新型螺桿機(jī)械密封材質(zhì)的選型試驗(yàn)

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(jī)械密封材質(zhì)的選型試驗(yàn)

樊 勇

（中核建中核燃料元件有限公司，四川 宜賓 644000）

通過(guò)論述新型螺桿泵機(jī)械密封材料選擇、機(jī)封的密封方案、螺桿間距的試驗(yàn)證明：試驗(yàn)所選擇的方案能滿足生產(chǎn)的需要。

螺桿泵；機(jī)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(chǎn)的需要且易壞造成生產(chǎn)效率相對(duì)較低，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：平均3天損壞一臺(tái)。為節(jié)約成本、提高生產(chǎn)效率，為此，開(kāi)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(dòng)螺桿相互嚙合，在泵可內(nèi)形成若干彼此相隔的密封腔，使吸入腔與排出腔隔開(kāi)。螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，吸入腔容積產(chǎn)生變化，將輸送的物料吸入腔內(nèi)，各密封腔帶著輸送的物料軸向移動(dòng)。物料由吸入口連續(xù)均勻地被推至排出口，完成物料的輸送。泵出口的高壓和進(jìn)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(lái)維持。間隙過(guò)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(cè)吸入、中間吐出的結(jié)構(gòu)，密封形式采用機(jī)械密封，減少物料的泄漏，更換容易，延長(zhǎng)泵的工作壽命。

2 生產(chǎn)現(xiàn)狀

現(xiàn)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(chǎn)正常運(yùn)行；螺桿泵接觸面極易損壞，平均3天損壞一臺(tái)。所以提高流量解決泄漏和提高泵額壽命是當(dāng)務(wù)之急。

3 準(zhǔn)備工作

老式螺桿泵為填料密封，經(jīng)過(guò)調(diào)研知機(jī)械密封的泄漏量為調(diào)料密封的1/100（機(jī)械密封為3ml/h）[1]。所以選定機(jī)械密封為新型泵的密封形式。

4 泵試驗(yàn)

4.1 密封材料優(yōu)選試驗(yàn)

4.1.1 材料的選擇

目前用于機(jī)械密封的材料有石墨、碳化硅、硬質(zhì)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(duì)選擇的密封材料進(jìn)行物料影響試驗(yàn)。試驗(yàn)是在12個(gè)2L的容器中進(jìn)行的，每個(gè)容器中都裝有相同的0.5L溶液，再裝1L的二次水，每個(gè)容器中分別放入大小相同的不同的密封材料，放入后對(duì)每個(gè)容器進(jìn)行攪拌，隔一定時(shí)間取樣分析，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1（試驗(yàn)是在常溫下進(jìn)行的）：

表1 各種材料對(duì)物料的影響 （mol/L）

從表1可以看出，只有石墨、硬質(zhì)合金、不銹鋼等對(duì)物料有明顯反應(yīng)。因此，石墨、硬質(zhì)合金、不銹鋼不適合新型泵的需要。不采用石墨、硬質(zhì)合金和不銹鋼材質(zhì)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(yè)不適合機(jī)械密封使用[1]。

經(jīng)過(guò)初步分析，擬采用碳化硅、氮化硅、氧化鋁和碳化鈦?zhàn)鳛樵囼?yàn)材料。

4.1.2 試驗(yàn)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(dǎo)率高，抗震性能良好，彈性模量大及良好的化學(xué)穩(wěn)定性、高熔點(diǎn)、高硬度，具有低的熱膨脹系數(shù)。

同時(shí)采用不同燒結(jié)形式，將會(huì)獲得不同的物理性能，以適應(yīng)工況要求。

2）氮化硅的物化性能

具有高溫穩(wěn)定性、抗熱震性、化學(xué)穩(wěn)定性和良好的電絕緣性及質(zhì)硬性。對(duì)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(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不溶于水微溶于堿和酸，易燒結(jié)。4）碳化鈦的物化性能

化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不溶于水，耐酸性強(qiáng)，硬度高，彈性模量大。

4.1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)中對(duì)機(jī)械密封的動(dòng)環(huán)材料的選擇有以下四種方案：

方案1：動(dòng)、靜環(huán)材料為碳化硅（整體）；

方案2：動(dòng)、靜環(huán)材料為氮化硅（整體）；

方案3：動(dòng)、靜環(huán)材料為氧化鋁（99%）；

方案4：動(dòng)、靜環(huán)材料為碳化鈦（整體）。

試驗(yàn)是在老式泵上進(jìn)行，機(jī)封型號(hào)及規(guī)格為HM-35，就上訴四種方案進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)是在協(xié)作單位進(jìn)行的，數(shù)據(jù)見(jiàn)表2：

表2 四種方案結(jié)構(gòu)

從表2可以看出，方案1的試驗(yàn)結(jié)果效果最好。動(dòng)、靜環(huán)材質(zhì)采用碳化硅。

為進(jìn)一步驗(yàn)證方案1的可行性，對(duì)所選的機(jī)械密封材質(zhì)和結(jié)構(gòu)由協(xié)作配套單位進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3：

表3 方案1密封泄漏檢測(cè)結(jié)果

該機(jī)械密封材質(zhì)按JB/T8091-98標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行進(jìn)行測(cè)試，按JB/T53302-94標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判定，該材料完全滿足需要。

4.2 密封材料結(jié)構(gòu)方式優(yōu)選試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)調(diào)研比較，了解到有三種機(jī)械密封形式適合螺桿泵的需求。機(jī)械密封機(jī)構(gòu)的三套方案分別為：

方案Ⅰ[2]：?jiǎn)味嗣?、?nèi)裝式非平衡型機(jī)封，采用腔體（介質(zhì)入口）母液內(nèi)沖洗冷卻。

方案Ⅱ[2]：?jiǎn)味嗣妗?nèi)裝式非平衡型機(jī)封，采用外接（介質(zhì)入口）母液內(nèi)沖洗冷卻。

方案Ⅲ[2]：?jiǎn)味嗣妗⑼庋b式平衡型機(jī)封，采用外接沖洗冷卻。

這三套方案可以通過(guò)做實(shí)驗(yàn)來(lái)證明哪一種密封方式適合生產(chǎn)的需要。

經(jīng)過(guò)理論分析：選擇方案Ⅰ的機(jī)械密封型式進(jìn)行密封泄漏試驗(yàn)。

方案Ⅰ：?jiǎn)味嗣?、?nèi)裝式非平衡型機(jī)封，采用腔體（介質(zhì)入口）母液內(nèi)沖洗冷卻。

表4 測(cè)試數(shù)據(jù)

選定方案后，請(qǐng)協(xié)作配套單位進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)加工。加工制作的密封件經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)部門(mén)檢驗(yàn)，全部符合JB4236-86標(biāo)準(zhǔn)。

為驗(yàn)證機(jī)械密封件性能，請(qǐng)協(xié)作配套單位進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)。機(jī)械密封經(jīng)過(guò)二十于次的性能測(cè)試，沒(méi)發(fā)現(xiàn)任何泄漏。

4.3 螺桿間距的優(yōu)選試驗(yàn)

以現(xiàn)有泵的軸徑基礎(chǔ)上，不改變泵腔的內(nèi)部尺寸，適當(dāng)增加軸徑，用選定的機(jī)械密封作為密封件進(jìn)行試驗(yàn)真機(jī)試驗(yàn)。真機(jī)共制作了四臺(tái)，分別叫 1#機(jī)、2#機(jī)、3#機(jī)、4#機(jī)。

請(qǐng)協(xié)作配套單位進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4：

從表4的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，2#機(jī)流量、揚(yáng)程偏低，不能滿足生產(chǎn)的需要，而4#機(jī)的流量為7.022時(shí)，揚(yáng)程為150米，軸功率為5.426Kw，由于電機(jī)不能滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的需要（設(shè)計(jì)時(shí)完全按照生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的電機(jī)功率設(shè)計(jì)的），因此實(shí)可能使電機(jī)過(guò)載，次方案部可行。而3#機(jī)的性能經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，表明其性能參數(shù)能夠滿足新型螺桿泵的性能要求，即流量為6.5～7.5m3/h，揚(yáng)程為110～140m。因此我們把流量為7m3/h，揚(yáng)程為120m確定為泵的設(shè)計(jì)點(diǎn)，進(jìn)行設(shè)計(jì)。

為了進(jìn)一步掌握新型螺桿泵的螺桿與壁厚 （外殼與內(nèi)腔工作面）的間距對(duì)流量、揚(yáng)程的影響，又進(jìn)一步進(jìn)行如下試驗(yàn)。

徑向（直徑）間隙3#機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試，試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5：

試驗(yàn)表明,當(dāng)間距控制中0.06～0.08mm時(shí)，新型螺桿泵的能能最佳，而最佳點(diǎn)又為0.07mm。

表5 螺桿間距與流量、揚(yáng)程的關(guān)系

5 結(jié)論

通過(guò)一些列試驗(yàn)，掌握了新型螺桿泵外徑及間距與流量、揚(yáng)程的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明用3#機(jī)：?jiǎn)味嗣?、?nèi)裝式非平衡型機(jī)封，采用采用腔體（介質(zhì)入口）母液內(nèi)沖洗冷卻；機(jī)械密封的動(dòng)、靜環(huán)均采用碳化硅；螺桿間距為0.07mm時(shí)的螺桿泵可以滿足生產(chǎn)的要求。

［1］機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(3)[M].2版.機(jī)械工業(yè)出版社,2000.6.

［2］時(shí)均,汪家鼎,等.化工工程手冊(cè)[M].化工工業(yè)出版社,1996.

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