凝汽器在線清洗機器人的水下旋轉動密封設計

　　摘要:
 

　　水下密封是凝汽器在線清洗機器人的關鍵技術。目前采用的機械密封具有密封可靠、泄漏量小、使用壽命長等特點，但其結構復雜、對制造加工精度及安裝技術要求高，維護不便。本文設計的組合密封方式，利用O形圈外徑壓縮、輔以PTFE保護密封及防水密封潤滑脂，形成組合密封，真正實現了凝汽器在線清洗機器人旋轉關節“零泄露”，且結構簡單、裝拆方便、易于維護，目前已成功應用到海水型凝汽器在線清洗機器人產品中。
 

　　關鍵詞：
 

　　水下密封、旋轉動密封、O形圈、外徑壓縮、防水密封潤滑脂、零泄露
 

　　0 引言
 

　　凝汽器長期運行中，由于水質和溫度等原因，凝汽器冷凝管內壁會產生結垢現象，從而導致凝汽器傳熱性能下降從而影響電站機組經濟性【1】。因此，電廠必須定期對冷凝管清洗。凝汽器在線清洗機器人是目前較環保、高效的一種清洗方式，其利用機械臂將高壓水噴頭對準冷凝管中心，然后高壓噴頭進入冷凝管清洗【2】。因機械臂長期置于水室中運行，內部有伺服電機、編碼器等精密器件，不得有水進入內部，故密封尤為重要 。
 

　　凝汽器清洗機器人機械臂的密封分為靜密封和動密封兩種，靜密封相對較容易解決，其旋轉關節的動密封確是難點。關節旋轉時，軸孔間會存在配合間隙，就會產生泄露。而且水室中的循環水多取自江河水，部分為海水，水介質中的氯離子、微生物等產生的腐蝕作用，以及硬質雜質如泥沙等產生的磨損，均會影響機械臂旋轉關節的密封。
 

　　1 研究背景
 

　　凝汽器在線清洗機器人應用場合為可能有海水倒灌、含泥沙的水室，部分為氯離子濃度≤20g/L的海水水室，含固量為10%。水室中定期會添加阻垢劑等酸性或堿性溶劑。水下壓力小于0.6MPa，溫度：5℃~55℃。機械臂兩旋轉關節電機轉速限制為100r/min,減速比分別為：242.1,150.1，即關節轉速<0.41r/min，第二關節<0.66r/min。機械臂旋轉幅度正反各180°。密封要求內部水位不得到達電機位置，壽命為8年。
 

　　目前，凝汽器在線清洗機器人機械臂的旋轉關節多采用機械密封。 機械密封的工作原理是靠一對或數對垂直于軸線做相對滑動的端面，在流體壓力和補償機構的彈力(或磁力)作用下保持貼合，端面間維持一層極薄的液體膜并配以輔助密封而達到阻止介質泄漏的目的。其理論密封性能可靠、泄漏量小、使用壽命長、維護要求低，能在各種溫度、壓力及腐蝕介質、含顆粒介質等工況條件下使用【3】。因密封端面潤滑液膜的存在，機械密封并不能做到零泄露。我國JB/T 4127.1—2013《機械密封技術條件》中規定，平均泄漏量軸(或軸套)外徑不大于50mm時不超過5ml/h,軸(或軸套)外徑大于50mm時不超過3ml/h【4】。除此外，機械密封結構復雜，制造加工精度要求高，安裝與維修比較麻煩，要求工人有較高的技術水平，發生偶然性事故時，處理較困難【3】。
 

　　2 機械臂關節旋轉動密封設計
 

　　水下旋轉動密封除機械密封外，還有O形圈密封、組合密封、迷宮密封、磁流體密封等多種密封方式。這些密封各有優缺點，其比較見表1。【5】凝汽器在線清洗機器人機械臂旋轉關節的密封介質為水，故磁流體密封方式不適用。迷宮密封結構復雜、裝拆不便，也不作為考慮。組合密封因其結合了聚四氟乙烯自潤滑及O形圈的彈性補償作用，在旋轉密封中使用較廣，但一般結構尺寸小，機械臂的關節直徑達到200mm以上，沒有適用規格；且組合密封對軸的硬度要求較高，旋轉時間長了之后軸上磨損會導致泄露。使用O形圈作為旋轉動密封應用的不足：一是啟動摩擦阻力大，易引起忽滑忽粘的爬行現象；二是如果使用不當易引起O形圈扭、切、擠等事故，三是“卡夫-焦耳效應”在軸高速旋轉時會加速O形圈老化，并把轉軸研磨成一條環形溝痕，最終導致泄露。【6】
 

　　用O形圈實現旋轉軸的動密封，其原理：O形圈預壓變形后密封面產生大于液體壓力的接觸壓力。當O形圈橡膠受熱后，一般會發生膨脹，但在拉伸狀態受熱則劇烈收縮，這就是“卡夫-焦耳效應” 【7】。選擇O形圈作為旋轉動密封的首要條件是避免“卡夫-焦耳效應”。因此，在選擇O形圈作為旋轉動密封時，在保證足夠的密封面接觸壓力的基礎上盡量減小摩擦力、避免變形。故采取外徑壓縮量的設計方法， O形圈外徑大于密封溝槽的內徑，外徑壓縮率3%-8%【8】;O形圈的內徑稍大于旋轉軸徑；同時密封面涂抹潤滑脂，避免干摩擦，減緩了這種磨損的惡性循環，且摩擦阻力減小。同時，應盡量選擇大截面直徑的O形圈，且O形圈的硬度以邵氏硬度HS70~80為宜。根據凝汽器水室的循環水環境以及密封壽命要求，O形圈材質取氟橡膠材質，硬度HS75，其耐海水腐蝕性基本同丁晴橡膠，但耐化學腐蝕性及耐候性及耐老化性能優于丁晴橡膠，其儲存穩定性達20年。除此之外，應盡量選用分型飛邊不明顯的或者45度分型的O形圈。
 

　　其中，D2為O形圈在自由狀態下的實際外徑(mm)，D1為O形圈溝槽底直徑(mm)。以機械臂一關節為例，進行O形圈設計計算，一關節軸徑設計為D=φ266mm，選擇O形圈線徑為7mm,內徑為φ276，設計溝槽底徑為φ278mm,此時外徑壓縮率為4.1%。
 

　　為保證密封的可靠性，采用雙O形圈，且兩O形圈溝槽中間設置油槽，裝配時在其中填充防水密封潤滑脂或者空壁上對應潤滑油槽的位置打一小孔，壓入潤滑脂【7】。潤滑脂采用防水密封潤滑脂，是一種高粘附性防水密封硅脂，具有抗腐蝕性，同時具備潤滑和輔助密封作用。
 

　　由于水室中的水介質中含有泥沙，故主密封外需增加一道保護密封用來擋泥沙。一般情況下擋泥沙采用毛氈密封，但機械臂旋轉關節尺寸相對較大，毛氈斜切口的銜接有導致泄露的風險。采用PTFE密封環作為保護密封。PTFE密封環外圈與殼體之間為過盈配合，內圈與旋轉軸配合，密封面涂抹防水密封潤滑脂。密封截面為矩形，在運動的接觸表面加開了兩個儲油槽，在減小接觸面積的基礎上儲油槽內部油脂起潤滑作用，降低摩擦阻力。PTFE具有化學穩定性、耐高低溫性能、摩擦系數低、自潤滑性等優良性能。因其摩擦系數低的特性，可自潤滑，可運用于旋轉、搖擺、往復運動之中。【9】圖3為采用新的密封結構的海水型機械臂。
 

 

　　3 試驗驗證
 

　　為驗證上述密封結構的用于凝汽器在線清洗機器人機械臂旋轉關節的密封性，按照一關節結構及尺寸制作如圖4、5所示工裝進行驗證。
 

　　外殼腔體內注滿水，模擬水室環境添加10%泥沙，添加鹽使得氯離子濃度為20g/L，加壓達到0.6MPa并保壓。機械臂運行1年清洗20次，清洗一根冷凝管1分鐘 ，機械臂運動5秒，按10000根冷凝管計算，清洗一次約7天，則8年大臂關節實際運轉時間為8*20*7*24*5/60=2240小時。為縮短測試周期提高至4倍轉速測試，運行560小時即滿足8年密封壽命。
 

　　560小時候測試結果如圖6、7所示，內部保持無可見液態水，泥沙堆積在密封結構外。測試過程中對摩擦阻力矩進行監控，如圖8所示，力矩值比較穩定。
 

　　目前，該密封測試工裝測試1200小時，超2倍壽命，依舊保持內部干燥，無可見液態水。
 

　　4 結論
 

　　驗證結果表明，利用O形圈外徑壓縮、輔以PTFE保護密封及防水密封潤滑脂，形成組合密封的密封方案適用于凝汽器在線清洗機器人使用工況，在對應的速度、壓力下可實現有效密封，真正實現零泄露。同時，該方案結構簡單、易拆裝、便于維護，目前該結構已成功應用到海水型凝汽器在線清洗機器人產品中。