新型螺桿機械密封材質的選型試驗

樊 勇

（中核建中核燃料元件有限公司，四川 宜賓 644000）

新型螺桿機械密封材質的選型試驗

樊 勇

（中核建中核燃料元件有限公司，四川 宜賓 644000）

通過論述新型螺桿泵機械密封材料選擇、機封的密封方案、螺桿間距的試驗證明：試驗所選擇的方案能滿足生產的需要。

螺桿泵；機械密封；碳化硅

0 引言

我單位使用的老式螺桿泵流量小，不能完全滿足生產的需要且易壞造成生產效率相對較低，統計數據：平均3天損壞一臺。為節約成本、提高生產效率，為此，開展新型螺桿泵的研制。

1 螺桿泵的工作原理

雙螺桿泵是一種容積式泵，由主螺桿和從動螺桿相互嚙合，在泵可內形成若干彼此相隔的密封腔，使吸入腔與排出腔隔開。螺桿旋轉時，吸入腔容積產生變化，將輸送的物料吸入腔內，各密封腔帶著輸送的物料軸向移動。物料由吸入口連續均勻地被推至排出口，完成物料的輸送。泵出口的高壓和進口處的低壓使靠螺桿之間、螺桿與泵殼之間極小的間隙造成的阻力來維持。間隙過大或因磨損而將使物料大量倒流，造成壓力降低，流量減少，使泵的能力下降。

新型螺桿泵選用雙螺桿泵臥式、兩側吸入、中間吐出的結構，密封形式采用機械密封，減少物料的泄漏，更換容易，延長泵的工作壽命。

2 生產現狀

現在使用的螺桿泵為填料密封，泵的密封性能差，容易造成貯槽積液和泄漏，影響生產正常運行；螺桿泵接觸面極易損壞，平均3天損壞一臺。所以提高流量解決泄漏和提高泵額壽命是當務之急。

3 準備工作

老式螺桿泵為填料密封，經過調研知機械密封的泄漏量為調料密封的1/100（機械密封為3ml/h）[1]。所以選定機械密封為新型泵的密封形式。

4 泵試驗

4.1 密封材料優選試驗

4.1.1 材料的選擇

目前用于機械密封的材料有石墨、碳化硅、硬質合金、陶瓷、不銹鋼、丁晴-400型圈、乙丙膠、氟橡膠、聚四氟乙烯、氮化硅、氧化鋁、碳化鈦等材料[1]。

對選擇的密封材料進行物料影響試驗。試驗是在12個2L的容器中進行的，每個容器中都裝有相同的0.5L溶液，再裝1L的二次水，每個容器中分別放入大小相同的不同的密封材料，放入后對每個容器進行攪拌，隔一定時間取樣分析，其試驗結果見表1（試驗是在常溫下進行的）：

表1 各種材料對物料的影響 （mol/L）

從表1可以看出，只有石墨、硬質合金、不銹鋼等對物料有明顯反應。因此，石墨、硬質合金、不銹鋼不適合新型泵的需要。不采用石墨、硬質合金和不銹鋼材質作密封材料。

陶瓷比較脆弱，考慮到物料的性能，不宜采用。丁晴、乙丙膠、氟橡膠、聚四氟乙烯等材料多用作填料密封，不耐磨，業不適合機械密封使用[1]。

經過初步分析，擬采用碳化硅、氮化硅、氧化鋁和碳化鈦作為試驗材料。

4.1.2 試驗材料的物化性能

1）碳化硅的物化性能

在重載下具有良好的耐磨性和減磨性，熱導率高，抗震性能良好，彈性模量大及良好的化學穩定性、高熔點、高硬度，具有低的熱膨脹系數。

同時采用不同燒結形式，將會獲得不同的物理性能，以適應工況要求。

2）氮化硅的物化性能

具有高溫穩定性、抗熱震性、化學穩定性和良好的電絕緣性及質硬性。對于濃硫酸和濃氫氧化鈉作用也緩慢。

3）氧化鋁的物化性能

兩性氧化物，化學性質穩定，不溶于水微溶于堿和酸，易燒結。4）碳化鈦的物化性能

化學性質穩定，不溶于水，耐酸性強，硬度高，彈性模量大。

4.1.3 試驗內容

試驗中對機械密封的動環材料的選擇有以下四種方案：

方案1：動、靜環材料為碳化硅（整體）；

方案2：動、靜環材料為氮化硅（整體）；

方案3：動、靜環材料為氧化鋁（99%）；

方案4：動、靜環材料為碳化鈦（整體）。

試驗是在老式泵上進行，機封型號及規格為HM-35，就上訴四種方案進行試驗。試驗是在協作單位進行的，數據見表2：

表2 四種方案結構

從表2可以看出，方案1的試驗結果效果最好。動、靜環材質采用碳化硅。

為進一步驗證方案1的可行性，對所選的機械密封材質和結構由協作配套單位進行試驗，試驗結果見表3：

表3 方案1密封泄漏檢測結果

該機械密封材質按JB/T8091-98標準執行進行測試，按JB/T53302-94標準進行判定，該材料完全滿足需要。

4.2 密封材料結構方式優選試驗

經過調研比較，了解到有三種機械密封形式適合螺桿泵的需求。機械密封機構的三套方案分別為：

方案Ⅰ[2]：單端面、內裝式非平衡型機封，采用腔體（介質入口）母液內沖洗冷卻。

方案Ⅱ[2]：單端面、內裝式非平衡型機封，采用外接（介質入口）母液內沖洗冷卻。

方案Ⅲ[2]：單端面、外裝式平衡型機封，采用外接沖洗冷卻。

這三套方案可以通過做實驗來證明哪一種密封方式適合生產的需要。

經過理論分析：選擇方案Ⅰ的機械密封型式進行密封泄漏試驗。

方案Ⅰ：單端面、內裝式非平衡型機封，采用腔體（介質入口）母液內沖洗冷卻。

表4 測試數據

選定方案后，請協作配套單位進行機械設計加工。加工制作的密封件經過專業部門檢驗，全部符合JB4236-86標準。

為驗證機械密封件性能，請協作配套單位進行相應試驗。機械密封經過二十于次的性能測試，沒發現任何泄漏。

4.3 螺桿間距的優選試驗

以現有泵的軸徑基礎上，不改變泵腔的內部尺寸，適當增加軸徑，用選定的機械密封作為密封件進行試驗真機試驗。真機共制作了四臺，分別叫 1#機、2#機、3#機、4#機。

請協作配套單位進行相應試驗，試驗數據見表4：

從表4的實驗數據可以看出，2#機流量、揚程偏低，不能滿足生產的需要，而4#機的流量為7.022時，揚程為150米，軸功率為5.426Kw，由于電機不能滿足生產現場的需要（設計時完全按照生產現場的電機功率設計的），因此實可能使電機過載，次方案部可行。而3#機的性能經過多次測試，表明其性能參數能夠滿足新型螺桿泵的性能要求，即流量為6.5～7.5m3/h，揚程為110～140m。因此我們把流量為7m3/h，揚程為120m確定為泵的設計點，進行設計。

為了進一步掌握新型螺桿泵的螺桿與壁厚 （外殼與內腔工作面）的間距對流量、揚程的影響，又進一步進行如下試驗。

徑向（直徑）間隙3#機進行性能測試，試驗后分別磨削螺桿外徑，使間距由小到大（0.04～0.15mm），以確定間距的影響。其試驗結果見表5：

試驗表明,當間距控制中0.06～0.08mm時，新型螺桿泵的能能最佳，而最佳點又為0.07mm。

表5 螺桿間距與流量、揚程的關系

5 結論

通過一些列試驗，掌握了新型螺桿泵外徑及間距與流量、揚程的關系。試驗結果表明用3#機：單端面、內裝式非平衡型機封，采用采用腔體（介質入口）母液內沖洗冷卻；機械密封的動、靜環均采用碳化硅；螺桿間距為0.07mm時的螺桿泵可以滿足生產的要求。

［1］機械設計手冊(3)[M].2版.機械工業出版社,2000.6.

［2］時均,汪家鼎,等.化工工程手冊[M].化工工業出版社,1996.

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