凝汽器在线清洗机器人的水下旋转动密封设计
来源：南京科远智慧科技集团股份有限公司2024/4/12 7:28:4525
导读:
摘要:
水下密封是凝汽器在线清洗机器人的关键技术。目前采用的机械密封具有密封可靠、泄漏量小、使用寿命长等特点，但其结构复杂、对制造加工精度及安装技术要求高，维护不便。本文设计的组合密封方式，利用O形圈外径压缩、辅以PTFE保护密封及防水密封润滑脂，形成组合密封，真正实现了凝汽器在线清洗机器人旋转关节“零泄露”，且结构简单、装拆方便、易于维护，目前已成功应用到海水型凝汽器在线清洗机器人产品中。
关键词：
水下密封、旋转动密封、O形圈、外径压缩、防水密封润滑脂、零泄露
0 引言
凝汽器长期运行中，由于水质和温度等原因，凝汽器冷凝管内壁会产生结垢现象，从而导致凝汽器传热性能下降从而影响电站机组经济性【1】。因此，电厂必须定期对冷凝管清洗。凝汽器在线清洗机器人是目前较环保、高效的一种清洗方式，其利用机械臂将高压水喷头对准冷凝管中心，然后高压喷头进入冷凝管清洗【2】。因机械臂长期置于水室中运行，内部有伺服电机、编码器等精密器件，不得有水进入内部，故密封尤为重要 。
凝汽器清洗机器人机械臂的密封分为静密封和动密封两种，静密封相对较容易解决，其旋转关节的动密封确是难点。关节旋转时，轴孔间会存在配合间隙，就会产生泄露。而且水室中的循环水多取自江河水，部分为海水，水介质中的氯离子、微生物等产生的腐蚀作用，以及硬质杂质如泥沙等产生的磨损，均会影响机械臂旋转关节的密封。
1 研究背景
凝汽器在线清洗机器人应用场合为可能有海水倒灌、含泥沙的水室，部分为氯离子浓度≤20g/L的海水水室，含固量为10%。水室中定期会添加阻垢剂等酸性或碱性溶剂。水下压力小于0.6MPa，温度：5℃~55℃。机械臂两旋转关节电机转速限制为100r/min,减速比分别为：242.1,150.1，即关节转速<0.41r/min，第二关节<0.66r/min。机械臂旋转幅度正反各180°。密封要求内部水位不得到达电机位置，寿命为8年。
目前，凝汽器在线清洗机器人机械臂的旋转关节多采用机械密封。 机械密封的工作原理是靠一对或数对垂直于轴线做相对滑动的端面，在流体压力和补偿机构的弹力(或磁力)作用下保持贴合，端面间维持一层极薄的液体膜并配以辅助密封而达到阻止介质泄漏的目的。其理论密封性能可靠、泄漏量小、使用寿命长、维护要求低，能在各种温度、压力及腐蚀介质、含颗粒介质等工况条件下使用【3】。因密封端面润滑液膜的存在，机械密封并不能做到零泄露。我国JB/T 4127.1—2013《机械密封技术条件》中规定，平均泄漏量轴(或轴套)外径不大于50mm时不超过5ml/h,轴(或轴套)外径大于50mm时不超过3ml/h【4】。除此外，机械密封结构复杂，制造加工精度要求高，安装与维修比较麻烦，要求工人有较高的技术水平，发生偶然性事故时，处理较困难【3】。
2 机械臂关节旋转动密封设计
水下旋转动密封除机械密封外，还有O形圈密封、组合密封、迷宫密封、磁流体密封等多种密封方式。这些密封各有优缺点，其比较见表1。【5】凝汽器在线清洗机器人机械臂旋转关节的密封介质为水，故磁流体密封方式不适用。迷宫密封结构复杂、装拆不便，也不作为考虑。组合密封因其结合了聚四氟乙烯自润滑及O形圈的弹性补偿作用，在旋转密封中使用较广，但一般结构尺寸小，机械臂的关节直径达到200mm以上，没有适用规格；且组合密封对轴的硬度要求较高，旋转时间长了之后轴上磨损会导致泄露。使用O形圈作为旋转动密封应用的不足：一是启动摩擦阻力大，易引起忽滑忽粘的爬行现象；二是如果使用不当易引起O形圈扭、切、挤等事故，三是“卡夫-焦耳效应”在轴高速旋转时会加速O形圈老化，并把转轴研磨成一条环形沟痕，最终导致泄露。【6】
用O形圈实现旋转轴的动密封，其原理：O形圈预压变形后密封面产生大于液体压力的接触压力。当O形圈橡胶受热后，一般会发生膨胀，但在拉伸状态受热则剧烈收缩，这就是“卡夫-焦耳效应” 【7】。选择O形圈作为旋转动密封的首要条件是避免“卡夫-焦耳效应”。因此，在选择O形圈作为旋转动密封时，在保证足够的密封面接触压力的基础上尽量减小摩擦力、避免变形。故采取外径压缩量的设计方法， O形圈外径大于密封沟槽的内径，外径压缩率3%-8%【8】;O形圈的内径稍大于旋转轴径；同时密封面涂抹润滑脂，避免干摩擦，减缓了这种磨损的恶性循环，且摩擦阻力减小。同时，应尽量选择大截面直径的O形圈，且O形圈的硬度以邵氏硬度HS70~80为宜。根据凝汽器水室的循环水环境以及密封寿命要求，O形圈材质取氟橡胶材质，硬度HS75，其耐海水腐蚀性基本同丁晴橡胶，但耐化学腐蚀性及耐候性及耐老化性能优于丁晴橡胶，其储存稳定性达20年。除此之外，应尽量选用分型飞边不明显的或者45度分型的O形圈。
其中，D2为O形圈在自由状态下的实际外径(mm)，D1为O形圈沟槽底直径(mm)。以机械臂一关节为例，进行O形圈设计计算，一关节轴径设计为D=φ266mm，选择O形圈线径为7mm,内径为φ276，设计沟槽底径为φ278mm,此时外径压缩率为4.1%。
为保证密封的可靠性，采用双O形圈，且两O形圈沟槽中间设置油槽，装配时在其中填充防水密封润滑脂或者空壁上对应润滑油槽的位置打一小孔，压入润滑脂【7】。润滑脂采用防水密封润滑脂，是一种高粘附性防水密封硅脂，具有抗腐蚀性，同时具备润滑和辅助密封作用。
由于水室中的水介质中含有泥沙，故主密封外需增加一道保护密封用来挡泥沙。一般情况下挡泥沙采用毛毡密封，但机械臂旋转关节尺寸相对较大，毛毡斜切口的衔接有导致泄露的风险。采用PTFE密封环作为保护密封。PTFE密封环外圈与壳体之间为过盈配合，内圈与旋转轴配合，密封面涂抹防水密封润滑脂。密封截面为矩形，在运动的接触表面加开了两个储油槽，在减小接触面积的基础上储油槽内部油脂起润滑作用，降低摩擦阻力。PTFE具有化学稳定性、耐高低温性能、摩擦系数低、自润滑性等优良性能。因其摩擦系数低的特性，可自润滑，可运用于旋转、摇摆、往复运动之中。【9】图3为采用新的密封结构的海水型机械臂。
3 试验验证
为验证上述密封结构的用于凝汽器在线清洗机器人机械臂旋转关节的密封性，按照一关节结构及尺寸制作如图4、5所示工装进行验证。
外壳腔体内注满水，模拟水室环境添加10%泥沙，添加盐使得氯离子浓度为20g/L，加压达到0.6MPa并保压。机械臂运行1年清洗20次，清洗一根冷凝管1分钟 ，机械臂运动5秒，按10000根冷凝管计算，清洗一次约7天，则8年大臂关节实际运转时间为8*20*7*24*5/60=2240小时。为缩短测试周期提高至4倍转速测试，运行560小时即满足8年密封寿命。
560小时候测试结果如图6、7所示，内部保持无可见液态水，泥沙堆积在密封结构外。测试过程中对摩擦阻力矩进行监控，如图8所示，力矩值比较稳定。
目前，该密封测试工装测试1200小时，超2倍寿命，依旧保持内部干燥，无可见液态水。
4 结论
验证结果表明，利用O形圈外径压缩、辅以PTFE保护密封及防水密封润滑脂，形成组合密封的密封方案适用于凝汽器在线清洗机器人使用工况，在对应的速度、压力下可实现有效密封，真正实现零泄露。同时，该方案结构简单、易拆装、便于维护，目前该结构已成功应用到海水型凝汽器在线清洗机器人产品中。
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