超低温小型离心泵机械密封的设计与研究

1简介超低温液体是指烃类的气相，例如氧气，氮气，空气，氢气，甲烷等，其沸点低于-100°C。随着石化工业和空气分离工业的快速发展，低温液体不断地在各种化学过程和工艺过程中被广泛使用。因此，低温液体输送泵已经成为这些过程设备的关键设备之一。对于低温泵，最重要的问题之一是泵的轴封。由于低温材料的限制以及工作流体容易汽化，泵的轴封很难解决。 2密封结构设计对于大型超低温液体输送泵，一般采用立式泵结构，有利于轴封的结构设计和密封保护系统的布置，但配备轴封的系统是非常大而复杂，本文不做讨论，本文仅研究流量为5-15m3 / h和扬程≤120m的油罐车装卸泵，过程泵的密封性在此范围内。 2.1密封参数：压力：1.3MPa温度：-196℃速度：2900rpm密封轴直径：35mm介质：液态氧，液态氮和液态碳氢化合物2.2结构类型和密封性根据工作流体的特性，在超低温液化气泵，通常有以下密封形式可供选择：机械密封b。迷宫吹封c。包装密封。迷宫式吹气密封件需要较长的轴向尺寸，这对于油罐车加注和卸载泵来说太复杂了，并且填料密封件的使用寿命短且需要大量维护。因此，没有考虑密封件的设计和选择。根据密封件的一般选择原则，对以上三种密封件进行综合比较，最终确定出焊接的金属波纹管机械密封件。考虑到介质的低温特性（易汽化，粘度低，并且不易在密封端面上形成液膜），以防止由于机械密封而在机械密封端面上产生干摩擦。工作流体的汽化，出口和密封腔在泵内部打开，通常称为美国石油协会标准API610附录D“机械密封和管路示意图”中指定的API方案1，其原理是依靠压差冲刷密封端面并带走摩擦热，保持密封部件的液态，从而保持密封。为了润滑端面的摩擦面，以避免在轴封上结冰，在机械密封的密封位置需要进行氮气吹扫，以清除少量从密封泄漏的工作流体，以确保安全运行。由于密封件对组装的要求很高，其组装精度将直接影响密封件的性能。因此，密封设计是一个整体单元部件，方便快速拆卸和组装。 2.3密封的结构特性超低温泵始终处于输送饱和液体的状态，由于工作流体的汽化，很容易产生气蚀和振动。因此，在设计机械密封件时必须考虑浮动性和跟随性。金属波纹管密封结构采用静态结构，去除了传统的动环密封环，增加了动环的浮动，可以补偿由于气蚀和振动引起的泵轴偏斜造成的密封失效，并且可以运行停止时，请始终与密封端面保持有效接触。采用双层波片插入式传动波纹管结构，强制扭矩通过插塞传递，避免波片扭转。动环的整体结构可以有效减少温度变形和力变形。 3材料选择3.1选择金属弹性波片材料时，材料在超低温条件下的冷脆性和承受机械冲击的能力必须考虑最大的交流负载。根据有关测试数据：镍，​​铜，铝含量较高的合金材料在低温状态下，其强度和可塑性变化不大。因此，超低温金属材料主要是高镍合金，铜和铝，而液氧中使用的金属材料是青铜，可以有效避免火灾或爆炸引起的摩擦。金属波纹管常用的波片材料是0Cr18Ni9Ti，AM-350等。与AM-350相比，0Cr18Ni9Ti的镍含量是后者的两倍，其低温特性也优于后者。最后，确定使用0Cr18Ni9Ti作为密封波片材料。 3.2摩擦副材料根据经验，选择摩擦副配套材料：静态环材料：YG8（硬质合金），动态环材料：M158Sb（石墨浸锑）可以胜任高速，高负荷，超低温度工作条件。 3.3辅助密封材料由于长时间在超低温条件下工作，根据目前的国内材料情况，经过筛选和比较，确定使用柔性石墨作为密封材料。在加工或组装之前，必须对所有材料进行低温加工，这一点非常重要。 4密封件的工业运行测试和失效分析密封件是根据上述参数设计并加工成产品的。它最初应用于液氮罐车的排放泵。运行4-5小时后，机械密封件泄漏了，拆下密封件时，波纹管破裂了。检查与判断：（1）检查出厂参数，波纹管的自由高度没有变化，（2）摩擦副（窄环）断裂，外圈严重损坏，摩擦副（窄环）镶嵌，外圈镶嵌。磨损痕迹，在摩擦副的背面（窄环）上有明显的磨损痕迹。 （3）检测波纹管的外观。波纹管环座的外圈上有摩擦痕迹。波纹管的内焊缝和外焊缝均未受到撞击或刮擦。波纹管内圈焊缝破裂。出现上述情况的可能原因：轴和密封腔不是同心的，压盖螺纹和轴不是同心的，等等。活动环和轴倾斜，导致静环和波纹管环座附在它上面倾斜，并且波纹管环座和压盖接触。综上所述，密封失效的原因是：泵的安装或泵体零件加工错误导致波纹管环座与压盖腔体倾斜并接触，导致密封端面倾斜打开，造成泄漏，继续使用，当波纹管环座的倾斜部分与压盖保持恒定接触时，波纹管承受很大的扭矩，并且石墨环在操作过程中在压力下破裂，这引起冲击，从而导致波纹管破裂。 5.结论根据以上分析结果，在对密封件进行再加工时，应增加压盖的内孔以将其与波纹管的静环座之间的间隙调整为0.2mm，并严格检查径向跳动和轴向组装过程中泵轴的方向。轴和后盖的运动和垂直度使其达到标准值。机械密封的重新安装性能良好，平均使用寿命超过三个月。在开发用于超低温泵的机械密封的过程中，相继使用了波片材料，例如AM-350和0Cr18Ni9Ti。实验表明，r18Ni9Ti可以在超低温条件下长时间使用。 。但是，对于家用波片材料，由于每批的化学成分不同，焊接工艺难以掌握，焊接困难，成品率低。建议使用进口板。