超低温小型离心泵用机械密封的设计研究

1  引言

超低温液体是指沸点低于-100℃的氧、氮、空气、氢、甲烷等碳氢化合物的气体液相态。随着石油化学工业以及空分行业的迅速发展，低温液体在各种化学过程和工艺流程中正在不断地得到广泛应用。因此，低温液体输送泵就成为这些流程装置的关键设备之一。对于低温泵而言，最主要的难题之一就是泵的轴封，由于受到低温材料的限制、工作液易汽化等因素的影响，使得泵的轴封非常难以解决。

2  密封的结构形式设计

对于大型超低温液体输送泵来说，一般都采取立式泵结构形式，这样有利于轴封的结构设计及密封保护系统的布置，但其轴封配备的系统非常庞大、复杂，这里不作讨论；本文只对流量在5-15m³/h、扬程≤120m 的槽车填充、卸料泵及在此范围内的工艺流程泵用密封作研究。

2．1  密封参数：

压力：1.3MPa     温度：-196℃     转速：2900rpm

密封轴径：35mm   介质：液氧、液氮及液态碳氢化合物

2．2  结构型式及密封保护

根据工作液的特性，在超低温液化气泵中，通常有以下几种密封形式可供选择：a.机械密封b.迷宫吹气密封c.填料密封。             

迷宫吹气密封需要较长的轴向尺寸，对于槽车填充、卸料用泵来说过于复杂；而填料密封使用寿命短、维修量大，因此，在密封的设计选型时未作考虑。按照密封通常的选用原则，对以上三种密封型式进行综合比较后，最终确定选用焊接金属波纹管机械密封。

考虑到介质的低温特性（易汽化、粘度小、密封端面不易形成液膜），为防止机械密封端面由于工作液汽化而造成干摩擦，在泵的内部将出口与密封腔打通，即通常所说的美国石油学会标准API610附录D《机械密封和管路示意图》中规定的API方案1；其原理是依靠压差达到冲洗密封端面并带走摩擦热，维持密封部位的液相状态，从而维持密封端面摩擦面的润滑；为避免轴封部位结冰，需在机械密封压盖位置

配备氮气吹扫，可将密封泄漏的少量工作液带走，确保安全运行。

由于密封对装配要求很高，其装配精度将直接影响密封的性能，因此，密封设计

成集成式单元部件，便于快速拆装。

2．3  密封的结构特点

超低温下工作的泵，始终处于输送饱和液体的状态，极易发生因工作液汽化而产生汽蚀与震动；因此，设计机械密封时必须考虑其浮动性和追随性。

本金属波纹管密封结构采用静止式结构，去掉了传统的动环密封圈，增加动环的浮动性，可以补偿泵轴因汽蚀与震动产生的偏摆造成的密封失效，并能够在泵运转和停止时，始终保持密封端面的有效接触。采用双层波片拨插传动波纹管结构，通过拨插强制传递扭矩，避免波片扭裂；动环采用整体结构，可以有效地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，必须考虑在超低温条件下材料的冷脆性以及承受机械交变载荷的能力；根据有关试验资料介绍：含镍较高的合金材料、铜、铝，在低温状态下其强度和可塑性变化不大，因此，超低温金属材料以高镍合金、铜、铝为主；而应用于液氧中的金属材料以青铜为最佳，可以有效地避免因摩擦引起的着火或爆炸。

金属波纹管常用的波片材料有0Cr18Ni9Ti、AM-350等，0Cr18Ni9Ti材料与AM-350相比，前者的镍含量为后者的2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

根据经验选用摩擦副配对材料：

静环材料：YG8（硬质合金）；动环材料：M158Sb（石墨浸锑）

可以胜任高速、高负荷、超低温的工作条件。

3．3  辅助密封材料

由于长期处于超低温条件下工作，根据目前国内现有材料情况，经过筛选、对比，确定用柔性石墨作为垫片材料。

所有材料在加工或组装前均需要进行深冷处理，这一点非常重要。

4  密封的工业运行试验与失效分析

    密封按上述参数设计并加工成产品，最初应用于液氮槽车卸料泵上，经4-5小时运转后，机械密封泄露；拆下密封可见波纹管开裂。

检测与判断：

（1）    出厂参数对照检查，波纹管自由高度未发生变化；

（2）摩擦副（窄环）断裂，外圆严重撞伤；摩擦副（窄环）镶嵌脱落，镶嵌外圆有磨痕，摩擦副（窄环）背部有明显磨痕；

（3）波纹管的外观检测

   波纹管环座最大外圆有摩擦痕迹；波纹管内外焊缝无被撞或擦伤的痕迹；波纹管第一波内圆焊缝断裂。

造成上述情况的可能原因：

轴与密封腔体不同心；压盖螺纹与轴不同心等原因造成动环与轴倾斜，导致与其贴和的静环与波纹管环座倾斜，波纹管环座与压盖接触。

综上所述，此次密封失效的原因是：泵安装或泵体零件加工误差造成波纹管环座与压盖腔体发生倾斜并产生接触，导致密封端面倾斜打开，造成泄露；继续使用，此时的波纹管环座最大倾斜部分与压盖持续接触，导致波纹管承受非常大的扭矩，运行过程中石墨环受压断裂破损，由此引起冲击造成波纹管断裂。

5.  结束语

根据以上的分析结果，再次加工密封时,将压盖内孔加大，使之与波纹管静环座的间隙调整到0.2mm，装配时严格检查泵轴的径向跳动、轴向窜动以及轴与后盖的垂直度使之达到标准值。重新安装机械密封运行性能良好，平均寿命达到三个月以上，在研制超低温泵用机械密封过程中,先后使用过AM-350、0Cr18Ni9Ti等波片材料，实验证明r18Ni9Ti材料可以在超低温条件下长期使用。但国产的波片材料，由于每批次的化学成分不尽相同，焊接工艺较难掌握，给焊接造成很大麻烦，成品率较低，建议使用进口板材。

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