旋转接头的全面安装使用说明和故障分析

1.旋转接头的介绍 

      旋转接头,是一种旋转的机械密封装置,它是将介质由固定供应管路输入到旋转滚筒中去的过渡部件。应用旋转接头的介质包括蒸汽、水、导热油、液压油、空气和冷却液等。旋转接头作为机械设备转动部件和非旋转部件的连接体,在各类机械设备中使用广泛。随着我国工业的迅速发展,旋转接头将得到越来越广泛的应用。

2.旋转接头的工作原理

        普通旋转接头的弹簧式机械密封可在液体与气体介质间或介质与周围空气间进行提供密封隔离。旋转接头的弹簧是用以提供最初的内部密封压力,接头一旦开始运作就呈压力密封状态,弹簧起补偿密封磨损作用。低气压或真空环境依靠弹簧推力来进行密封。

         旋转接头一般有三种密封形式,平面密封、球面密封和弹性体回转面密封。  随着旋转接头技术改进,旋转接头在平面密封一块引用了平衡式密封。

平衡式密封旋转接头,通常用于液体介质(如:水,冷却液等),也可用于传导水蒸汽或其它气体介质。平衡密封技术使介质压力、推力载荷和密封面接触压力保持在最低限度。这样即降低磨损又延长了密封寿命。用弹簧对密封面进行加载固定,使其不能产生转动和攒动,正是这种旋转和攒动使辅助密封过早老化,进而使旋转接头产生泄漏。平衡式密封通常由球轴承支撑。 

球面密封是旋转接头通常采用的一种密封结构。基本原理是通过球面和锥面相互挤压的接触面来实现密封,具有密封性能好、拆装方便等特点。在球面密封结构中,影响它的密封性能的主要因素有两个方面:一是球面和锥面的加工质量;二是球面和锥面的研磨精度。  弹性圆柱体密封的密封面是窄带圆柱面,靠弹性体补偿磨损。这种密封机构对圆柱体加工要求比较高,槽底加工尺寸、表面粗糙度、圆度、同轴度等都要得到严格保证。

密封环是旋转接头的主要易损件,在运行时,密封环不仅承受内部流体介质的压力而且还要承受来自外管运转所产生的旋转扭力。因此车速、温度及介质等工况条件因素会影响密封环的使用寿命。在相当大的程度上,旋转接头实际只是一个密封外壳。质量差的密封环磨损较快,导致增加维护时间、停机时间、维修成本。如果密封失效,那么介质泄漏会影响到设备的加热或冷却效率,更换一个密封环的费用相比密封失效后总经济损失小得多。 

3.旋转接头的安装和使用  

按安装结构分可分为自支撑式和外支撑式。  自支撑式接头有两种内部支撑形式:无油轴承和球轴承。

外支撑式接头采用外部支撑装置,如:用支杆撑起接头上的止转支撑孔,并将支杆固定在支座上,或用支架撑起接头,并将支架固定在支座上。

自支撑式接头中的球轴承一般是平面式密封,球轴承起支撑作用,

如图下图所示;

自支撑旋转接头

双通路旋转接头

自支撑式接头中含有的碳轴承一般是球面密封,碳轴承起支撑作用,如图下图;

球面密封单通路旋转接头

球面密封双通路旋转接头

外支撑旋转接头较适用于对接头刚度、位置及同轴度要求高的条件。如图6,7。

双通路旋转接头

外支撑旋转接头

4.旋转接头在安装过程中容易被忽视的是旋转接头的止转和承重机构的设置。

旋转接头的外管即空心轴与旋转体刚性连接、同步运转,而壳体相对静止,但壳体受内部所通介质压力及密封的摩擦扭矩的作用有转动的趋势,若不加止转机构,这个扭矩将作用到金属软管上。实践证明,当金属软管充当止转受弯曲应力的作用,久而久之就会导致破裂。如图;

旋转接头无止转承重装置软管

5对于自支撑式接头来说,多数旋转接头使用厂家将旋转接头的止转和承重吊装机构合二为一,根据设备布置的需要,旋转接头壳体上的止转承重孔或导向豁口,可以是轴向的也可以是径向的。

常见的止转和承重机构如图。应特别注意的是,止转和承重机构只可止转和承重,绝对不能限制旋转接头的轴向移动,也不要限制接头的沿圆周的摆动。浮动式球面密封旋转接头的内部结构如图4~6所示。摩擦副磨损以后,由自动补偿系统予以补偿,旋转接头内装式密封设计在壳体的前端,磨损后只有壳体后退方可补偿,一般设计补偿量在10mm左右,若壳体不可后移,即止转卡住壳体,如图8。密封件虽没失效,但旋转接头密封副磨损得不到补偿将泄漏。对于型号偏大的接头,由于自身重量的原因,随着机器的运行会下垂,密封环会形成椭圆形磨损,所以这时候附加的止转装置还起到承重的作用,因为接头有向下趋势时会被支撑装置反向作用,如图9。所以机构设计的不合理也会导致接头不正常泄漏。

旋转接头的全面安装使用说明和故障分析

                                                                                                                           图9 止转实例

旋转接头的全面安装使用说明和故障分析

图10 支撑承重实例

6.配置的金属软管应具有耐压、耐高温、减震功能,利于管道和旋转旋转接口有偏移时安装,同时金属软管连接应适应旋转接头的壳体位移要求。

所以,金属软管要有合适的长度,保证金属软管安装后金属软管应处于松弛微弯状态,绝不能对接头产生拉力,如果是刚性连接则会限制旋转接头在运行过程中的自补偿能力。 

7. 对于外支撑结构,首要保证的是安装的旋转接头与设备的同轴度。在安装此接头之前,对于和环形支架相连接的安装基准面来说,它们所配合的面必须是光滑平整的,保证整个旋转接头在安装完毕后和设备有很好的同轴度,对接头的使用功能和寿命来说至关重要。 当然,在此类旋转接头的密封组件中。

安装球形端盖时需要注意几点,一是螺丝对角的拧紧,二是对于拧螺丝的力矩不能太大,经试验得出M12的螺丝扭矩是60N/m、M16的螺丝扭矩是160N/m。因为球形端盖属于密封组件的一部分,如果在安装过程中拧螺丝的力道过大,在设备升温以后容易产生形变,使密封面不能完全贴合,出现泄漏的状况。

对于此种旋转接头来说,还有特殊的一方面是弹簧补偿机构裸露在外面。因为现阶段国内的设备参数的整体统一度不高,如果只按理想状态安装,弹簧的压缩量往往会有大约10mm的出入,而多出的10mm对于石墨的压力会很大,由于旋转扭力对石墨环过大的作用力加上流体压力,石墨密封环容易破损或者是超正常状态磨损,具体表现为外圆龟裂和剥落现象,所以有时需要在安装过程中调节弹簧的压缩量,使压缩量控制在理想设计的压缩量8~12mm范围内。如果压缩量过小,甚至石墨环与密封端面脱开,我们要增加调节垫片在球形端盖的后方(通常旋转接头厂家提供),否则会产生非接头质量原因的泄漏或者是短时间接头失去补偿能力。这种外支撑的旋转接头通常是带内部悬臂固定式虹吸器的。如图7,是旋转接头安装完毕的效果。

       我们要在保证旋转接头虹吸口尽量贴近烘缸内壁的同时还要保证不擦缸壁。因为我们计算得出1.6mm的冷凝水和25mm的铸铁传导热性能相当,也就意味着我们越贴近缸壁1mm节约的能量越多,为用户节约的成本也越多;但前提是,我们必须保证烘缸在运转的过程中不与接头上的部件想摩擦。我们可以想象,高速运转中的烘缸擦到接头部件将导致虹吸器甚至是烘缸外部接头何种程度的损坏,所以我们要确认吸嘴与烘缸内壁最高处的距离是我们要求的5mm。

        旋转接头生产厂家会提供调整块吸在吸嘴下方,手动调节沿烘缸内壁旋转一周,调整块刚好擦到缸壁为佳。同时,我们也要将螺丝拧紧,在设备长年累月的运行中,设备的震动与偏移会影响这个安全距离,所以螺丝的松紧显得十分重要。   1.4前面我们提到的几点是用户容易忽视或者容易出错的地方,当然我们的安装必须从第一步就规范起来。

8.安装前的准备工作     

         旋转接头空心轴采用螺纹联接时,应检查螺纹的旋向是否与配装旋转体旋转方向相反,尺寸是否相同。对配置有滚动轴承的旋转接头,应检查出厂日期,若因时间长原加润滑脂已失效,安装前需通过注油孔向轴承注油。

        安装前需清理与旋转接头相连接的安装面,保证无杂质及残留物存留在表面,同时清理设备内部,以便正常使用后通过旋转接头的流体不会对接头内部的密封部件产生破坏。 1.42安装时  当外管与连接旋转体采用螺纹连接时,一般在螺纹处涂抹密封胶或生料带,用工具夹紧外管(一般都设计有使用扳手夹口平面)对正旋转体螺纹联接孔中心旋入,直至旋紧为止。当外管与连接旋转体采用法兰连接时,应在轴端的止口台阶上加一厚薄均匀的紫垫圈,然后对正配用旋转体端部配合部分和螺孔,用螺栓固定,应对角旋紧,力矩应该相同。如果有内管,内管与旋转接头的壳体尾部或外管底部的连接方式一般采用螺纹和滑动套连接,螺纹式连接与配用旋转体的旋向相反,与外管采用螺纹或配用旋转体连接的旋向相同。外管采用法兰连接时,内管与壳体尾部采用螺纹连接后,有时用螺母将内管端部锁紧于壳体尾部。安装时将内管由外管接口向内对正旋转接头壳体尾部螺孔,旋紧固定,然后将内管送入配用旋转体的内腔,若采用虹吸式,应调整虹吸管吸水口向下,然后将外管与安装面连接。当内、外管之间采用填料密封时,应将填料压盖、止转销(有的旋转接头设计有此零件)拆下,试情况不同松动填料,或取出填料,然后将内管对正外管中心装入,将外管与配用旋转体固定连接。然后按原拆开的顺序反向将内管填料压盖、端盖等装配好。需要注意的是,在将接头与轴头连接之前,应将金属软管与旋转接头先连接好,这样做是为了保护旋转接口螺纹和旋转接头内部精密件。

9.安装后  用手或工具扳动旋转接头壳体,检查是否转动灵活,否则需查找原因,调整。  

        配有滚珠轴承且设计有润滑油脂加入和泄放孔时,应检查是否是加油孔向上,泄放孔在下,并检查直通注油杯在搬运过程中是否碰坏、堵塞。   检查并调正流体进入或引出管道位置是否与旋转接头相应孔道对应并符合设计要求。   装配旋转接头的止转和承重吊装结构零件,并调整其壳体与空心轴同心度一致。   根据旋转接头安装使用说明书装配连接金属挠性软管(或其他挠性软管)及其他有关管件,并与输送流体的管道连接固定。  旋转接头与输送流体的管道之间的连接,中间均配一段金属挠性软管,其配用挠性软管长度推荐选用下面数值:lin(25mm)以下(指公称英制、公制管径)取400-500mm;lin(25mm)以上取≥500-700mm。

配置金属软管的目的这里将其归纳如下:

 1、弥补流体输送管道与旋转接头连接之间的同心度、位移、偏斜等偏差。  

 2、补偿安装、使用过程中由于旋转接头摩擦副的磨损所造成的轴向位移和温度引起的热胀冷缩位移。  

 3、用以降低和减弱输送流体压力脉动所引起的振动和配用设备在运转过程中所引起的振动。   配装金属软管以减少或消除旋转接头在安装、使用过程中由于同心度、垂直度、设备振动、偏摆等因素对它密封性能和寿命的影响。

二 旋转接头密封的故障及原因 

1.磨损失效  

机械密封的在旋转设备的运行当中,密封面经常会出现磨损、热裂、变形、破损等情况,弹簧用久了也会松弛、断裂和腐蚀。辅助密封圈也会出现裂口、扭曲和变形、破裂等情况。通常这类密封失效都发生在旋转接头保质期外,及时更换零配件有助解决泄漏问题。

2.旋转接头自身设计 

旋转接头的密封面要有一定的比压,这样才能起到密封作用,这就要求机械密封的弹簧一定要有一定的压缩量,给密封端面一个推力,旋转起来使密封面产生密封所需要的比压。为了保证这个比压,旋转接头要求转轴不能有太大的窜动,一般要保证在0.15mm以内。否则外管会有大的窜动,就会发生周期性或阵发性的泄漏;  摩擦副所使用的材料耐磨性差、摩擦系数大、断面比压(包括弹簧比压)过大等,都会缩短旋转接头密封的使用寿命;  密封材料有缺陷或者设计时没有针对适应不同介质而改变密封材质都会引起泄漏;  密封机构零件没有去应力处理,在温度升高后,产生形变而导致泄漏;  

其他方面,还包括外管振动引起的泄漏,传动、紧定和止推零件质量不好或松动引起泄漏,机械密封辅助机构引起的泄漏,由于介质的问题引起的经常性泄漏等。 

3.旋转接头振动偏大。

设备旋转过程中,会使动静环贴合端面粗糙,动静环与密封腔的间隙太小,由于振摆引起碰撞从而引起振动。有时由于密封端耐腐蚀和耐温性能不良,或是冷却水不足或端面在安装时夹有颗粒杂质,也会引起机械密封的振动和发热。  机械密封振动偏大,最终导致失去密封效果。但机械密封振动偏大的原因往往不仅仅是机械密封本身的原因,还有如转轴设计不合理、加工原因、轴承精度不够、外部连接设备平行度不保证、径向力大、内管偏心等原因。  

4.旋转接头安装所引起的密封失效。

连接的配管、止转不适当。如果采用刚性管和接头相连接、将其他连接设备的重量直接加在旋转接头上、止转机构约束旋转接头,都会限制旋转接头的补偿作用及影响旋转接头的正常磨损;  密封结构裸露的旋转接头,同轴度、同心度差会引起密封失效,密封所需要的压缩量过大过小也会对密封质量起很大作用;  金属软管对旋转接头起补偿位移和连接管道的作用,如对接头有拉力,或别住旋转接头,都会对密封结构的长期稳定运行起不好的作用。

 5.通过旋转接头的流体异常。

如果流体混有异物、杂质、有晶体析出都会对旋转接头的密封面产生破坏作用,出现密封面划痕、凹槽等现象直接导致泄漏;同样,如果采用内支撑弹簧式,则容易使弹簧锈蚀、卡死。从而导致旋转接头密封失效。

 6 .高温效应而产生的密封失效 ,在密封处由于干摩擦、冷却水突然中断,会导致环面出现径向裂纹;  石墨碳化是使用碳石墨环时密封失效的主要原因之一。

由于在使用中,如果石墨环一旦超过许用温度时,其表面会析出树脂,摩擦面附近树脂会发生碳化,使密封面泄漏增加,密封失效;  辅助密封件(如氟橡胶、乙丙橡胶、全橡胶)在超过许用温度后,将会迅速老化、龟裂、变硬失去弹性。现在所使用的柔性石墨耐高温、耐腐蚀性较好,但其容易脆裂,安装时务必小心翼翼。

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