超低温小型离心泵机械密封的设计与研究

1引言超低温液体是指碳氢化合物的气态液态，如氧，氮，空气，氢，甲烷等，其沸点低于-100°C。在空气分离工业中，低温液体一直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处理装置的关键设备之一。对于低温泵，最困难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密封结构设计大型超低温输液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和复杂在这里不讨论。本文仅研究流量为5-15m3 / h，扬程≤120m的油罐车加注泵和卸油泵，以及此范围内的过程泵密封件。 2.1密封参数：压力：1.3MPa温度：-196℃转速：2900rpm密封轴直径：35mm介质：液氧，液氮和液态烃2.2结构类型和密封保护通常有几种类型的密封可供选择：a 。机械密封b。迷宫式密封圈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，填料密封件的使用寿命短且需要大量维护。因此，在密封件的设计中不考虑它。根据密封件的一般选择原则，对以上三种类型的密封件进行综合比较后，最终决定选择焊接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，难以在密封端面上形成液膜），以防止由于工作汽化而导致机械密封端面的干摩擦流体，出口和密封腔在泵内部打开，通常被称为美国石油协会标准API610附录D“机械密封和管道示意图”中指定的API方案1，其原理是：压差用于冲洗密封端面并带走摩擦热，保持密封部件的液体状态，从而保持密封润滑端面的摩擦表面，以避免轴封冻结，为机械密封压盖的位置配备氮气吹扫是必要的，这可以带走少量由密封泄漏的工作流体，以确保安全操作信息。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，密封件设计是一个整体单元部件，方便快速拆卸。 2.3密封件的结构特征在超低温下工作的泵始终处于输送饱和液体的状态，并且由于工作液体的汽化容易产生气蚀和振动。因此，在设计机械密封件时，必须考虑其浮动性和跟随性。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，增加了动环的浮动性，可以弥补由于气蚀和振动引起的泵轴偏斜造成的密封失效；可以在泵中运行并停止，始终保持与密封端面的有效接触。双层波片用于插入传动波纹管结构，扭矩通过表盘传递，以防止波片扭曲。动环采用一体化结构，可有效减少温度变形和力变形。 3材料选择3.1金属材料选择金属弹性波片材料时，材料的冷脆性和在超低温下承受机械交变载荷的能力必须考虑条件。根据相关测试数据：镍，​​铜，铝含量较高的合金材料，其强度和可塑性在低温下变化不大。因此，超低温金属材料主要是高镍合金，铜和铝，液氧中使用的金属材料是青铜，可以有效避免摩擦引起的火灾或爆炸。金属波纹管常用的波片材料是0Cr18Ni9Ti，AM-350等。与AM-350相比，0Cr18Ni9Ti材料的镍含量是后者的两倍，其低温特性优于后者。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材料：静态环材料：YG8（硬质合金），动态环材料：M158Sb（石墨浸渍锑）可用于高速，高负荷，超低温工作条件。 3.3辅助密封材料由于在超低温条件下可以长期工作，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。所有材料在加工或组装之前都需要进行低温处理，这非常重要。 4.工业运行测试及密封失效分析。根据上述参数将密封件设计并加工成产品。它最初应用于液氮罐车的排放泵。运行4-5小时后，机械密封泄漏。拆下密封件时，波纹管破裂。 。检测与判断：（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）为装上后，马赛克外圈上有磨损痕迹，摩擦副（窄环）的背面上有明显的磨损痕迹，（3）波纹管的外观检查波纹管圈座的外圈上有摩擦痕迹，并且波纹管的内部和外部焊缝上没有碰撞或刮痕的迹象。内部焊缝损坏。出现上述情况的可能原因：轴与密封腔不同轴，压盖螺纹与轴不同轴等。动态环和轴倾斜，导致静环和波纹管环座进入与其倾斜接触，则波纹管环座是密封套接触。总而言之，这种密封失效的原因是：泵的安装错误或泵主体零件的加工错误导致波纹管环座倾斜并与压盖腔接触，从而导致密封端倾斜打开，导致泄漏并继续使用。当波纹管环座的倾斜部分连续接触压盖时，波纹管将承受很大的扭矩。在运行过程中，石墨环在压力作用下会破裂，这会引起冲击，从而使波纹管破裂。 5.结论根据以上分析结果，再次进行密封处理时，将密封圈的内孔扩大，以将其与波纹管静环座之间的间隙调整为0.2mm，并调整密封圈的径向跳动和轴向泵轴在组装过程中经过严格检查。轴和后盖的运动以及垂直度使其达到标准值。重新安装的机械密封件的机械性能良好，平均寿命超过三个月。在开发用于超低温泵的机械密封的过程中，相继使用了AM-350、0Cr18Ni9Ti和其他波片材料。实验表明，r18Ni9Ti材料可在超低温条件下长期使用。但是，对于家用波片材料，由于每批的化学成分不同，焊接过程难以掌握，焊接困难，成品率低。建议使用进口板。