超低溫小型離心泵機(jī)械密封的設(shè)計(jì)與研究

1簡(jiǎn)介超低溫液體是指烴類(lèi)的氣相，例如氧氣，氮?dú)?，空氣，氫氣，甲烷等，其沸點(diǎn)低于-100°C。隨著石化工業(yè)和空氣分離工業(yè)的快速發(fā)展，低溫液體不斷地在各種化學(xué)過(guò)程和工藝過(guò)程中被廣泛使用。因此，低溫液體輸送泵已經(jīng)成為這些過(guò)程設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)備之一。對(duì)于低溫泵，最重要的問(wèn)題之一是泵的軸封。由于低溫材料的限制以及工作流體容易汽化，泵的軸封很難解決。 2密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于大型超低溫液體輸送泵，一般采用立式泵結(jié)構(gòu)，有利于軸封的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和密封保護(hù)系統(tǒng)的布置，但配備軸封的系統(tǒng)是非常大而復(fù)雜，本文不做討論，本文僅研究流量為5-15m3 / h和揚(yáng)程≤120m的油罐車(chē)裝卸泵，過(guò)程泵的密封性在此范圍內(nèi)。 2.1密封參數(shù)：壓力：1.3MPa溫度：-196℃速度：2900rpm密封軸直徑：35mm介質(zhì)：液態(tài)氧，液態(tài)氮和液態(tài)碳?xì)浠衔?.2結(jié)構(gòu)類(lèi)型和密封性根據(jù)工作流體的特性，在超低溫液化氣泵，通常有以下密封形式可供選擇：機(jī)械密封b。迷宮吹封c。包裝密封。迷宮式吹氣密封件需要較長(zhǎng)的軸向尺寸，這對(duì)于油罐車(chē)加注和卸載泵來(lái)說(shuō)太復(fù)雜了，并且填料密封件的使用壽命短且需要大量維護(hù)。因此，沒(méi)有考慮密封件的設(shè)計(jì)和選擇。根據(jù)密封件的一般選擇原則，對(duì)以上三種密封件進(jìn)行綜合比較，最終確定出焊接的金屬波紋管機(jī)械密封件?？紤]到介質(zhì)的低溫特性（易汽化，粘度低，并且不易在密封端面上形成液膜），以防止由于機(jī)械密封而在機(jī)械密封端面上產(chǎn)生干摩擦。工作流體的汽化，出口和密封腔在泵內(nèi)部打開(kāi)，通常稱(chēng)為美國(guó)石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API610附錄D“機(jī)械密封和管路示意圖”中指定的API方案1，其原理是依靠壓差沖刷密封端面并帶走摩擦熱，保持密封部件的液態(tài)，從而保持密封。為了潤(rùn)滑端面的摩擦面，以避免在軸封上結(jié)冰，在機(jī)械密封的密封位置需要進(jìn)行氮?dú)獯祾?，以清除少量從密封泄漏的工作流體，以確保安全運(yùn)行。由于密封件對(duì)組裝的要求很高，其組裝精度將直接影響密封件的性能。因此，密封設(shè)計(jì)是一個(gè)整體單元部件，方便快速拆卸和組裝。 2.3密封的結(jié)構(gòu)特性超低溫泵始終處于輸送飽和液體的狀態(tài)，由于工作流體的汽化，很容易產(chǎn)生氣蝕和振動(dòng)。因此，在設(shè)計(jì)機(jī)械密封件時(shí)必須考慮浮動(dòng)性和跟隨性。金屬波紋管密封結(jié)構(gòu)采用靜態(tài)結(jié)構(gòu)，去除了傳統(tǒng)的動(dòng)環(huán)密封環(huán)，增加了動(dòng)環(huán)的浮動(dòng)，可以補(bǔ)償由于氣蝕和振動(dòng)引起的泵軸偏斜造成的密封失效，并且可以運(yùn)行停止時(shí)，請(qǐng)始終與密封端面保持有效接觸。采用雙層波片插入式傳動(dòng)波紋管結(jié)構(gòu)，強(qiáng)制扭矩通過(guò)插塞傳遞，避免波片扭轉(zhuǎn)。動(dòng)環(huán)的整體結(jié)構(gòu)可以有效減少溫度變形和力變形。 3材料選擇3.1選擇金屬?gòu)椥圆ㄆ牧蠒r(shí)，材料在超低溫條件下的冷脆性和承受機(jī)械沖擊的能力必須考慮最大的交流負(fù)載。根據(jù)有關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)：鎳，??銅，鋁含量較高的合金材料在低溫狀態(tài)下，其強(qiáng)度和可塑性變化不大。因此，超低溫金屬材料主要是高鎳合金，銅和鋁，而液氧中使用的金屬材料是青銅，可以有效避免火災(zāi)或爆炸引起的摩擦。金屬波紋管常用的波片材料是0Cr18Ni9Ti，AM-350等。與AM-350相比，0Cr18Ni9Ti的鎳含量是后者的兩倍，其低溫特性也優(yōu)于后者。最后，確定使用0Cr18Ni9Ti作為密封波片材料。 3.2摩擦副材料根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選擇摩擦副配套材料：靜態(tài)環(huán)材料：YG8（硬質(zhì)合金），動(dòng)態(tài)環(huán)材料：M158Sb（石墨浸銻）可以勝任高速，高負(fù)荷，超低溫度工作條件。 3.3輔助密封材料由于長(zhǎng)時(shí)間在超低溫條件下工作，根據(jù)目前的國(guó)內(nèi)材料情況，經(jīng)過(guò)篩選和比較，確定使用柔性石墨作為密封材料。在加工或組裝之前，必須對(duì)所有材料進(jìn)行低溫加工，這一點(diǎn)非常重要。 4密封件的工業(yè)運(yùn)行測(cè)試和失效分析密封件是根據(jù)上述參數(shù)設(shè)計(jì)并加工成產(chǎn)品的。它最初應(yīng)用于液氮罐車(chē)的排放泵。運(yùn)行4-5小時(shí)后，機(jī)械密封件泄漏了，拆下密封件時(shí)，波紋管破裂了。檢查與判斷：（1）檢查出廠參數(shù)，波紋管的自由高度沒(méi)有變化，（2）摩擦副（窄環(huán)）斷裂，外圈嚴(yán)重?fù)p壞，摩擦副（窄環(huán)）鑲嵌，外圈鑲嵌。磨損痕跡，在摩擦副的背面（窄環(huán)）上有明顯的磨損痕跡。 （3）檢測(cè)波紋管的外觀。波紋管環(huán)座的外圈上有摩擦痕跡。波紋管的內(nèi)焊縫和外焊縫均未受到撞擊或刮擦。波紋管內(nèi)圈焊縫破裂。出現(xiàn)上述情況的可能原因：軸和密封腔不是同心的，壓蓋螺紋和軸不是同心的，等等?；顒?dòng)環(huán)和軸傾斜，導(dǎo)致靜環(huán)和波紋管環(huán)座附在它上面傾斜，并且波紋管環(huán)座和壓蓋接觸。綜上所述，密封失效的原因是：泵的安裝或泵體零件加工錯(cuò)誤導(dǎo)致波紋管環(huán)座與壓蓋腔體傾斜并接觸，導(dǎo)致密封端面傾斜打開(kāi)，造成泄漏，繼續(xù)使用，當(dāng)波紋管環(huán)座的傾斜部分與壓蓋保持恒定接觸時(shí)，波紋管承受很大的扭矩，并且石墨環(huán)在操作過(guò)程中在壓力下破裂，這引起沖擊，從而導(dǎo)致波紋管破裂。 5.結(jié)論根據(jù)以上分析結(jié)果，在對(duì)密封件進(jìn)行再加工時(shí)，應(yīng)增加壓蓋的內(nèi)孔以將其與波紋管的靜環(huán)座之間的間隙調(diào)整為0.2mm，并嚴(yán)格檢查徑向跳動(dòng)和軸向組裝過(guò)程中泵軸的方向。軸和后蓋的運(yùn)動(dòng)和垂直度使其達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值。機(jī)械密封的重新安裝性能良好，平均使用壽命超過(guò)三個(gè)月。在開(kāi)發(fā)用于超低溫泵的機(jī)械密封的過(guò)程中，相繼使用了波片材料，例如AM-350和0Cr18Ni9Ti。實(shí)驗(yàn)表明，r18Ni9Ti可以在超低溫條件下長(zhǎng)時(shí)間使用。 。但是，對(duì)于家用波片材料，由于每批的化學(xué)成分不同，焊接工藝難以掌握，焊接困難，成品率低。建議使用進(jìn)口板。