一种用于高温稀硫酸的集装式机械密封的设计

1一种用于高温稀硫酸的集装式机械密封的设计1朱军1、吴红良2、刘波3（1．成都流体机械密封制造有限公司，四川成都610083；2．四川冶金设备开发有限公司，四川成都610041；3．四川建设机械有限公司，四川成都610000）摘要：机械密封在化工行业的应用越来越广泛，甚至起着决定性作用。本文针对具体的工况条件做出分析，阐述了选材的方法、原则，介绍了一种有效的方案，既能长期有效地起到密封作用，又能方便地安装拆卸。同时就成本问题进行了考虑，分别给出了三种不同成本的方案。本设计经用户试用，取得了理想的效果。关键词：稀硫酸，高温，机械密封，哈氏合金Ausedinhigh-temperaturedilutesulphuricacidthecollectionattiretypemechanicalsealdesignZhujun1、Wuhongliang2、Liubo3（1.ChengduHydro-mechanicalSealCo.,LTD，SiChuanChengDu610083；2.SichuanmetallurgicalequipmentdevelopmentCo.,LTD，SiChuanChengDu610041；3.SichuanconstructionmachineryCo.,LTD,SiChuanChengDu610000）Abstract：Mechanicalsealinchemicalindustryisusedmorewidely,evenplaysadecisiverole.Accordingtothespecificconditionsmakeanalysis,expoundstheselectionofmethodsandprinciples,introducesakindofeffectivesolutions.Canbothlong-termeffectivelyplay,andsealingfunctioncaneasilyinstallremoval.Atthesametimewillcostproblemsontheconsideration,aregivenrespectivelyandthreedifferentcostoptions.Thisdesignbyusertrial,theresultissatisfactory.keywords：Dilutesulphuricacid，Hightemperature，Mechanicalseal，Hastelloy作者简介：朱军（1987—），男，学士，助理工程师，主要从事机械密封的设计制造工作通讯地址：四川省成都市金牛区高科技产业园北区石化路88号，邮政编码：610083联系电话：13096385846028—8358208021．概述机械密封是一种由至少一对垂直于旋转轴线的端面在流体压力和补偿机构的弹力（或磁力）的作用及辅助密封的配合下，保持贴合并相对滑动而构成的防止流体泄漏的装置，又称端面密封。我公司客户XX单位硫酸泵原用机械密封寿命很短（不到一个月就被严重腐蚀，产生大量泄漏），因此特委托我公司根据其泵腔尺寸及工况条件设计机械密封。其使用工况较为恶劣，具体如下表所示：介质温度压力转速20%～30%稀硫酸（含结晶颗粒）90℃0.1～0.2MPa3000r/min在这种工况下，温度和转速都相对较高，介质腐蚀性较强且含结晶颗粒，容易造成堵塞。2．机械密封设计方案2．1选材机械密封依靠密封副超微的高精度密封端面组合和相互滑动摩擦，形成密封面。正确合理地选择材料，特别是摩擦副材料对保证机械密封工作的稳定性，延长其使用寿命，降低成本有重要意义。密封副端面材料应满足如下要求：①较好的化学稳定性，能抵抗介质的腐蚀、磨蚀、溶解和溶胀；②较高的机械强度，避免产生强度破坏和端面变形，尺寸稳定性好；③较低的滑动摩擦系数，优良的耐磨性、自润滑性及不渗透性；④配对材料摩擦学相容性好，粘着倾向性小，配合性能好；⑤较好的导热性、耐热性、耐寒性、耐温度急变性；⑥材料来源方便，易于成形和加工，成本低廉。辅助密封圈应满足如下要求：①良好的弹性，较低的摩擦系数，有一定的抗撕裂强度；②与介质相容，不易产生溶胀、溶缩、分解、硬化；③在压缩之后即长期工作中具有较小的永久变形；④在高温下使用有不粘着性，低温下不硬脆而失去弹性。综合工况条件和上述要求，查阅《腐蚀数据手册》发现，常用作密封副的材料硬质合金（YG6、YG8），常用作基体材料的304（0Cr18Ni9）、316L（00Cr17Ni14Mo2）及321（1Cr18Ni9Ti）不锈钢在这种工况下均极易被腐蚀，不能选用。而烧结SiC和哈氏合金基本不发生腐蚀，能较好地满足使用工况，辅助密封采用常用的氟橡胶（F-26）即能满足要求。但是哈氏合金价格昂贵，因此在本设计方案中还必须考虑尽量减少贵重金属的使用。综上所述，本设计方案的选材如下：①主密封副动静环均采用烧结SiC；②各辅助密封圈均采用氟橡胶F-26；③与介质接触的钢件（如图1中轴套1和前压盖8）采用哈氏合金；3④其余钢件均采用316L不锈钢。2．2结构设计（如图1所示）2．2．1摩擦副整体式动静环（如图1中12、13）均设计为整体式，一方面避免了钢件在高温下发生形变引起密封失效，另一方面又避免了镶嵌形式使用贵重金属造成的成本上升。由于动静环摩擦副采用硬对硬形式，磨损极微，不致于相互嵌入，所以环宽可以相同，也可以不同。本方案中端面宽度设计为3mm，将载荷系数K值设定为1.2，既保证密封面不致轻易损坏，又有利于散发摩擦热。SiC是脆性材料，因此过渡断面处均为均缓过渡，圆角半径为R1～R3，避免在温度急剧变化或应力的作用下发生脆断，导致密封失效。图1装配图1-轴套；2-定位块；3-小压盖；4-骨架油封-B型（GB-13871-92）；5-小压盖O圈；6-大气侧弹簧座；7-后压盖；8-前压盖；9-前压盖O圈；10-介质侧弹簧座；11-静环O圈；12-静环；13-动环；14-动环O圈；15-轴套O圈；16-动环传动销；17-静环防转销；18-弹簧；19-冲洗水管接头；20-盘头型螺钉（GB/T70.1-2000）42．2．2轴套整体式或组合式在本方案中，轴套有两种形式可供选择：整体式和组合式，组合式又有螺纹连接式（如图2）和焊接式（如图3）两种。图2螺纹连接式轴套1-前轴套；2-后轴套；3-O形圈图3焊接式轴套整体式轴套（如图1）由哈氏合金棒料加工而成；组合式则由哈氏合金与316L不锈钢组合而成，其成本相对来讲进一步降低，其加工方法如下：①螺纹连接式：粗车成形→精车螺纹→配作精车（保证前后两端的同轴度）；②焊接式：粗车成形→焊为整体→精车。哈氏合金的焊接性能和普通奥氏体不锈钢相似，在对哈氏合金进行焊接之前，必须要采取措施以使焊缝及热影响区的抗腐蚀性能下降最小。一般焊接工艺如下：焊材选用ERNi-Mo7；焊接方法钨极气体保护焊（GTAW）；控制层间温度不大于120℃；5焊丝直径φ2.4、φ3.2；焊接电流90~150A。同时，施焊前，焊丝、被焊接件坡口及相邻部位应进行打磨、去污脱脂处理。哈氏合金热传导系数比钢小得多，应采用较低的热输入量，以防止热裂纹的产生，并通过焊后热处理消除残余应力。2．2．3大弹簧静止式因介质中含少量结晶颗粒，为防止颗粒堵塞弹簧造成弹簧失效，因此采用大弹簧。而转速相对较高，旋转式弹簧补偿机构受离心力影响较大，易造成密封的失效。因此本方案采用大弹簧静止式。2．2．4压盖组合式在满足安装尺寸的要求下，为达到设计功能的要求，将压盖分为三部分：前压盖、后压盖和小压盖（如图1中3、7、8）。前压盖与介质接触，材料为哈氏合金，其与后压盖之间用圆柱头螺钉连接成整体。因压盖的轴向尺寸较大，小压盖的主要作用是为了方便骨架油封与弹簧的装拆。2．3辅助密封设计辅助密封包括动静环的密封圈，其作用主要是：防止动环和转轴、静环与压盖之间的泄漏，补偿密封面的偏斜和振动，以保证动静环端面良好的贴合。辅助密封圈的材料主要有弹性体（如橡胶）、塑料（如四氟）、纤维（如石棉、碳纤维）、无机材料（如膨胀石墨）和金属（如铜、铝、不锈钢）。本方案中辅助密封由O形圈和骨架油封构成。装辅助密封圈的零件应有过渡倒角，其表面粗糙度不低于Ra0.32μm。2．4温度控制方案设计由于密封面摩擦和密封环的搅拌会不断产生热量，同时介质温度较高，因此需要降低轴封箱温度，才能保证密封正常工作。冲洗能带走热量、降低轴封箱温度，防止液膜气化，改善润滑条件，防止干运转、杂质积集和气囊形成，是一种控制温度、延长机械密封寿命的最有效措施。本方案中介质为高温、腐蚀性强和含固体颗粒的液体，采用外冲洗，两个冲洗孔对称分布。冲洗液为洁净自来水，压力应比轴封箱内压力大0.05～0.1MPa。同时采用背冷方式，不仅起到密封面冷却作用，同时起到水封作用，防止液体外漏。3．结论该方案采用单端面集装式结构，安装方便简单。经过客户的试用，取得了较为理想的效果，在三个月内泄漏量小于3ml/h，符合标准JB4127.3-1999（《机械密封产品验收技术条件》）。在满足恶劣工况要求的前提下，同时为用户节约了成本，并大大提高了使用寿命。参考文献[1]顾永泉．机械密封实用技术．机械工业出版社，2009年6月．[2]左景伊．腐蚀数据手册．化学工业出版社，1995年．[3]李平，蔡启舟，魏伯康．铸造高合金不锈钢在稀硫酸水砂介质中的冲刷腐蚀行为．铸造，2007（2）：181～184．[4]中国机械工程学会设备与维修工程分会．密封使用与维修问答．机械工业出版社，2005年7月．[5]顾永泉．按API682选择机械密封系统．石油化工设备，2000（1）：35～37．