1引言
超低溫液體是指沸點(diǎn)低于-100℃的氧、氮、空氣、氫、甲烷等碳?xì)浠衔锏臍怏w液相態(tài)。隨著石油化學(xué)工業(yè)以及空分行業(yè)的迅速發(fā)展，低溫液體在各種化學(xué)過程和工藝流程中正在不斷地得到廣泛應(yīng)用。因此，低溫液體輸送泵就成為這些流程裝置的關(guān)鍵設(shè)備之一。對(duì)于低溫泵而言，最主要的難題之一就是泵的軸封，由于受到低溫材料的限制、工作液易汽化等因素的影響，使得泵的軸封非常難以解決。
2密封的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)
對(duì)于大型超低溫液體輸送泵來說，一般都采取立式泵結(jié)構(gòu)形式，這樣有利于軸封的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及密封保護(hù)系統(tǒng)的布置，但其軸封配備的系統(tǒng)非常龐大、復(fù)雜，這里不作討論；本文只對(duì)流量在5-15m3/h、揚(yáng)程≤120m的槽車填充、卸料泵及在此范圍內(nèi)的工藝流程泵用密封作研究。
2．1密封參數(shù)：
壓力：1.3MPa溫度：-196℃轉(zhuǎn)速：2900rpm
密封軸徑：35mm介質(zhì)：液氧、液氮及液態(tài)碳?xì)浠衔?br> 2．2結(jié)構(gòu)型式及密封保護(hù)
根據(jù)工作液的特性，在超低溫液化氣泵中，通常有以下幾種密封形式可供選擇：a.機(jī)械密封b.迷宮吹氣密封c.填料密封。
迷宮吹氣密封需要較長的軸向尺寸，對(duì)于槽車填充、卸料用泵來說過于復(fù)雜；而填料密封使用壽命短、維修量大，因此，在密封的設(shè)計(jì)選型時(shí)未作考慮。按照密封通常的選用原則，對(duì)以上三種密封型式進(jìn)行綜合比較后，最終確定選用焊接金屬波紋管機(jī)械密封。
考慮到介質(zhì)的低溫特性（易汽化、粘度小、密封端面不易形成液膜），為防止機(jī)械密封端面由于工作液汽化而造成干摩擦，在泵的內(nèi)部將出口與密封腔打通，即通常所說的美國石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API610附錄D《機(jī)械密封和管路示意圖》中規(guī)定的API方案1；其原理是依靠壓差達(dá)到?jīng)_洗密封端面并帶走摩擦熱，維持密封部位的液相狀態(tài)，從而維持密封端面摩擦面的潤滑；為避免軸封部位結(jié)冰，需在機(jī)械密封壓蓋位置.配備氮?dú)獯祾?，可將密封泄漏的少量工作液帶走，確保安全運(yùn)行。由于密封對(duì)裝配要求很高，其裝配精度將直接影響密封的性能，因此，密封設(shè)計(jì)成集成式單元部件，便于快速拆裝。
2．3密封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
超低溫下工作的泵，始終處于輸送飽和液體的狀態(tài)，極易發(fā)生因工作液汽化而產(chǎn)生汽蝕與震動(dòng)；因此，設(shè)計(jì)機(jī)械密封時(shí)必須考慮其浮動(dòng)性和追隨性。本金屬波紋管密封結(jié)構(gòu)采用靜止式結(jié)構(gòu)，去掉了傳統(tǒng)的動(dòng)環(huán)密封圈，增加動(dòng)環(huán)的浮動(dòng)性，可以補(bǔ)償泵軸因汽蝕與震動(dòng)產(chǎn)生的偏擺造成的密封失效，并能夠在泵運(yùn)轉(zhuǎn)和停止時(shí)，始終保持密封端面的有效接觸。采用雙層波片撥插傳動(dòng)波紋管結(jié)構(gòu)，通過撥插強(qiáng)制傳遞扭矩，避免波片扭裂；動(dòng)環(huán)采用整體結(jié)構(gòu)，可以有效地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(shí)，必須考慮在超低溫條件下材料的冷脆性以及承受機(jī)械交變載荷的能力；根據(jù)有關(guān)試驗(yàn)資料介紹：含鎳較高的合金材料、銅、鋁，在低溫狀態(tài)下其強(qiáng)度和可塑性變化不大，因此，超低溫金屬材料以高鎳合金、銅、鋁為主；而應(yīng)用于液氧中的金屬材料以青銅為最佳，可以有效地避免因摩擦引起的著火或爆炸。
金屬波紋管常用的波片材料有0Cr18Ni9Ti、AM-350等，0Cr18Ni9Ti材料與AM-350相比，前者的鎳含量為后者的2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)選用摩擦副配對(duì)材料：
靜環(huán)材料：YG8（硬質(zhì)合金）；動(dòng)環(huán)材料：M158Sb（石墨浸銻）
可以勝任高速、高負(fù)荷、超低溫的工作條件。
3．3輔助密封材料
由于長期處于超低溫條件下工作，根據(jù)目前國內(nèi)現(xiàn)有材料情況，經(jīng)過篩選、對(duì)比，確定用柔性石墨作為墊片材料。所有材料在加工或組裝前均需要進(jìn)行深冷處理，這一點(diǎn)非常重要。
4密封的工業(yè)運(yùn)行試驗(yàn)與失效分析
密封按上述參數(shù)設(shè)計(jì)并加工成產(chǎn)品，最初應(yīng)用于液氮槽車卸料泵上，經(jīng)4-5小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)后，機(jī)械密封泄露；拆下密封可見波紋管開裂。
檢測與判斷：
（1）出廠參數(shù)對(duì)照檢查，波紋管自由高度未發(fā)生變化；
（2）摩擦副（窄環(huán)）斷裂，外圓嚴(yán)重撞傷；摩擦副（窄環(huán)）鑲嵌脫落，鑲嵌外圓有磨痕，摩擦副（窄環(huán)）背部有明顯磨痕；
（3）波紋管的外觀檢測
波紋管環(huán)座最大外圓有摩擦痕跡；波紋管內(nèi)外焊縫無被撞或擦傷的痕跡；波紋管第一波內(nèi)圓焊縫斷裂。
造成上述情況的可能原因：
軸與密封腔體不同心；壓蓋螺紋與軸不同心等原因造成動(dòng)環(huán)與軸傾斜，導(dǎo)致與其貼和的靜環(huán)與波紋管環(huán)座傾斜，波紋管環(huán)座與壓蓋接觸。
綜上所述，此次密封失效的原因是：泵安裝或泵體零件加工誤差造成波紋管環(huán)座與壓蓋腔體發(fā)生傾斜并產(chǎn)生接觸，導(dǎo)致密封端面傾斜打開，造成泄露；繼續(xù)使用，此時(shí)的波紋管環(huán)座最大傾斜部分與壓蓋持續(xù)接觸，導(dǎo)致波紋管承受非常大的扭矩，運(yùn)行過程中石墨環(huán)受壓斷裂破損，由此引起沖擊造成波紋管斷裂。
5結(jié)束語
根據(jù)以上的分析結(jié)果，再次加工密封時(shí),將壓蓋內(nèi)孔加大，使之與波紋管靜環(huán)座的間隙調(diào)整到0.2mm，裝配時(shí)嚴(yán)格檢查泵軸的徑向跳動(dòng)、軸向竄動(dòng)以及軸與后蓋的垂直度使之達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值。重新安裝機(jī)械密封運(yùn)行性能良好，平均壽命達(dá)到三個(gè)月以上，在研制超低溫泵用機(jī)械密封過程中,先后使用過AM-350、0Cr18Ni9Ti等波片材料，實(shí)驗(yàn)證明r18Ni9Ti材料可以在超低溫條件下長期使用。但國產(chǎn)的波片材料，由于每批次的化學(xué)成分不盡相同，焊接工藝較難掌握，給焊接造成很大麻煩，成品率較低，建議使用進(jìn)口板材。
超低溫液體是指沸點(diǎn)低于-100℃的氧、氮、空氣、氫、甲烷等碳?xì)浠衔锏臍怏w液相態(tài)。隨著石油化學(xué)工業(yè)以及空分行業(yè)的迅速發(fā)展，低溫液體在各種化學(xué)過程和工藝流程中正在不斷地得到廣泛應(yīng)用。因此，低溫液體輸送泵就成為這些流程裝置的關(guān)鍵設(shè)備之一。對(duì)于低溫泵而言，最主要的難題之一就是泵的軸封，由于受到低溫材料的限制、工作液易汽化等因素的影響，使得泵的軸封非常難以解決。
2密封的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)
對(duì)于大型超低溫液體輸送泵來說，一般都采取立式泵結(jié)構(gòu)形式，這樣有利于軸封的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及密封保護(hù)系統(tǒng)的布置，但其軸封配備的系統(tǒng)非常龐大、復(fù)雜，這里不作討論；本文只對(duì)流量在5-15m3/h、揚(yáng)程≤120m的槽車填充、卸料泵及在此范圍內(nèi)的工藝流程泵用密封作研究。
2．1密封參數(shù)：
壓力：1.3MPa溫度：-196℃轉(zhuǎn)速：2900rpm
密封軸徑：35mm介質(zhì)：液氧、液氮及液態(tài)碳?xì)浠衔?br> 2．2結(jié)構(gòu)型式及密封保護(hù)
根據(jù)工作液的特性，在超低溫液化氣泵中，通常有以下幾種密封形式可供選擇：a.機(jī)械密封b.迷宮吹氣密封c.填料密封。
迷宮吹氣密封需要較長的軸向尺寸，對(duì)于槽車填充、卸料用泵來說過于復(fù)雜；而填料密封使用壽命短、維修量大，因此，在密封的設(shè)計(jì)選型時(shí)未作考慮。按照密封通常的選用原則，對(duì)以上三種密封型式進(jìn)行綜合比較后，最終確定選用焊接金屬波紋管機(jī)械密封。
考慮到介質(zhì)的低溫特性（易汽化、粘度小、密封端面不易形成液膜），為防止機(jī)械密封端面由于工作液汽化而造成干摩擦，在泵的內(nèi)部將出口與密封腔打通，即通常所說的美國石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API610附錄D《機(jī)械密封和管路示意圖》中規(guī)定的API方案1；其原理是依靠壓差達(dá)到?jīng)_洗密封端面并帶走摩擦熱，維持密封部位的液相狀態(tài)，從而維持密封端面摩擦面的潤滑；為避免軸封部位結(jié)冰，需在機(jī)械密封壓蓋位置.配備氮?dú)獯祾?，可將密封泄漏的少量工作液帶走，確保安全運(yùn)行。由于密封對(duì)裝配要求很高，其裝配精度將直接影響密封的性能，因此，密封設(shè)計(jì)成集成式單元部件，便于快速拆裝。
2．3密封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
超低溫下工作的泵，始終處于輸送飽和液體的狀態(tài)，極易發(fā)生因工作液汽化而產(chǎn)生汽蝕與震動(dòng)；因此，設(shè)計(jì)機(jī)械密封時(shí)必須考慮其浮動(dòng)性和追隨性。本金屬波紋管密封結(jié)構(gòu)采用靜止式結(jié)構(gòu)，去掉了傳統(tǒng)的動(dòng)環(huán)密封圈，增加動(dòng)環(huán)的浮動(dòng)性，可以補(bǔ)償泵軸因汽蝕與震動(dòng)產(chǎn)生的偏擺造成的密封失效，并能夠在泵運(yùn)轉(zhuǎn)和停止時(shí)，始終保持密封端面的有效接觸。采用雙層波片撥插傳動(dòng)波紋管結(jié)構(gòu)，通過撥插強(qiáng)制傳遞扭矩，避免波片扭裂；動(dòng)環(huán)采用整體結(jié)構(gòu)，可以有效地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(shí)，必須考慮在超低溫條件下材料的冷脆性以及承受機(jī)械交變載荷的能力；根據(jù)有關(guān)試驗(yàn)資料介紹：含鎳較高的合金材料、銅、鋁，在低溫狀態(tài)下其強(qiáng)度和可塑性變化不大，因此，超低溫金屬材料以高鎳合金、銅、鋁為主；而應(yīng)用于液氧中的金屬材料以青銅為最佳，可以有效地避免因摩擦引起的著火或爆炸。
金屬波紋管常用的波片材料有0Cr18Ni9Ti、AM-350等，0Cr18Ni9Ti材料與AM-350相比，前者的鎳含量為后者的2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)選用摩擦副配對(duì)材料：
靜環(huán)材料：YG8（硬質(zhì)合金）；動(dòng)環(huán)材料：M158Sb（石墨浸銻）
可以勝任高速、高負(fù)荷、超低溫的工作條件。
3．3輔助密封材料
由于長期處于超低溫條件下工作，根據(jù)目前國內(nèi)現(xiàn)有材料情況，經(jīng)過篩選、對(duì)比，確定用柔性石墨作為墊片材料。所有材料在加工或組裝前均需要進(jìn)行深冷處理，這一點(diǎn)非常重要。
4密封的工業(yè)運(yùn)行試驗(yàn)與失效分析
密封按上述參數(shù)設(shè)計(jì)并加工成產(chǎn)品，最初應(yīng)用于液氮槽車卸料泵上，經(jīng)4-5小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)后，機(jī)械密封泄露；拆下密封可見波紋管開裂。
檢測與判斷：
（1）出廠參數(shù)對(duì)照檢查，波紋管自由高度未發(fā)生變化；
（2）摩擦副（窄環(huán)）斷裂，外圓嚴(yán)重撞傷；摩擦副（窄環(huán)）鑲嵌脫落，鑲嵌外圓有磨痕，摩擦副（窄環(huán)）背部有明顯磨痕；
（3）波紋管的外觀檢測
波紋管環(huán)座最大外圓有摩擦痕跡；波紋管內(nèi)外焊縫無被撞或擦傷的痕跡；波紋管第一波內(nèi)圓焊縫斷裂。
造成上述情況的可能原因：
軸與密封腔體不同心；壓蓋螺紋與軸不同心等原因造成動(dòng)環(huán)與軸傾斜，導(dǎo)致與其貼和的靜環(huán)與波紋管環(huán)座傾斜，波紋管環(huán)座與壓蓋接觸。
綜上所述，此次密封失效的原因是：泵安裝或泵體零件加工誤差造成波紋管環(huán)座與壓蓋腔體發(fā)生傾斜并產(chǎn)生接觸，導(dǎo)致密封端面傾斜打開，造成泄露；繼續(xù)使用，此時(shí)的波紋管環(huán)座最大傾斜部分與壓蓋持續(xù)接觸，導(dǎo)致波紋管承受非常大的扭矩，運(yùn)行過程中石墨環(huán)受壓斷裂破損，由此引起沖擊造成波紋管斷裂。
5結(jié)束語
根據(jù)以上的分析結(jié)果，再次加工密封時(shí),將壓蓋內(nèi)孔加大，使之與波紋管靜環(huán)座的間隙調(diào)整到0.2mm，裝配時(shí)嚴(yán)格檢查泵軸的徑向跳動(dòng)、軸向竄動(dòng)以及軸與后蓋的垂直度使之達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值。重新安裝機(jī)械密封運(yùn)行性能良好，平均壽命達(dá)到三個(gè)月以上，在研制超低溫泵用機(jī)械密封過程中,先后使用過AM-350、0Cr18Ni9Ti等波片材料，實(shí)驗(yàn)證明r18Ni9Ti材料可以在超低溫條件下長期使用。但國產(chǎn)的波片材料，由于每批次的化學(xué)成分不盡相同，焊接工藝較難掌握，給焊接造成很大麻煩，成品率較低，建議使用進(jìn)口板材。