超低溫小型離心泵機(jī)械密封的設(shè)計與研究

1引言超低溫液體是指碳?xì)浠衔锏臍鈶B(tài)液態(tài)，如氧，氮，空氣，氫，甲烷等，其沸點(diǎn)低于-100°C。在空氣分離工業(yè)中，低溫液體一直在各種化學(xué)過程和工藝過程中被廣泛使用。因此，低溫液體輸送泵已經(jīng)成為這些處理裝置的關(guān)鍵設(shè)備之一。對于低溫泵，最困難的問題之一是泵的軸封。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)計大型超低溫輸液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)是非常大和復(fù)雜在這里不討論。本文僅研究流量為5-15m3 / h，揚(yáng)程≤120m的油罐車加注泵和卸油泵，以及此范圍內(nèi)的過程泵密封件。 2.1密封參數(shù)：壓力：1.3MPa溫度：-196℃轉(zhuǎn)速：2900rpm密封軸直徑：35mm介質(zhì)：液氧，液氮和液態(tài)烴2.2結(jié)構(gòu)類型和密封保護(hù)通常有幾種類型的密封可供選擇：a 。機(jī)械密封b。迷宮式密封圈c。包裝密封。迷宮式吹氣密封件需要較長的軸向尺寸，這對于油罐車加注和卸載泵來說太復(fù)雜了，填料密封件的使用壽命短且需要大量維護(hù)。因此，在密封件的設(shè)計中不考慮它。根據(jù)密封件的一般選擇原則，對以上三種類型的密封件進(jìn)行綜合比較后，最終決定選擇焊接金屬波紋管機(jī)械密封件?？紤]到介質(zhì)的低溫特性（易汽化，粘度低，難以在密封端面上形成液膜），以防止由于工作汽化而導(dǎo)致機(jī)械密封端面的干摩擦流體，出口和密封腔在泵內(nèi)部打開，通常被稱為美國石油協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)API610附錄D“機(jī)械密封和管道示意圖”中指定的API方案1，其原理是：壓差用于沖洗密封端面并帶走摩擦熱，保持密封部件的液體狀態(tài)，從而保持密封潤滑端面的摩擦表面，以避免軸封凍結(jié)，為機(jī)械密封壓蓋的位置配備氮?dú)獯祾呤潜匾?，這可以帶走少量由密封泄漏的工作流體，以確保安全操作信息。由于密封件對組裝的要求很高，其組裝精度將直接影響密封件的性能。因此，密封件設(shè)計是一個整體單元部件，方便快速拆卸。 2.3密封件的結(jié)構(gòu)特征在超低溫下工作的泵始終處于輸送飽和液體的狀態(tài)，并且由于工作液體的汽化容易產(chǎn)生氣蝕和振動。因此，在設(shè)計機(jī)械密封件時，必須考慮其浮動性和跟隨性。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)的動環(huán)密封環(huán)，增加了動環(huán)的浮動性，可以彌補(bǔ)由于氣蝕和振動引起的泵軸偏斜造成的密封失效；可以在泵中運(yùn)行并停止，始終保持與密封端面的有效接觸。雙層波片用于插入傳動波紋管結(jié)構(gòu)，扭矩通過表盤傳遞，以防止波片扭曲。動環(huán)采用一體化結(jié)構(gòu)，可有效減少溫度變形和力變形。 3材料選擇3.1金屬材料選擇金屬彈性波片材料時，材料的冷脆性和在超低溫下承受機(jī)械交變載荷的能力必須考慮條件。根據(jù)相關(guān)測試數(shù)據(jù)：鎳，??銅，鋁含量較高的合金材料，其強(qiáng)度和可塑性在低溫下變化不大。因此，超低溫金屬材料主要是高鎳合金，銅和鋁，液氧中使用的金屬材料是青銅，可以有效避免摩擦引起的火災(zāi)或爆炸。金屬波紋管常用的波片材料是0Cr18Ni9Ti，AM-350等。與AM-350相比，0Cr18Ni9Ti材料的鎳含量是后者的兩倍，其低溫特性優(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)選擇摩擦副材料：靜態(tài)環(huán)材料：YG8（硬質(zhì)合金），動態(tài)環(huán)材料：M158Sb（石墨浸漬銻）可用于高速，高負(fù)荷，超低溫工作條件。 3.3輔助密封材料由于在超低溫條件下可以長期工作，根據(jù)目前的國內(nèi)材料情況，經(jīng)過篩選和比較，確定使用柔性石墨作為密封材料。所有材料在加工或組裝之前都需要進(jìn)行低溫處理，這非常重要。 4.工業(yè)運(yùn)行測試及密封失效分析。根據(jù)上述參數(shù)將密封件設(shè)計并加工成產(chǎn)品。它最初應(yīng)用于液氮罐車的排放泵。運(yùn)行4-5小時后，機(jī)械密封泄漏。拆下密封件時，波紋管破裂。 。檢測與判斷：（1）檢查出廠參數(shù)，波紋管的自由高度沒有變化，（2）摩擦副（窄環(huán)）斷裂，外圈嚴(yán)重?fù)p壞，摩擦副（窄環(huán)）為裝上后，馬賽克外圈上有磨損痕跡，摩擦副（窄環(huán)）的背面上有明顯的磨損痕跡，（3）波紋管的外觀檢查波紋管圈座的外圈上有摩擦痕跡，并且波紋管的內(nèi)部和外部焊縫上沒有碰撞或刮痕的跡象。內(nèi)部焊縫損壞。出現(xiàn)上述情況的可能原因：軸與密封腔不同軸，壓蓋螺紋與軸不同軸等。動態(tài)環(huán)和軸傾斜，導(dǎo)致靜環(huán)和波紋管環(huán)座進(jìn)入與其傾斜接觸，則波紋管環(huán)座是密封套接觸。總而言之，這種密封失效的原因是：泵的安裝錯誤或泵主體零件的加工錯誤導(dǎo)致波紋管環(huán)座傾斜并與壓蓋腔接觸，從而導(dǎo)致密封端傾斜打開，導(dǎo)致泄漏并繼續(xù)使用。當(dāng)波紋管環(huán)座的傾斜部分連續(xù)接觸壓蓋時，波紋管將承受很大的扭矩。在運(yùn)行過程中，石墨環(huán)在壓力作用下會破裂，這會引起沖擊，從而使波紋管破裂。 5.結(jié)論根據(jù)以上分析結(jié)果，再次進(jìn)行密封處理時，將密封圈的內(nèi)孔擴(kuò)大，以將其與波紋管靜環(huán)座之間的間隙調(diào)整為0.2mm，并調(diào)整密封圈的徑向跳動和軸向泵軸在組裝過程中經(jīng)過嚴(yán)格檢查。軸和后蓋的運(yùn)動以及垂直度使其達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值。重新安裝的機(jī)械密封件的機(jī)械性能良好，平均壽命超過三個月。在開發(fā)用于超低溫泵的機(jī)械密封的過程中，相繼使用了AM-350、0Cr18Ni9Ti和其他波片材料。實(shí)驗(yàn)表明，r18Ni9Ti材料可在超低溫條件下長期使用。但是，對于家用波片材料，由于每批的化學(xué)成分不同，焊接過程難以掌握，焊接困難，成品率低。建議使用進(jìn)口板。