系数，查询相关资料数据，硬质合金摩擦副，K取值为0.5较为合理

PSP 表示弹簧比压，PSP?FS(l?la)???，其中l表示弹簧的

?A22?(D2?D1)4自由长度；la表示弹簧被压缩后的尺寸；?为弹簧的载荷系数。通过测量核算，计算出

PSP=0.13 MPa

将上述数值带入端面比压计算公式，可以得出重新设计选型后的机械密封端面比压为：

Pg=0.02×（1.18-0.5）+0.13=0.143 MPa

从计算结果可以看出，密封设计端面比压远大于污水穿透压力，所以密封在运行过程中不会出现端面开启失效，密封设计符合要求 4.1.3 轴套传动问题的解决方案

由于曝气机传动轴为空心轴，单边壁厚只有5mm，所以采用平键传动的传统设计方法是不可行的。对此，我们借鉴离心压缩机干气密封轴套传动的设计思路，采用背冒锁紧轴套，靠背冒和轴套、轴套和轴肩（此处的轴肩在曝气机中为下部轴承的内圈）之间的摩擦力进行传动，从而避免了在薄壁空心轴上开槽设键减低传动轴强度的风险。另外为了防止锁紧背冒在运行中可能存在的松动问题，我们采用了双背冒的结构。

- 8 -

中国石油克拉玛依石化公司2014年技术交流论文

给曝气机密封加装轴套，不仅有效保护了设备转子不被磨损，而且下部骨架油封也直接作用在轴套上，取消了原来的油封钢环，彻底避免了转子被磨损的可能性，同时降低了设备维修和安装难度。改造的前后效果对比如下图7所示。

图7 轴套加装方式及改造前后结构对比

4.2 设置阻隔作用的非金属衬套

为了有效减少污水中颗粒杂质进入机械密封腔体，我们还在机械密封的前端设计了一道阻挡固体杂质的非金属衬套，如上图7所示。该衬套材质为赛龙四氟，质地相对较软，但耐磨性能好。这样一些固体颗粒杂质如泥沙等在进入密封腔体前就会被旋转的转子带着嵌入衬套，有效保护了机械密封。从而整体延长了曝气机机械密封系统的使用周期。赛龙四氟套的具体结构如下图8所示。

- 9 -

中国石油克拉玛依石化公司2014年技术交流论文

图8 赛龙四氟衬套的结构示意

设置赛龙四氟套的目的就是阻隔减少固态泥沙对密封的影响，所以安装时与转轴的间隙控制显得至关重要，间隙过大会起不到有效的阻隔作用，而间隙过小会引起转子动静碰磨，进而引发震动。经过计算，间隙标准控制在0.15～0.20mm之间，不但可以起到有效的阻隔泥沙作用，还在一定程度上起到滑动轴承的支撑作用，减少轴头的摆动，提高机械密封工作精度。 4.3 增加梳齿迷宫密封 4.3.1 梳齿迷宫密封的工作原理

梳齿迷宫密封是一种非接触密封，经常作为离心压缩机初级密封和汽轮机主密封使用。在结构上为一道道高低不同的梳齿与转动部件或静止形成小的间隙配合，而齿于齿之间又保持有一定的轴向距离，这样就形成了很多道类似迷宫一样的狭小空腔。当外界带压介质穿过一道道梳齿密封时，梳齿顶端的微小径向间隙就起到了节流降压作用，而压力降低后的介质又突然进入齿于齿之间的空腔，其流速会因体积的骤然增大而降低，并且随着转子的转动形成无数细小的漩涡流，增加了介质本身的能量消耗，从而进一步降低了介质压力。当被密封介质穿过更多的梳齿密封后，其泄露压力和流量就会降到很低，甚至小于背压（一般情况为大气大力，有时会是人为设定的阻隔液压力），从而实现密封。如下图所示9：

图9 梳齿迷宫密封结构及工作原理

4.3.2 曝气机轴封系统梳齿密封的结构

- 10 -

中国石油克拉玛依石化公司2014年技术交流论文

下图10所示为曝气机密封系统改造增加的梳齿密封结构示意图。图中转动梳齿通过紧定螺钉与曝气机轴相连，实现同步转动，固定梳齿与密封腔下端盖做成一体，齿于齿之间的顶间隙保持在0.25～0.35mm之间。

图10 曝气机增加梳齿迷宫密封的示意图

增加梳齿迷宫密封后，进一步降低了污水进入密封腔体的压力，同时也阻隔了大部分的固体颗粒及絮状物，减少了其对后续密封系统的影响，大大提高了曝气机密封系统运行的可靠性。 5 改造后的使用效果

目前，通过密封系统技术改造的工业水曝气机已经有10台次，其余曝气机根据配件到货情况正在实现逐步改造。到目前为止，改造过的10台曝气机都在连续正常使用，其中最早改造的曝气机B-1/11已经连续运行接近2年时间，说明技术改造效果非常明显。另外通过核算，经过技术改造后的曝气机每年光节约配件成本接近3万元。如果全部改造到位，一年将节约配件成本60多万元，实现了非常客观的经济效益。另外通过技术改造，原本半年一修的曝气机，至少实现了2年时间内不维修，这样就大大降低了维修人员的劳动强度和作业所带来的风险，还产生了很好的社会效益。 6 结论

（1）通过给工业水曝气机密封增加轴套，并通过可靠的技术方案实现轴与轴套同步传动，从而有效避免了传动轴被磨损的可能性，保护了设备的关键部件，降低了维修难度和配件成本。

（2）在曝气机密封前端设置赛龙四氟衬套及梳齿迷宫密封，有效阻隔了污水介质中的固体颗粒，并降低了污水进入密封腔体的压力，彻底改善了机械密封及下部油封的使用环境，延长了了密封系统的使用寿命，降低了设备故障率和维修工作量。

（3）曝气机机械密封重新选型设计，提高了机械密封部件的使用性能，进一步增加了密封系统的可靠性

（4）通过对曝气机密封系统的技术改造，实现了客观的经济效益和较好的社会效益。

- 11 -

中国石油克拉玛依石化公司2014年技术交流论文

参考文献

[1]顾永泉,机械密封实用技术[M],北京:机械工业出版社,2001,7 10-80 [2]姜培正,过程流体机械[M].第一版,北京:化学工业出版社,2001,8 84-85

[ 3]谢延斌，李卫兵，崔洲行等.蒸馏装置拔头油泵密封系统改造（J）.化工设备与管道，2011,2：36-48 [4]樊玉光.流体密封技术[M].西安：西安石油大学，1999.9： 85-87 [5]API Std 682-2002 第二版，用于离心泵和回转泵的轴封系统[S]

[作者简介] 谢延斌,男,1983年9月出生，西安石油大学过程装备与控制工程毕业,本科,工程师,电话 13565454931，电邮xieyanbin@petrochina.com,cn

- 12 -

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/lxww.html