新型螺杆机械密封材质的选型试验

2015-04-14樊勇

科技视界 2015年20期

关键词：螺杆泵扬程螺杆

樊勇

（中核建中核燃料元件有限公司，四川宜宾 644000）

新型螺杆机械密封材质的选型试验

樊勇

（中核建中核燃料元件有限公司，四川宜宾 644000）

通过论述新型螺杆泵机械密封材料选择、机封的密封方案、螺杆间距的试验证明：试验所选择的方案能满足生产的需要。

螺杆泵；机械密封；碳化硅

0 引言

我单位使用的老式螺杆泵流量小，不能完全满足生产的需要且易坏造成生产效率相对较低，统计数据：平均3天损坏一台。为节约成本、提高生产效率，为此，开展新型螺杆泵的研制。

1 螺杆泵的工作原理

双螺杆泵是一种容积式泵，由主螺杆和从动螺杆相互啮合，在泵可内形成若干彼此相隔的密封腔，使吸入腔与排出腔隔开。螺杆旋转时，吸入腔容积产生变化，将输送的物料吸入腔内，各密封腔带着输送的物料轴向移动。物料由吸入口连续均匀地被推至排出口，完成物料的输送。泵出口的高压和进口处的低压使靠螺杆之间、螺杆与泵壳之间极小的间隙造成的阻力来维持。间隙过大或因磨损而将使物料大量倒流，造成压力降低，流量减少，使泵的能力下降。

新型螺杆泵选用双螺杆泵卧式、两侧吸入、中间吐出的结构，密封形式采用机械密封，减少物料的泄漏，更换容易，延长泵的工作寿命。

2 生产现状

现在使用的螺杆泵为填料密封，泵的密封性能差，容易造成贮槽积液和泄漏，影响生产正常运行；螺杆泵接触面极易损坏，平均3天损坏一台。所以提高流量解决泄漏和提高泵额寿命是当务之急。

3 准备工作

老式螺杆泵为填料密封，经过调研知机械密封的泄漏量为调料密封的1/100（机械密封为3ml/h）[1]。所以选定机械密封为新型泵的密封形式。

4 泵试验

4.1 密封材料优选试验

4.1.1 材料的选择

目前用于机械密封的材料有石墨、碳化硅、硬质合金、陶瓷、不锈钢、丁晴-400型圈、乙丙胶、氟橡胶、聚四氟乙烯、氮化硅、氧化铝、碳化钛等材料[1]。

对选择的密封材料进行物料影响试验。试验是在12个2L的容器中进行的，每个容器中都装有相同的0.5L溶液，再装1L的二次水，每个容器中分别放入大小相同的不同的密封材料，放入后对每个容器进行搅拌，隔一定时间取样分析，其试验结果见表1（试验是在常温下进行的）：

表1 各种材料对物料的影响（mol/L）

从表1可以看出，只有石墨、硬质合金、不锈钢等对物料有明显反应。因此，石墨、硬质合金、不锈钢不适合新型泵的需要。不采用石墨、硬质合金和不锈钢材质作密封材料。

陶瓷比较脆弱，考虑到物料的性能，不宜采用。丁晴、乙丙胶、氟橡胶、聚四氟乙烯等材料多用作填料密封，不耐磨，业不适合机械密封使用[1]。

经过初步分析，拟采用碳化硅、氮化硅、氧化铝和碳化钛作为试验材料。

4.1.2 试验材料的物化性能

1）碳化硅的物化性能

在重载下具有良好的耐磨性和减磨性，热导率高，抗震性能良好，弹性模量大及良好的化学稳定性、高熔点、高硬度，具有低的热膨胀系数。

同时采用不同烧结形式，将会获得不同的物理性能，以适应工况要求。

2）氮化硅的物化性能

具有高温稳定性、抗热震性、化学稳定性和良好的电绝缘性及质硬性。对于浓硫酸和浓氢氧化钠作用也缓慢。

3）氧化铝的物化性能

两性氧化物，化学性质稳定，不溶于水微溶于碱和酸，易烧结。4）碳化钛的物化性能

化学性质稳定，不溶于水，耐酸性强，硬度高，弹性模量大。

4.1.3 试验内容

试验中对机械密封的动环材料的选择有以下四种方案：

方案1：动、静环材料为碳化硅（整体）；

方案2：动、静环材料为氮化硅（整体）；

方案3：动、静环材料为氧化铝（99%）；

方案4：动、静环材料为碳化钛（整体）。

试验是在老式泵上进行，机封型号及规格为HM-35，就上诉四种方案进行试验。试验是在协作单位进行的，数据见表2：

表2 四种方案结构

从表2可以看出，方案1的试验结果效果最好。动、静环材质采用碳化硅。

为进一步验证方案1的可行性，对所选的机械密封材质和结构由协作配套单位进行试验，试验结果见表3：

表3 方案1密封泄漏检测结果

该机械密封材质按JB/T8091-98标准执行进行测试，按JB/T53302-94标准进行判定，该材料完全满足需要。

4.2 密封材料结构方式优选试验

经过调研比较，了解到有三种机械密封形式适合螺杆泵的需求。机械密封机构的三套方案分别为：

方案Ⅰ[2]：单端面、内装式非平衡型机封，采用腔体（介质入口）母液内冲洗冷却。

方案Ⅱ[2]：单端面、内装式非平衡型机封，采用外接（介质入口）母液内冲洗冷却。

方案Ⅲ[2]：单端面、外装式平衡型机封，采用外接冲洗冷却。

这三套方案可以通过做实验来证明哪一种密封方式适合生产的需要。

经过理论分析：选择方案Ⅰ的机械密封型式进行密封泄漏试验。

方案Ⅰ：单端面、内装式非平衡型机封，采用腔体（介质入口）母液内冲洗冷却。

表4 测试数据

选定方案后，请协作配套单位进行机械设计加工。加工制作的密封件经过专业部门检验，全部符合JB4236-86标准。

为验证机械密封件性能，请协作配套单位进行相应试验。机械密封经过二十于次的性能测试，没发现任何泄漏。

4.3 螺杆间距的优选试验

以现有泵的轴径基础上，不改变泵腔的内部尺寸，适当增加轴径，用选定的机械密封作为密封件进行试验真机试验。真机共制作了四台，分别叫 1#机、2#机、3#机、4#机。

请协作配套单位进行相应试验，试验数据见表4：

从表4的实验数据可以看出，2#机流量、扬程偏低，不能满足生产的需要，而4#机的流量为7.022时，扬程为150米，轴功率为5.426Kw，由于电机不能满足生产现场的需要（设计时完全按照生产现场的电机功率设计的），因此实可能使电机过载，次方案部可行。而3#机的性能经过多次测试，表明其性能参数能够满足新型螺杆泵的性能要求，即流量为6.5～7.5m3/h，扬程为110～140m。因此我们把流量为7m3/h，扬程为120m确定为泵的设计点，进行设计。

为了进一步掌握新型螺杆泵的螺杆与壁厚（外壳与内腔工作面）的间距对流量、扬程的影响，又进一步进行如下试验。

径向（直径）间隙3#机进行性能测试，试验后分别磨削螺杆外径，使间距由小到大（0.04～0.15mm），以确定间距的影响。其试验结果见表5：

试验表明,当间距控制中0.06～0.08mm时，新型螺杆泵的能能最佳，而最佳点又为0.07mm。