摘要：本文主要介紹超低溫小型離心泵用機械密封的結構設計、密封載荷系數的確定以及超低溫密封材料的選用。
1 引 言
超低溫液體是指沸點低于一100℃的氧、氮、空氣、氫及甲烷等碳氫化合物的氣體液相態。隨著石化和空分行業的迅速發展，低溫液體在各種化學過程和工藝流程中正在不斷獲得廣泛應用，因此，低溫液體輸送泵就成為這些流程裝置的關鍵設備。低溫泵最主要的難點就是泵的軸封，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。下面就筆者接觸到的超低溫小型離心泵的軸封從設計計算到工業試驗得到的一些體會作一闡述。
2 密封的結構形式設計
大型的超低溫液體輸送泵一般都采取立式泵結構形式，這樣有利于軸封的結構設計及密封保護系統的布置，但其軸封配備的系統非常龐大、復雜，這里不作討論；本文只對流量在515ms/h、揚程≤120m的槽車填充、卸料泵及在此范圍內的工藝流程泵用密封進行研究。
2.1 密封參數
壓力：1.3 MPa；溫度：-196~C；轉速：2900r/min；密封軸徑：35 mm；介質：液氧、液氮、液態碳氫化合物
2.2 結構型式及密封保護
根據工作液的特性，在超低溫液化氣泵中，通常有以下幾種密封形式可供選擇：(1)機械密封(2)迷宮吹氣密封(3)填料密封。
迷宮吹氣密封需要較長的軸向尺寸，對于槽車填充、卸料用泵來說過于復雜；而填料密封使用壽命短、維修量大，因此，在密封設計選型時未予考慮。最終確定選用焊接金屬波紋管機械密封。
考慮到介質的低溫特性(易汽化、粘度小、密封端面不易形成液膜)，為防止機械密封端面由于工作液汽化而造成千摩擦，在泵的內部將出口與密封腔打通，即通常所說的美國石油學會標準API 610附錄D《機械密封和管路示意圖》中規定的API方案1(見圖1)。其原理是依靠壓差達到沖洗密封端面并帶走摩擦熱，維持密封部位的液相狀態，從而維持密封端面摩擦面的潤滑；為避免軸封部位結冰，需在機械密封壓蓋位置配備氮氣吹掃，可將密封泄漏的少量工作液帶走，確保安全運行。
由于密封對裝配要求很高，其裝配精度將直接影響密封的性能，因此，密封設計成集成式單元部件，便于快速拆裝(密封結構見圖2)。
2.3 密封的結構特點
超低溫下工作的泵，始終處于輸送飽和液體的狀態，極易發生因工作液汽化而產生汽蝕與振動；因此，設計機械密封時必須考慮其浮動性和追隨性。
本金屬波紋管密封結構采用靜止式結構，去掉了傳統的動環密封圈，增加動環的浮動性，可以補償泵軸因汽蝕與振動產生的偏擺造成的密封失效，并能夠在泵運轉和停止時，始終保持密封端面的有效接觸。采用雙層波片撥插傳動波紋管結構，通過撥插強制傳遞扭矩，避免波片扭裂；動環采用整體結構，可以有效地減少溫度變形和受力變形。
3 材料選擇
3.1 金屬材料
選擇金屬彈性波片材料時，必須考慮在超低溫條件下材料的冷脆性以及承受機械交變載荷的能力。根據有關試驗資料介紹：含鎳較高的合金材料、銅、鋁，在低溫狀態下其強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0Crl8Ni9Ti、AM一350等，0Crl8Ni9Ti材料與AM一350相比，前者的鎳含量為后者的2倍，其低溫特性優于后者；最后確定使用0Crl8Ni9Ti作為密封波片材料。
3.2 摩擦副材料
根據經驗選用摩擦副配對材料：靜環材料：YG8(硬質合金)；動環材料：M158Sb
(石墨浸銻)可以勝任高速、高負荷、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，根據目前國內現有材料情況，經過篩選、對比，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行深冷處理，這一點非常重要。
4. 設計計算
(1)密封載荷系數 K的確定
低溫液化氣機械密封的密封端面液膜極易受溫度和壓力的影響而汽化，導致密封失效。因此，設計中主要考慮保證密封性能的同時盡量減少摩擦熱，以減少因端面摩擦熱造成的端面液膜汽化。正確選擇載荷系數K值非常重要，依據試驗資料及有關使用經驗確定K=0.81。
(2)反壓系數入的確定
入一反壓系數根據工作液的特性取0.7(經驗值)。
(3)確定波紋管有效作用直徑d。
波紋管的幾何尺寸見圖3。
式中波紋管外徑d1 =54 mm；波紋管內徑d2=41mm；計算確定波紋管有效作用直徑d。=47.6 mlTl。
(4)波紋管的剛度計算Kq
式中 Kq一波紋管的剛度(回彈率)，kg/mm；材料的彈性模量E=2.106×10 kg/mm ；
波片厚度 δ=0.12 mm；波紋管的波數n=8波；波片寬度B=6.5mm,忽略波紋管的波片形狀；
計算得出 Kq=2.47kg/mm2。
(5)密封端面摩擦接觸部位的尺寸
式中密封端面外徑D2=52mm；
密封端面內徑D1=46.5mm。
(6)彈簧比壓
根據結構要求，波紋管壓縮量為：h=4mm
(7)端面比壓P比
式中P一介質壓力12 kg/cm2(1.25MPa)
計算得知端面比壓P比=3.4 kg/cm2(0.362MPa)。
5密封的工業運行試驗與失效分析
密封按上述參數設計并加工成產品，最初應用于液氮槽車卸料泵上，經4～5小時運轉后，機械密封泄漏。拆下密封可見波紋管開裂。
檢測與判斷：
(1)與出廠參數對照檢查，波紋管自由高度未發生變化；
(2)摩擦副(窄環)斷裂，外圓嚴重撞傷；摩擦副(窄環)鑲嵌脫落，鑲嵌外圓有磨痕，摩擦副(窄環)背部有明顯磨痕；
(3)波紋管的外觀檢測波紋管環座最大外圓有摩擦痕跡；波紋管內外焊縫無被撞或擦傷的痕跡；波紋管第一波內圓焊縫斷裂。
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環與軸傾斜，導致與其貼合的靜環與波紋管環座傾斜，波紋管環座與壓蓋接觸(圖3)。
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座與壓蓋腔體發生傾斜并產生接觸，導致密封端面傾斜打開，造成泄漏；繼續使用，此時的波紋管環座最大傾斜部分與壓蓋持續接觸，導致波紋管承受非常大的扭矩，運行過程中石墨環受壓斷裂破損，由此引起沖擊造成波紋管斷裂。
6 結束語
根據以上的分析結果，再次加工密封時，將壓蓋內孔加大，使之與波紋管靜環座的間隙調整到0.2mm，裝配時嚴格檢查泵軸的徑向跳動、軸向竄動以及軸與后蓋的垂直度使之達到標準值(見圖1)。重新安裝機械密封運行性能良好，平均壽命達到三個月以上，在研制超低溫泵用機械密封過程中，先后使用過AM一350、0Crl 8Ni9Ti等波片材料，實驗證明0Crl8Ni9Ti材料可以在超低溫條件下長期使用。但國產的波片材料，由于每批次的化學成分不盡相同，焊接工藝較難掌握，給焊接造成很大麻煩，成品率較低，建議使用進口板材。
參考文獻
1陳德才崔德容.機械密封設計制造與使用.機械工業出版社.1993
2 E邁爾.機械密封(第六版).化學工業出版社，198l
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