高温工况下磁力搅拌器密封失效机理与维修技术优化

0 前言

磁力搅拌技术在化工、医药和食品工业中得到了广泛的应用，非接触式驱动特性使得其对密封性能有较高的要求。但其在高温环境中存在着热应力、材料性能退化和磁性退化等问题，极易造成密封破坏、造成介质泄漏、设备损坏，甚至发生安全事故。为此，开展磁力搅拌器在高温服役过程中的失效机制及维护方法的研究，对于提高装备的服役可靠性、提高其服役寿命有着十分重大的现实意义。

1 高温工况下磁力搅拌器密封失效机理

在高温工作条件下，磁力搅拌器的密封部位会由于加热而出现不均衡的受力状态，从而造成密封面的变形和缝隙的增加。在封装过程中，由于两种不同的热膨胀因子，使得两种不同类型的零件之间的热膨胀会导致两种不同的应力状态。另外，在较长的温度周期内，还会诱发产生疲劳开裂，从而导致密封性能的下降。温度升高会加快密封材料的时效进程，导致其硬度升高、弹性下降，严重时易产生脆性或断裂。当介质发生物化性能改变时，其密封环丧失了原来的压弹性能，不能对其进行有效地充填，造成了渗漏。热应力引起的密封面变形量计算公式如下所示。

其中，ΔL 为密封件的总变形量（ mm ）； α_a 为材料热膨胀系数Ω^×10^-6/Ω^∘C ）； L₀ 为密封件初始长度（ mm ）；ΔT为温度变化量（ C ）；F为外部机械载荷（N）；E为材料弹性模量（MPa）；A为密封件截面积 ⋅mm² ）。

高温会使永磁材料的磁性能发生明显变化，从而引起材料的磁性能下降或消磁。由于电磁联轴器传动力矩降低，导致电机与电机的同步性能降低，从而增大了电机的滑动摩擦及发热，从而加重了电机的负荷。此外，温度升高也会导致其显微组织发生变化，进而对其使用寿命产生不利影响。在高温环境中，由于流体的作用，会使密封表面发生化学反应或生成沉淀物，造成密封表面的磨损和堵塞。由于锈蚀生成物的存在，使密封表面不平整，而产生的沉淀物又会妨碍密封的正常移动，从而造成密封失败。

2 维修技术优化策略

2.1 材料选择与升级

对于磁力搅拌器，要求其具有良好的耐热性、化学稳定性和力学性能。常规的橡胶密封在使用过程中容易出现硬化、开裂甚至断裂等问题，迫切要求使用新型聚合物或复合材料来代替。其中，全氟烷橡胶（FFKM）因其优良的抗高温特性，可以在 300 C及更高温度下长期稳定运行，并在强酸强碱等恶劣条件下表现出良好的抗腐蚀性。在较高的工作环境中，可以使用具有较强抗高温能力和较强抗热膨胀能力的柔性石墨密封件和金属波纹管密封件。NdFeB具有较高的磁能，但是在较高温度下容易产生不可逆的失磁现象，而 SmCo具有更好的磁性，能够适应 200 C的工作条件。此外，对磁铁的防护也不可忽略，比如为了避免在高温下发生的氧化与侵蚀，可以在表面涂上一层镍层或环氧层。在极热的条件下，还可以采用高温合金、陶瓷等材料，提高其服役寿命。高温密封材料性能对比表如下表 1 所示。

表 1 高温密封材料性能对比表

进行报警，并进行智能维修，降低了设备的非正常停机次数。

2.2 结构设计优化

为了保证在高温条件下的长时间平稳运转，必须对其进行正确的密封结构设计。针对常规单一端面机械密封在高温条件下易发生热形变而造成渗漏的问题，提出了一种新型双面端面密封结构，并通过增设副密封表面来增强其工作性能。双重端面密封，既可起到双重防护效果，又可在出现故障情况下，利用中间介质的缓冲效应，减缓渗漏，为检修赢得宝贵的时间。另外，通过弹性补偿机构可实现对密封表面的压力调节，使其在较高温度下保持良好的温度稳定性，从而防止由于材质的形变而引起的密封破坏。在高温度条件下，磁铁的加热将使磁性减弱，从而降低传输效率。通过对磁耦合器的设计进行了改进，通过在内部和外部磁性体间增加散热翅片或强迫空气冷却等方法，可以达到较好的降温效果。在封闭式混合设备中，为了保证磁性特性的稳定，可以通过冷却剂的再循环来实现对磁场的主动冷却。

2.3 维护策略优化

通过合理的维修保养，可以有效地提高电磁搅拌器的工作效率。为了防止密封件的损坏，必须对其进行周期性的检验，其中主要有：一是对其进行磨损和老化的评定，二是对其磁性能的测试。针对关键部位，利用超声、红外热像等非破坏性探测手段，实现对微小缺陷的探测，以防止突发故障。采用温度传感器、振动传感器等设备，实现了对封接设备及磁性驱动设备的运行状况的监测。比如，当密封表面出现反常的温度升高时，就意味着摩擦力的增加或者是润滑故障，而当磁场强度升高时，就意味着磁场的不均匀或者是轴承的损耗。与该设备相配合，能够对设备的运行状态

2.4 运行参数调整

通过对电磁搅拌设备进行合理的操作参数设定，可以有效地减小温度对其密封性能的影响。在高温条件下，高速运转时其摩擦发热迅速增大，从而加快密封件的寿命与损耗。因此，可以按照生产要求，对混合速率进行调整，或者使用变频控制，以保证设备在最佳的工作范围内工作，从而减小不必要的能耗和热累积。在高温条件下，不宜长期过载，否则会加重密封表面及轴承的损耗。采用转矩监视技术对负荷的动态进行监视，当负荷逼近设定的极限值时，可进行操作参数的调节或报警。在高温条件下，采取间断操作，也就是周期性停机，可以大大提高设备的寿命。

结语

在高温环境中，电磁搅拌器的密封失效是由热应力、材料劣化、磁性衰减和介质效应共同导致的。通过对材料的改进、结构的优化以及维修策略的调整，可以有效地提升其运行的可靠性与寿命。结合新型材料、新工艺，研制出新型电磁搅拌设备，实现其在高温服役条件下的应用。

参考文献：

[1]袁立新.PTA第一精制结晶搅拌器机械密封失效分析[J].合成技术及应用,2014,29(1):50-53.

[2]缪建军.PTA氧化反应器搅拌器机械密封失效分析[J].化工设计通讯,2016,42(3):96-98.