中低放废液水泥固化线搅拌器

密封性能改进技术

安晓丽

中核四川环保工程有限责任公司，四川广元 628000

摘要：中低放废液水泥固化处理生产线的核心设备搅拌器，存在密封性差，更换周期短。通过对搅拌器进行技术改进，增设隔离套，采用磁力传动结合机械密封，有效提高密封性能，实现水泥搅拌器零泄漏、无污染，保证长期安全可靠稳定运行。

关键词：搅拌器；磁力传动搅拌；密封

前言

核能产业发展产生的大量中低放废液带来极大的环境安全隐患，水泥固化作为一种处理中低放废液的成熟技术，通过将一定比例的中低放废液与水泥搅拌均匀后，废液转变为稳定的、标准化的固体废物，便于运输至放射性废物处置场进行处置。该项技术已在国内外广泛推广应用,实现了放射性废物安全可控管理。

1. 运行状况描述

中低放废液桶外搅拌水泥固化技术是利用水泥的水化作用，将计量好的废液、水泥先加入密闭的搅拌器中搅拌均匀形成水泥灰浆后卸到400L金属桶内固化。将废液转变为稳定的、标准化的固体废物。该技术的优势在于处理效率高，可以处理较高放射性水平的废液，该技术目前在国内已实现了连续稳定运行。

1.1.搅拌器密封问题

搅拌器是将废液与一定比例的水泥在转速（200-800rpm）温度（30-50℃）下搅拌均匀，排放在固定的容器里，采用的是机械密封，依靠机械传动方式实现机械搅拌，搅拌浆设置在搅拌器的底部，在搅拌桨的传动轴和搅拌器之间设有轴承，为保证其搅拌物质不外泄，在此轴承外设有轴密封系统，该密封系统采用的是轴瓦+填料+水汽密封的复杂系统。在长时间使用过程中密封经常出现问题，水泥灰浆在密封轴处泄漏导致一定程度的放射性外泄，直接污染了检修环境，增加了检修及运行人员的辐照风险。

2.改造技术方案

2.1 磁力传动器作用原理

磁传动器由内、外磁转子、隔离套组成，隔离套将内磁转子及介质与外磁转子隔绝；外磁转子由电机驱动，转动时利用磁耦合特性带动内磁转子旋转，完成非接触的力矩传递，从而达到传动搅拌器静密封的目的。它是由具有高矫顽力的永磁体相互间进行紧密排列而组成的。其主要特点是磁场聚集、传递力矩大、相对体积小。是目前磁力驱动器中最常采用的一种新型的磁路排列方式（图1）。

a.静止状态                           b.工作状态

图1 磁体排列方式

2.2分析温度对磁扭矩强度影响曲线图：

扭矩强度

%

120

100

80

60

可逆扭矩损失

普通钐钴

1.5级

高性能钐钴

2.17级

Sm2Co17

钕铁硼

40Nd2Fe14B

20

不可逆扭矩损失

居里温度

0

0oC

100oC

200oC 300oC400oC500oC600oC700oC

图2温度对磁扭矩强度影响曲线图

2.3磁力传动器结构

磁力传动器主要由内磁转子、外磁转子、隔离套组成，隔离套将内磁转子及介质与外磁转子隔绝；外磁转子由电机驱动，外磁转子转动时利用磁耦合特性带动内磁转子旋转，完成非接触的力矩传递，从而实现了传动搅拌器静密封的目的（图3）。磁力传动搅拌器有别于其它机械密封搅拌器，它无动密封，只有静密封，从根本上解决了流程中机械密封泵的跑、冒、滴、漏问题，做到了完全无泄漏。

图3 磁力传动器结构

2.4搅拌轴与轴承箱上部动密封结构

磁力密封将搅拌介质完全与外部空气隔离。通过现场工艺冷却水压来密封；原理是利用冷却水（0.15MPa）的压力高于罐体内微负压原理，达到轴封的密封作用，同时从轴封间隙进入罐体内的冷却水流量是很微量的（0.7-1L/h）,该冷却水同时起到润滑轴承和冷却磁传动器的双重作用。工艺冷却水始终充满在磁传动器内，水泥介质不会向下流动（图4）。

图4动密封结构图

工艺密封冷却水入口安装了逆止阀，假如密封水断流在短时间对设备没有影响，同时在入口处安装压力表感应装置，当断流时压力感应器传递信号报警提示操作人员及时处理；保护措施起到了冷却水断流或压力下降，导致搅拌介质反串倒流，起到安全可靠，长期稳定运行的目的。

在隔离套固定在轴承箱的下端面处，与轴承箱之间采用耐辐照的金属石墨缠绕垫，通过螺栓连接。

3.安装步骤

1)先将搅拌器的轴承箱（轴系组件）的花键与叶轮花键部位安装在一起，紧固在釜体底部的法兰上；

2)安装叶轮及轴端螺母与拉杆；

3)将隔套法兰和隔套整体安装在轴承箱上；

4)将外转子与内转子安装在一起，再装夹杆联轴器，将减速机输出端与外转子的轮毂通过夹杆联轴器连接在一起；

5)连接水密封管至轴承箱接口处，安装压力变送器或其它监控装置；

4.改进效果

机械密封经过现场实际应用，其能在水泥浆介质工况下展现良好的密封性能，因此保留机械密封组件。由于填料函主要功能是防止机械密封进水管的水外漏，可进行简化。动力传输结构采用磁力传动技术。减速机连接外磁转子，外磁转子通过磁场作用于隔离套内的内磁转子，内磁转子通过联轴器带动传动轴，传动轴带动搅拌桨旋转，达到搅拌的目的。

表1机械传动与磁力传动混合搅拌器优缺点对比分析

名称	优点	缺点
磁力传动混合搅拌器	1.磁力传动，彻底解决废液外泄问题 2.减少机械传动磨损故障 3.结构简单，零部件少，运行维护方便 4.整体安装拆卸，步骤简单	1.动密封结构密封性能不符合要求 2.少量冷却水内漏，产生废物量
机械传动混合搅拌器	1.采用传统机械密封技术、密封性能好 2.结构紧凑，适用于近距离传动 3.传动比精确，传动效率高	1.废液外泄，直接与检修环境接触，污染环境 2.结构复杂，机械部件使用寿命短 3.加工安装精度高，工作噪声和振动偏大 4.轴传动结构易磨损，材料性能要求高

通过对机械传动以及磁力传动混合搅拌器的运行状况及密封技术进行分析，结合二者的优缺点对比分析，可以发现若能综合磁力传动和机械传动二者的技术优势，将磁力传动与机械密封相结合，这不仅能够彻底解决水泥浆在搅拌过程中外泄问题，也能保证固化线在生产运行过程中不会因为水泥浆泄露导致搅拌桨卡死停机。

1)采用磁力传动技术，外磁转子与电机减速机输出端连接，当电机转动时，外磁转子通过磁场作用于隔离套内的内磁转子，利用磁耦合特性带动内磁转子旋转，内磁转子带动旋转轴和叶轮整体转动，完成了非接触的动力传递；

2)搅拌器的轴承箱与罐体底部采用静密封，轴承箱与隔离套之间采用了静密封，实现了整个运行过程中的无泄漏；

3)搅拌器主体材质均为304不锈钢，可防止腐蚀破坏；

4)搅拌轴与轴承箱的上部采用动密封和水压密封相结合，在结构设计上尽可能的防止了废液的内泄漏。

5)鉴于本设备结构的特殊性，极大的提升了设备的维修周期，给予工作人员更好的安全保证。

5.结论

通过改变轴承材料和轴系结构，搅拌电机通过减速器带动磁力搅拌外套，磁力搅拌外套与磁力搅拌内套都是强永磁体，在磁力搅拌外套与磁力搅拌内套间有一个隔离罩，以实现搅拌器与磁力搅拌外套的物理隔离对不仅能够彻底解决水泥浆在搅拌过程中外泄的问题，而且在整体结构及安装拆卸方面都具优势。同时机械密封经过长期应用证明，在水泥浆介质下能发挥良好的密封性能。所以将磁力传动技术和机械密封技术进行良性结合，不仅能保证固化线持续稳定安全运行，还能彻底解决废液外泄所导致的环境污染等一系列安全风险问题。

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