焊接金属波纹管机械密封的特点及其应用
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图 6 Inconel 718 合金的持久强度曲线
国产高温焊接金属波纹管机械密封 ,在我公司 上述位号各种工况条件下使用 。使用效果良好 ,稳 定可靠 ,使用寿命达到 6000 小时以上 。实践证明 , 国产高温焊接金属波纹管选材合理 ,结构设计合理 , 加工制造及热处理工艺合理 ,产品能够胜任 400 ℃ 以下高温介质的密封工况 ,国产化高温焊接金属波 纹管机封完全可以替代进口产品 ,并可以取得较好 社会经济效益 。
焊接金属波纹管机械密封中 ,根据焊接方式的
不同又分为 : ①氩弧焊金属波纹管机械密封 ; ②微束
图 3 静止式金属波纹管机械密封
此外 ,还可以根据密封介质在端面上的泄漏方 向 ,分为内流式和外流式 。以及按结构分为单端面 、
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
(7) 结构简单 ,安装方便 。波纹管既做为传动元 件带动密封环旋转 ,又可以作为补偿件产生弹簧比 压 ,并减少了动密封圈 ,因此比常规机封简单 ,安装 也方便 。
(8) 适用范围广 。波纹管机封根据不同的使用 条件选择不同的材质和结构 ,对于解决腐蚀介质 、高 温 、低温 、高压及高速密封效果特别显著 。像双层焊 金属波纹管解决高压密封 ,金属波纹管解决高温 、低 温介质等 。
(上接第 38 页) 析 、实验测试 、并对测试中误差进行评估是对毫米及 毫米以下量级微型结构动态 、静态力学特性分析的 一条行之有效的方法 。当然 ,随着微型结构尺度的 缩小 ,固有频率进一步提高 ,被测面积进一步缩小 , 上述外部测试方法就变得越困难 ,因此作者认为将 辅助测试部分也集成在微型结构中 ,是对微型结构 力学参数测试的发展趋势 。
《机械》 2000 年第 27 卷第 4 期
焊接金属波纹管机械密封
机械密封
的特点及其应用
·41 ·
扬子石化股份有限公司化工厂 (南京 210048) 刘建华
摘要 :分析了焊接金属波纹管机械密封的特点和应用范围 。通过对 Y40 型金属波纹管机械密封的分析 ,着重对高弹合金 Inconel718 作了介绍 。
Inconel 718 高温合金的弹性模量 E、切变弹性模量 G 与温度的关系见图 5。持久强度曲线见图 6。
Inconel 718 高温合金的化学成份如表 3 所示 。
表 2 Inconcl 718 镍基高温合金固溶软态与时效强化态 机械性能
பைடு நூலகம்
材 质
σs
σe
ω
δ
MNΠm2 MNΠm2 ( %) ( %)
·43 ·
国产高温焊接金属波纹管 3B12 - 50 。在试验 台上进行了型式试验 ,试验参数为 :介质 :水 ;压力 : 015MPa ;转速 :2950rΠmin ;轴径 : 50 。分别进行了静 压试验和 100 小时动压试验 。静压试验结果为无泄 漏 , 动 压 运 转 试 验 100 小 时 后 平 均 泄 漏 量 为 : 01310mlΠh ( 前 端) , 01371mlΠh ( 后 端) 。磨 损 量 分 别 为 :01006mm (前端) ,0. 004mm (后端) 。这二项指标 都远远低于国家行业标准所规定的 ≤3. 5mlΠh 泄漏 量和 0. 02mmΠ(100h) 磨损量的指标 。
HV
备 注
固 溶
≤1050 ≤650
≥30
Inconel 718
( GH169) 时 效 1300 1050 37
≥10 ≤300
室温下 18 423 E = 22. 1 ×104
MNΠm2
注 : ①固溶态试件经过 :980 ℃,1h 固溶软化处理 ②时效态试件经过 : 950 ℃,1h 固溶 ; 715 ℃,6h ; 55 ℃Πh ; 620 ℃,10h 空冷时效
依据金属波纹管安置在机器设备的内 、外部位 置 ,分为内装式外装式 ,如图 2 所示 。
1 金属波纹管机械密封的分类
依据其制造工艺不同分为 : (1) 焊接金属波纹管型机械密封 , 见图 1 ( a) 。 采用厚度为 0107～0. 2mm 的奥氏体不锈钢 、沉淀硬 化不锈钢 、钛 、高镍合金 (如 Inconel Hastelloy Monel 等) 薄带冲压成形 ,再焊接成型 。焊接金属波纹管的 波数一般都应取奇数 ,如 7 、9 、11 、13 。它的刚度值应 根据弹簧比压来确定 。对于相同径向尺寸的焊接金 属波纹管 ,影响其刚度的因素有 :波数 、波片厚度 、波 片截面形状 ,材料和热处理规范等 。
表 3 Inconel 718 合金的化学成份
材 料 Cr Ni Mo Cn Ti Al Co Mo + Ta C Si Fe Inconel 718 19. 0 53. 0 3. 0 < 0. 3 1. 0 0. 7 < 1. 0 5. 3 0. 05 0. 30 12～14
图 5 Inconel 718 合金 E. G与温度关系曲线
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《机械》 2000 年第 27 卷第 4 期
蚀性 、耐热性及热稳定性 ,还进行了真空强化热处 理 。其固溶态与时效强化态机械性能见表 2 。
焊接金属波纹管机械密封是近 30 年来发展较 快的一种新型机械密封 。因其结构形式和选用材料 的特殊性 ,其应用范围越来越广 。随着国民经济的 发展 ,特别是我国石油化工的生产能力及技术水平 的发展 ,对轴封的要求越来越严格 ,使用参数也越来 越高 。对于温度为 - 200 ℃至 - 40 ℃,或高于 200 ℃ 的介质以及一些高温高压的介质 ,及其变工况和易 抽空的情况下 ,不论是泵 、反应釜 、高速离心压缩机 密封 ,焊接金属波纹管机械密封一般来说可以较好 地解决 。我国自行研制的焊接金属波纹管也取得了 良好的成效 。1998 年我国相继发布实施了泵用焊 接金属波纹管机械密封标准 JBΠT 8723 —1998 和焊 接金属波纹管釜用机械密封标准 JBΠT 3124 —1998 。
·42 ·
《机械》 2000 年第 27 卷第 4 期
双端面金属波纹管机械密封等 。在此不赘述 。
2 金属波纹管机械密封的特点
(1) 浮动性好 。金属波纹管型机械密封最显著 的特点之一就是浮动性好 。因此对轴的振动 、偏摆 及旋转轴对壳体孔的偏斜不敏感 。像偏摆较大的釜 用机封 、振动严重的密封及安装不当造成的偏斜 ,波 纹管机封都有很好的适应能力 ,并获得满意的密封 效果 。
图 4 Y4D 型金属波纹管机械密封
该产品是日本依格尔公司产品 ,它为静止式 、内 流型 、平衡型 、集装式单层焊接金属波纹管机械密 封 。用于压力低于 3MPa ,使用温度在 - 200～400 ℃ 的工况 ,对于高压 ( ≤6MPa) 工况 ,采用 Y7D 型双层 焊金属波纹管机封 。Y4D 型主要用于粘度大的渣 油 、带杂质以及高 、低温介质 。波纹管均采用 Inconel 718 材料 。这种合金的耐氧化性能强 ,在 - 196 ℃的 低温下屈服强度也可达 1426NΠmm。
0Cr18Ni In2 4J42 M120P PTFE WC 4J42 PTFE 连接方式 :
12Mo2 conel
M256P FPM YG6
FPM 焊接热压
718
Grafoil
Grafoil 镶嵌
AC
金属 (铜 、锑 、银) 浸渍的高强度石墨密封与 4J42 传动座构成的镶嵌组件 ,在 400 ℃以下能够长期可 靠地工作 。Inconel 718 高弹性合金以及柔性石墨密 封圈在 450 ℃以下可长期使用而不会失效 ,热稳定 性及热强度良好 。为了保证 Inconel 718 焊接金属波 纹管在 400 ℃高温下 ,有足够的机械强度 ,良好的耐
(2) 取消了二次动密封圈 。因此排除了橡胶的 耐高温性 、耐蚀性以及气体逸出 、失去弹性的情况 , 也可以避免采用四氟楔型圈 、U 型密封圈产生的松 驰倾向 ,以及由于载荷下不易保持其原始形状 、在高 温或低温下密封材料因蠕变 、硬化而失去密封作用 的弊病 。
(3) 轴或轴套不受磨损 。由于金属波纹管机封 的辅助密封圈可以设计成相对静密封 ,因此轴或轴 套之间不产生轴向位移 ,从而避免了与轴或轴套磨 损。
图 2 金属波纹管机械密封 ( Ⅱ)
依据波纹管随不随轴旋转的情况 ,分为旋转式 , 如图 2 ,静止式 ,如图 3 。由于金属波纹管不随主轴 旋转 ,波纹管弹性力不受离心力的影响 ,在高速情况 下 ,常用静止式金属波纹管机械密封 。
(a) 焊接金属波纹管型
(b) 液压成型金属波纹管型
图 1 金属波纹管机械密封 ( Ⅰ)
等离子焊金属波纹管机械密封 ; ③电子束焊金属波 纹管机械密封 。
(2) 液压成形金属波纹管型机械密封 , 见图 1 (b) 。我国现已有标准产品 JB2388 —78 。材料为奥 氏体不锈钢薄板 ,壁厚 0116～0. 2mm。一个波刚度 25～150NΠmm ,最高耐压能力为 018～1. 3MPa 。液压 成型金属波纹管型机械密封 ,由于金属波纹管成型 过程中 ,壁厚不易保证均匀 ,而且其密封轴向长度 长 ,近年来 ,已逐渐被焊接金属波纹管型机械密封所 取代 。
(9) 使用寿命长 ,安全可靠 ,维修周期长 ,适用于 连续性自动化生产 。
(10) 泄 漏 量 少 , 密 封 性 能 好 。泄 漏 率 控 制 在 3mlΠh 内很容易 。好的密封一般可以控制在 012mlΠh 以内 。
3 应用实例分析
我公司尤里卡装置中位号分别为 Pu - 2112AB 、
Pu - 2113AB 、Pu - 2114AB 、Pu - 1101AB 、Pu 1103AB 、Pu - 1201AB 、Pu - 1202AB 、Pu - 1231AB 、Pu - 1303AB 、Pu - 1304ABC 等离心泵中 ,输送的介质由 于温度较高 ,温度为 180～348 ℃,均采用了焊接金属 波纹管机械密封 。其中较为典型的结构如图 4 所 示 ,为 Y4D 型焊接金属波纹管机械密封 。尤里卡装 置中凡高温的减压渣油泵 、KSK 油泵 、轻 、重瓦斯油 泵的密封均采用了这种金属波纹管机械密封 。
引进焊接金属波纹管机械密封的国产化工作已 取得长足进步 。国内已设计出替代 Y4D 型机封的 系列产品 。几年来 ,使用的情况良好 。目前国内现 有可供选用的材料以及材质的实际性能状态 、选用 的材质如表 1 所示 。
表 1 高温金属波纹管密封材质一览表
波纹管组件
配合环
备 注
金属件 波纹管 传动座 密封环 密封圈 密封环 传动座 密封圈
(4) 金属波纹管机械密封设计成静止式 ,其防抽 空 、抗不平衡性能好 ,故对因工艺原因经常有抽空现 象的泵极为适用 。
(5) 对于高温 、易燃介质采用金属波纹管较为适 合 。因为高温裂解物沉积会使弹簧阻塞 。另一方 面 ,高温情况下 ,动密封圈也是最薄弱环节 。
(6) 金属波纹管机封 ,由于波纹管内或外充满被 密封液体 、保持了力平衡 ,可以获得较小的端面比 压 ,延长其寿命 。
关键词 :焊接 ;金属波纹管 ;机械密封 Abstract :The characteristics and applications of the mechenical seals with welded metal bellows are analyzed. Alloy Inconel 718 is dis2 coussed in detail by analyzed the mechanical seal with weled metal bellows of type Y40 used in plants. Key words :welding ; metal bellows ; mechanical seals 中图分类号 :TH13b 文献标识码 :B 文章编号 :1006 - 0316 (2000) 04 - 0041 - 03
国产高温焊接金属波纹管机械密封 ,在我公司 上述位号各种工况条件下使用 。使用效果良好 ,稳 定可靠 ,使用寿命达到 6000 小时以上 。实践证明 , 国产高温焊接金属波纹管选材合理 ,结构设计合理 , 加工制造及热处理工艺合理 ,产品能够胜任 400 ℃ 以下高温介质的密封工况 ,国产化高温焊接金属波 纹管机封完全可以替代进口产品 ,并可以取得较好 社会经济效益 。
焊接金属波纹管机械密封中 ,根据焊接方式的
不同又分为 : ①氩弧焊金属波纹管机械密封 ; ②微束
图 3 静止式金属波纹管机械密封
此外 ,还可以根据密封介质在端面上的泄漏方 向 ,分为内流式和外流式 。以及按结构分为单端面 、
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
(7) 结构简单 ,安装方便 。波纹管既做为传动元 件带动密封环旋转 ,又可以作为补偿件产生弹簧比 压 ,并减少了动密封圈 ,因此比常规机封简单 ,安装 也方便 。
(8) 适用范围广 。波纹管机封根据不同的使用 条件选择不同的材质和结构 ,对于解决腐蚀介质 、高 温 、低温 、高压及高速密封效果特别显著 。像双层焊 金属波纹管解决高压密封 ,金属波纹管解决高温 、低 温介质等 。
(上接第 38 页) 析 、实验测试 、并对测试中误差进行评估是对毫米及 毫米以下量级微型结构动态 、静态力学特性分析的 一条行之有效的方法 。当然 ,随着微型结构尺度的 缩小 ,固有频率进一步提高 ,被测面积进一步缩小 , 上述外部测试方法就变得越困难 ,因此作者认为将 辅助测试部分也集成在微型结构中 ,是对微型结构 力学参数测试的发展趋势 。
《机械》 2000 年第 27 卷第 4 期
焊接金属波纹管机械密封
机械密封
的特点及其应用
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扬子石化股份有限公司化工厂 (南京 210048) 刘建华
摘要 :分析了焊接金属波纹管机械密封的特点和应用范围 。通过对 Y40 型金属波纹管机械密封的分析 ,着重对高弹合金 Inconel718 作了介绍 。
Inconel 718 高温合金的弹性模量 E、切变弹性模量 G 与温度的关系见图 5。持久强度曲线见图 6。
Inconel 718 高温合金的化学成份如表 3 所示 。
表 2 Inconcl 718 镍基高温合金固溶软态与时效强化态 机械性能
பைடு நூலகம்
材 质
σs
σe
ω
δ
MNΠm2 MNΠm2 ( %) ( %)
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国产高温焊接金属波纹管 3B12 - 50 。在试验 台上进行了型式试验 ,试验参数为 :介质 :水 ;压力 : 015MPa ;转速 :2950rΠmin ;轴径 : 50 。分别进行了静 压试验和 100 小时动压试验 。静压试验结果为无泄 漏 , 动 压 运 转 试 验 100 小 时 后 平 均 泄 漏 量 为 : 01310mlΠh ( 前 端) , 01371mlΠh ( 后 端) 。磨 损 量 分 别 为 :01006mm (前端) ,0. 004mm (后端) 。这二项指标 都远远低于国家行业标准所规定的 ≤3. 5mlΠh 泄漏 量和 0. 02mmΠ(100h) 磨损量的指标 。
HV
备 注
固 溶
≤1050 ≤650
≥30
Inconel 718
( GH169) 时 效 1300 1050 37
≥10 ≤300
室温下 18 423 E = 22. 1 ×104
MNΠm2
注 : ①固溶态试件经过 :980 ℃,1h 固溶软化处理 ②时效态试件经过 : 950 ℃,1h 固溶 ; 715 ℃,6h ; 55 ℃Πh ; 620 ℃,10h 空冷时效
依据金属波纹管安置在机器设备的内 、外部位 置 ,分为内装式外装式 ,如图 2 所示 。
1 金属波纹管机械密封的分类
依据其制造工艺不同分为 : (1) 焊接金属波纹管型机械密封 , 见图 1 ( a) 。 采用厚度为 0107～0. 2mm 的奥氏体不锈钢 、沉淀硬 化不锈钢 、钛 、高镍合金 (如 Inconel Hastelloy Monel 等) 薄带冲压成形 ,再焊接成型 。焊接金属波纹管的 波数一般都应取奇数 ,如 7 、9 、11 、13 。它的刚度值应 根据弹簧比压来确定 。对于相同径向尺寸的焊接金 属波纹管 ,影响其刚度的因素有 :波数 、波片厚度 、波 片截面形状 ,材料和热处理规范等 。
表 3 Inconel 718 合金的化学成份
材 料 Cr Ni Mo Cn Ti Al Co Mo + Ta C Si Fe Inconel 718 19. 0 53. 0 3. 0 < 0. 3 1. 0 0. 7 < 1. 0 5. 3 0. 05 0. 30 12～14
图 5 Inconel 718 合金 E. G与温度关系曲线
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
《机械》 2000 年第 27 卷第 4 期
蚀性 、耐热性及热稳定性 ,还进行了真空强化热处 理 。其固溶态与时效强化态机械性能见表 2 。
焊接金属波纹管机械密封是近 30 年来发展较 快的一种新型机械密封 。因其结构形式和选用材料 的特殊性 ,其应用范围越来越广 。随着国民经济的 发展 ,特别是我国石油化工的生产能力及技术水平 的发展 ,对轴封的要求越来越严格 ,使用参数也越来 越高 。对于温度为 - 200 ℃至 - 40 ℃,或高于 200 ℃ 的介质以及一些高温高压的介质 ,及其变工况和易 抽空的情况下 ,不论是泵 、反应釜 、高速离心压缩机 密封 ,焊接金属波纹管机械密封一般来说可以较好 地解决 。我国自行研制的焊接金属波纹管也取得了 良好的成效 。1998 年我国相继发布实施了泵用焊 接金属波纹管机械密封标准 JBΠT 8723 —1998 和焊 接金属波纹管釜用机械密封标准 JBΠT 3124 —1998 。
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《机械》 2000 年第 27 卷第 4 期
双端面金属波纹管机械密封等 。在此不赘述 。
2 金属波纹管机械密封的特点
(1) 浮动性好 。金属波纹管型机械密封最显著 的特点之一就是浮动性好 。因此对轴的振动 、偏摆 及旋转轴对壳体孔的偏斜不敏感 。像偏摆较大的釜 用机封 、振动严重的密封及安装不当造成的偏斜 ,波 纹管机封都有很好的适应能力 ,并获得满意的密封 效果 。
图 4 Y4D 型金属波纹管机械密封
该产品是日本依格尔公司产品 ,它为静止式 、内 流型 、平衡型 、集装式单层焊接金属波纹管机械密 封 。用于压力低于 3MPa ,使用温度在 - 200～400 ℃ 的工况 ,对于高压 ( ≤6MPa) 工况 ,采用 Y7D 型双层 焊金属波纹管机封 。Y4D 型主要用于粘度大的渣 油 、带杂质以及高 、低温介质 。波纹管均采用 Inconel 718 材料 。这种合金的耐氧化性能强 ,在 - 196 ℃的 低温下屈服强度也可达 1426NΠmm。
0Cr18Ni In2 4J42 M120P PTFE WC 4J42 PTFE 连接方式 :
12Mo2 conel
M256P FPM YG6
FPM 焊接热压
718
Grafoil
Grafoil 镶嵌
AC
金属 (铜 、锑 、银) 浸渍的高强度石墨密封与 4J42 传动座构成的镶嵌组件 ,在 400 ℃以下能够长期可 靠地工作 。Inconel 718 高弹性合金以及柔性石墨密 封圈在 450 ℃以下可长期使用而不会失效 ,热稳定 性及热强度良好 。为了保证 Inconel 718 焊接金属波 纹管在 400 ℃高温下 ,有足够的机械强度 ,良好的耐
(2) 取消了二次动密封圈 。因此排除了橡胶的 耐高温性 、耐蚀性以及气体逸出 、失去弹性的情况 , 也可以避免采用四氟楔型圈 、U 型密封圈产生的松 驰倾向 ,以及由于载荷下不易保持其原始形状 、在高 温或低温下密封材料因蠕变 、硬化而失去密封作用 的弊病 。
(3) 轴或轴套不受磨损 。由于金属波纹管机封 的辅助密封圈可以设计成相对静密封 ,因此轴或轴 套之间不产生轴向位移 ,从而避免了与轴或轴套磨 损。
图 2 金属波纹管机械密封 ( Ⅱ)
依据波纹管随不随轴旋转的情况 ,分为旋转式 , 如图 2 ,静止式 ,如图 3 。由于金属波纹管不随主轴 旋转 ,波纹管弹性力不受离心力的影响 ,在高速情况 下 ,常用静止式金属波纹管机械密封 。
(a) 焊接金属波纹管型
(b) 液压成型金属波纹管型
图 1 金属波纹管机械密封 ( Ⅰ)
等离子焊金属波纹管机械密封 ; ③电子束焊金属波 纹管机械密封 。
(2) 液压成形金属波纹管型机械密封 , 见图 1 (b) 。我国现已有标准产品 JB2388 —78 。材料为奥 氏体不锈钢薄板 ,壁厚 0116～0. 2mm。一个波刚度 25～150NΠmm ,最高耐压能力为 018～1. 3MPa 。液压 成型金属波纹管型机械密封 ,由于金属波纹管成型 过程中 ,壁厚不易保证均匀 ,而且其密封轴向长度 长 ,近年来 ,已逐渐被焊接金属波纹管型机械密封所 取代 。
(9) 使用寿命长 ,安全可靠 ,维修周期长 ,适用于 连续性自动化生产 。
(10) 泄 漏 量 少 , 密 封 性 能 好 。泄 漏 率 控 制 在 3mlΠh 内很容易 。好的密封一般可以控制在 012mlΠh 以内 。
3 应用实例分析
我公司尤里卡装置中位号分别为 Pu - 2112AB 、
Pu - 2113AB 、Pu - 2114AB 、Pu - 1101AB 、Pu 1103AB 、Pu - 1201AB 、Pu - 1202AB 、Pu - 1231AB 、Pu - 1303AB 、Pu - 1304ABC 等离心泵中 ,输送的介质由 于温度较高 ,温度为 180～348 ℃,均采用了焊接金属 波纹管机械密封 。其中较为典型的结构如图 4 所 示 ,为 Y4D 型焊接金属波纹管机械密封 。尤里卡装 置中凡高温的减压渣油泵 、KSK 油泵 、轻 、重瓦斯油 泵的密封均采用了这种金属波纹管机械密封 。
引进焊接金属波纹管机械密封的国产化工作已 取得长足进步 。国内已设计出替代 Y4D 型机封的 系列产品 。几年来 ,使用的情况良好 。目前国内现 有可供选用的材料以及材质的实际性能状态 、选用 的材质如表 1 所示 。
表 1 高温金属波纹管密封材质一览表
波纹管组件
配合环
备 注
金属件 波纹管 传动座 密封环 密封圈 密封环 传动座 密封圈
(4) 金属波纹管机械密封设计成静止式 ,其防抽 空 、抗不平衡性能好 ,故对因工艺原因经常有抽空现 象的泵极为适用 。
(5) 对于高温 、易燃介质采用金属波纹管较为适 合 。因为高温裂解物沉积会使弹簧阻塞 。另一方 面 ,高温情况下 ,动密封圈也是最薄弱环节 。
(6) 金属波纹管机封 ,由于波纹管内或外充满被 密封液体 、保持了力平衡 ,可以获得较小的端面比 压 ,延长其寿命 。
关键词 :焊接 ;金属波纹管 ;机械密封 Abstract :The characteristics and applications of the mechenical seals with welded metal bellows are analyzed. Alloy Inconel 718 is dis2 coussed in detail by analyzed the mechanical seal with weled metal bellows of type Y40 used in plants. Key words :welding ; metal bellows ; mechanical seals 中图分类号 :TH13b 文献标识码 :B 文章编号 :1006 - 0316 (2000) 04 - 0041 - 03