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(zhì)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(chǎn)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(chǎn)的需要且易壞造成生產(chǎn)效率相對較低，統(tǒng)計數(shù)據(jù)：平均3天損壞一臺。為節(jié)約成本、提高生產(chǎn)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(nèi)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(zhuǎn)時，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。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(cè)吸入、中間吐出的結(jié)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(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(jīng)過調(diào)研知機械密封的泄漏量為調(diào)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(yōu)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(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(jié)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(zhì)合金、不銹鋼等對物料有明顯反應。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)不適合機械密封使用[1]。

經(jīng)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(wěn)定性、高熔點、高硬度，具有低的熱膨脹系數(shù)。

同時采用不同燒結(jié)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(wěn)定性、抗熱震性、化學穩(wěn)定性和良好的電絕緣性及質(zhì)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(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

化學性質(zhì)穩(wěn)定，不溶于水，耐酸性強，硬度高，彈性模量大。

4.1.3 試驗內(nèi)容

試驗中對機械密封的動環(huán)材料的選擇有以下四種方案：

方案1：動、靜環(huán)材料為碳化硅（整體）；

方案2：動、靜環(huán)材料為氮化硅（整體）；

方案3：動、靜環(huán)材料為氧化鋁（99%）；

方案4：動、靜環(huán)材料為碳化鈦（整體）。

試驗是在老式泵上進行，機封型號及規(guī)格為HM-35，就上訴四種方案進行試驗。試驗是在協(xié)作單位進行的，數(shù)據(jù)見表2：

表2 四種方案結(jié)構

從表2可以看出，方案1的試驗結(jié)果效果最好。動、靜環(huán)材質(zhì)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(zhì)和結(jié)構由協(xié)作配套單位進行試驗，試驗結(jié)果見表3：

表3 方案1密封泄漏檢測結(jié)果

該機械密封材質(zhì)按JB/T8091-98標準執(zhí)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(jié)構方式優(yōu)選試驗

經(jīng)過調(diào)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(nèi)裝式非平衡型機封，采用腔體（介質(zhì)入口）母液內(nèi)沖洗冷卻。

方案Ⅱ[2]：單端面、內(nèi)裝式非平衡型機封，采用外接（介質(zhì)入口）母液內(nèi)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(chǎn)的需要。

經(jīng)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(nèi)裝式非平衡型機封，采用腔體（介質(zhì)入口）母液內(nèi)沖洗冷卻。

表4 測試數(shù)據(jù)

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

為驗證機械密封件性能，請協(xié)作配套單位進行相應試驗。機械密封經(jīng)過二十于次的性能測試，沒發(fā)現(xiàn)任何泄漏。

4.3 螺桿間距的優(yōu)選試驗

以現(xiàn)有泵的軸徑基礎上，不改變泵腔的內(nèi)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(xié)作配套單位進行相應試驗，試驗數(shù)據(jù)見表4：

從表4的實驗數(shù)據(jù)可以看出，2#機流量、揚程偏低，不能滿足生產(chǎn)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(chǎn)現(xiàn)場的需要（設計時完全按照生產(chǎn)現(xiàn)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(jīng)過多次測試，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(nèi)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(jié)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(jié)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(jié)果表明用3#機：單端面、內(nèi)裝式非平衡型機封，采用采用腔體（介質(zhì)入口）母液內(nèi)沖洗冷卻；機械密封的動、靜環(huán)均采用碳化硅；螺桿間距為0.07mm時的螺桿泵可以滿足生產(chǎn)的要求。

［1］機械設計手冊(3)[M].2版.機械工業(yè)出版社,2000.6.

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

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