無機(jī)膜管及密封圈斷裂破損的原因分析

廖大可，李 輝

（中國(guó)石化催化劑有限公司長(zhǎng)嶺分公司，湖南岳陽 414012）

0 引言

中石化催化劑長(zhǎng)嶺分公司特材車間在生產(chǎn)HTS 分子篩、β分子篩的過程中，都需要采用無機(jī)膜過濾器進(jìn)行過濾。該車間有37 管無機(jī)膜過濾器6 臺(tái)，24 管無機(jī)膜過濾器8 臺(tái)，在用無機(jī)膜管414 根，密封圈828 個(gè)。2020 年以前，采用的是進(jìn)口膜管，每根8000 元。2021 年以來，嘗試采用國(guó)產(chǎn)膜管，每根2000 元。

特材車間近幾年生產(chǎn)中一直存在無機(jī)膜管頻繁斷裂、密封圈頻繁破損的現(xiàn)象，無機(jī)膜過濾器M201 曾經(jīng)一次性斷了23 根進(jìn)口膜管，直接損失184 000 元，M203 一次性斷了14 根進(jìn)口膜管，直接損失112 000 元，M2006 一次性斷了24 根國(guó)產(chǎn)膜管，直接損失48 000元，損失慘重。工作中斷一根、兩根的現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，而且無機(jī)膜管兩端的密封圈也頻繁破損，給車間的正常生產(chǎn)帶來很大困擾。如果能解決無機(jī)膜過濾器膜管頻繁斷裂、密封圈頻繁破損的問題，不僅能大幅降低膜管及密封圈的采購(gòu)費(fèi)用，而且能大幅減少檢維修次數(shù)，提高產(chǎn)品的收率，減少污水的排放和檢維修的費(fèi)用。

1 無機(jī)膜過濾器的特點(diǎn)及工作原理

膜分離技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域的精密型超級(jí)過濾設(shè)備，具有分離效率高、能耗低、過程溫和無相變、生產(chǎn)環(huán)境清潔等諸多優(yōu)點(diǎn)。其核心組件無機(jī)陶瓷膜具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性與孔穩(wěn)定性，不僅強(qiáng)度較高，且耐化學(xué)腐蝕，清洗再生性能好，兼?zhèn)溆懈咝н^濾與精密過濾的雙重優(yōu)點(diǎn)。

在無機(jī)膜過濾器過濾過程中，過濾液通過循環(huán)泵的輸送進(jìn)入無機(jī)膜過濾器，經(jīng)過無機(jī)膜管膜面時(shí)，在膜兩側(cè)產(chǎn)生的壓力差作用下，大于膜孔徑的物質(zhì)被截流在膜內(nèi)側(cè)、稱為濃縮液，小于膜孔徑的物質(zhì)透過無機(jī)膜管到膜的外側(cè)、稱為滲透液，從而達(dá)到分離的目的。

2 故障原因分析

裝配方式不當(dāng)，膜管及密封圈承受了過大的壓緊力是導(dǎo)致膜管及密封圈頻繁斷裂破損的主要原因。

以工藝編號(hào)為M2006 的無機(jī)膜管的安裝為例，為了敘述方便，取單個(gè)無機(jī)膜管的安裝來加以說明（圖1）。生產(chǎn)廠家技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)安裝無機(jī)膜管時(shí)，沒有加裝鋼墊，膜管及密封圈安裝就位后，直接用螺栓將蓋板擰緊，利用蓋板壓緊所有的密封圈。這樣安裝存在3 個(gè)問題。

圖1 M2006 膜管安裝

2.1 密封圈及膜管所承受的壓力過大

根據(jù)所選用的材料及熱處理的方式，螺栓的性能等級(jí)分為4.8～12.9 級(jí)9 個(gè)等級(jí)，以最低的4.8 級(jí)為例，M12 的螺栓的保證載荷（螺紋產(chǎn)品實(shí)物不產(chǎn)生明顯的塑性變形所能承受的極限載荷）為19 000 N（約1939 kgf），每個(gè)蓋板上有15 個(gè)緊固螺栓（圖2）。

圖2 膜管和孔板

蓋板在所有螺栓擰緊達(dá)到其保證載荷時(shí)所施加的壓力為：

式中 Q——螺栓組對(duì)孔板的壓力，N

Z——螺栓組的螺栓個(gè)數(shù)

F——各螺栓所受的拉力，N

在蓋板的凸緣接觸到孔板之前，螺栓所有的預(yù)緊力都由密封圈及膜管承受。從M2006 膜管的裝配圖中可以看到，蓋板的凸緣要接觸到孔板，須將密封圈壓縮5.5 mm，壓縮量太大，實(shí)際裝配中并沒有做到。由于密封圈是橡膠材料，過大的壓縮量容易導(dǎo)致密封圈破碎。陶瓷無機(jī)膜材料本身具有較高的抗壓強(qiáng)度，但制作成長(zhǎng)1200 mm、直徑40 mm 的細(xì)長(zhǎng)多孔的膜管后，抗壓強(qiáng)度會(huì)大大降低，具體數(shù)據(jù)廠家未提供，這里只作定性的分析。過大的壓力，易使膜管受到損傷。

在無機(jī)膜過濾過程中，物料須加熱到80 ℃以上，溫度的升高使膜管向兩端伸長(zhǎng)，導(dǎo)致膜管和密封圈受到更大的壓力。在無機(jī)膜過濾器的孔板上，至今還有未取出的斷螺栓，說明存在膜管安裝人員的預(yù)緊力過大，螺栓所受應(yīng)力超過了其屈服強(qiáng)度的現(xiàn)象。

2.2 兩端的蓋板螺栓并未真正地有效預(yù)緊

由于蓋板上螺栓的預(yù)緊力作用在密封圈上，過大的壓緊力使密封圈受到損傷，當(dāng)物料降溫后，密封圈失去彈性而不能恢復(fù)原來的張力，導(dǎo)致螺栓松動(dòng)，預(yù)緊力降低，密封失效而出現(xiàn)泄漏。松動(dòng)的螺栓由于機(jī)器的振動(dòng)而掉落，并隨物料流動(dòng)到一些閥門處導(dǎo)致閥門卡死，嚴(yán)重影響了車間的正常生產(chǎn)。

2.3 不能確保兩端蓋板與膜管垂直

由于密封圈是橡膠材料，而蓋板的凸緣并未壓實(shí)在孔板上，因此蓋板的安裝缺乏安裝基準(zhǔn)，很容易出現(xiàn)一邊緊一邊松的現(xiàn)象導(dǎo)致蓋板歪斜，從而使膜管受到彎曲應(yīng)力的作用，細(xì)長(zhǎng)多孔的膜管抗彎強(qiáng)度較差，易出現(xiàn)折斷現(xiàn)象。

因此，直接將蓋板用螺栓壓緊在密封圈上這種裝配方法是錯(cuò)誤的，除非設(shè)計(jì)時(shí)已考慮好密封圈、蓋板、孔板之間的相關(guān)尺寸并確定合理的壓縮量。

3 處理措施

螺栓的預(yù)緊力應(yīng)由無機(jī)膜過濾器兩端的孔板承受，密封圈和無機(jī)膜管應(yīng)只承受密封圈合適的壓縮量所受到的壓力，該壓力值應(yīng)在保證密封圈不出現(xiàn)泄漏的前提下越小越好。兩端的蓋板應(yīng)完全壓緊在無機(jī)膜過濾器兩端的孔板上，這樣，無論安裝人員施加多大的預(yù)緊力，密封圈及膜管所受到的壓力是固定的。同時(shí)保證了蓋板與無機(jī)膜管的垂直度。

這就需要在兩端的孔板上各安裝一個(gè)鋼墊，鋼墊厚度通過測(cè)試來獲?。?/p>

式中 S——鋼墊厚度，mm

L——密封圈外端面到孔板的距離，mm

H——蓋板凸緣的深度尺寸，mm

P——密封圈的壓縮量，mm

為了保證昂貴的物料不出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，先采用較薄的鋼墊測(cè)試：在孔板兩端各安裝了1 個(gè)2 mm 厚的鋼墊，此時(shí)橡膠圈的壓縮量為P=L-H-S=6.5-1-2=3.5 mm；第2 次安裝了1 個(gè)3 mm 厚的墊片，橡膠圈的壓縮量為P=L-H-S=6.5-1-3=2.5 mm，但仍然出現(xiàn)個(gè)別膜管斷裂的現(xiàn)象；第3 次制作了1 個(gè)4.5 mm 厚的鋼墊，使密封圈的壓縮量為1 mm，此后工作正常。再未出現(xiàn)膜管斷裂、密封圈破損的現(xiàn)象，過濾工作過程中也沒有泄漏現(xiàn)象。

4 膜管的安裝注意事項(xiàng)

（1）由于孔板上的內(nèi)螺紋都是盲孔，因此要控制緊固螺栓的長(zhǎng)度。在拆裝M2006 的過程中，發(fā)現(xiàn)螺栓長(zhǎng)度有25 mm 的，也有30 mm 的；由于孔板上的內(nèi)螺紋深度不完全一致，有的30 mm 長(zhǎng)的螺栓擰緊后其實(shí)是頂?shù)搅搜赖?，并未起到壓緊端蓋的作用。

（2）蓋板和孔板上的孔，生產(chǎn)廠家一般都是配鉆加工，很少有廠家能做到完全互換，因此蓋板和孔板預(yù)裝合格后，要打上鋼印，做好標(biāo)記。如果不按配鉆的位置安裝，有的螺栓擰起來會(huì)非常緊，會(huì)出現(xiàn)螺栓與內(nèi)螺紋“咬死”的現(xiàn)象，這在不銹鋼螺紋連接中經(jīng)常出現(xiàn)。

（3）拆卸膜管時(shí)，為了防止膜管一端脫離孔板時(shí)往下掉落磕壞膜管，可用去藥皮后前端磨圓了的焊條插入膜管孔中將膜管往前送，禁止直接將膜管往另一端推。

（4）安裝密封圈時(shí)，密封圈上的物料要認(rèn)真清洗干凈，否則會(huì)影響密封效果。

（5）螺栓擰緊，要對(duì)稱分批次逐步進(jìn)行，不可一次性將預(yù)緊力施加到位。要注意不要忘了裝上防松用的彈簧墊，對(duì)于已經(jīng)失去彈性變成了平墊的彈簧墊要及時(shí)更換。

（6）密封圈的尺寸要統(tǒng)一，不能各個(gè)廠家各不相同，給裝配工作帶來不必要的麻煩。

5 改進(jìn)后的效果

無機(jī)膜過濾器M2006 以前經(jīng)常出現(xiàn)膜管斷裂、密封圈破損的現(xiàn)象，按以上方法整改后，近3 個(gè)月來，工作一直正常。