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新型耐磨材料:突破高温高压禁区

】 2010-01-20 08:36:00 来源:中国煤炭信息网

成 果 提 示:●项目名称:超细耐磨钛酸盐纤维

 

制备新技术及其应用:●获奖级别:国家技术发明二等奖

 

压缩机是石油化工装备的心脏,其关键部件都涉及动密封。动密封元件虽小,却是设备核心技术的组成部分,高温高压无油润滑压缩机更是代表了一个国家的装备水平。传统动密封往往需要有油润滑,不仅操作成本高,而且会污染后续介质。南京工业大学陆小华教授率领的课题组针对这一难题,发明了超细耐磨钛酸盐纤维(TBF)制备新技术,开发出具有国际领先水平的高性价比、长寿命的高温高压无油润滑密封元件,促进了我国压缩机产业与先进国家水平同步发展。

 

与传统材料相比,新一代耐磨材料将极限温度从160℃提高到185℃、极限压力从20MPa提高到32MPa,突破了国际上传统碳纤维增强聚四氟乙烯(PTFE)复合材料不能用于高温高压的禁区,并且能根据不同需求制备出不同性能的TBF。将高耐磨密封小元件用于先进高温高压压缩机,满足了生产企业的需求,解决了现代过程工业的大问题,提高了我国无油压缩机的竞争优势,对西气东输作出了重要贡献。

 

目前采用TBF密封材料的压缩机在天然气加气站正常使用已超过5年。对比试验表明,新产品的使用寿命是国内产品的4~12倍,性价比是国外先进产品的4.7~20倍。目前该产品已成功推广到高温吹瓶机、高压氮氢气(32MPa)、氢气(27.1MPa),丙烯、裂解气、空气等多种气体压缩机上,由此带来的经济效益达2.3亿元,不仅替代了进口产品,还出口创汇1300万美元,为最终用户创造了数十亿元的经济效益。

 

压缩天然气是清洁的汽车燃料,目前我国压缩天然气加气站正以几何级数增长,根据规划,到2015年我国将有6000多个天然气加气站,而高温高压压缩机是加气站的关键部件。据陆小华介绍,因压缩机出口压力高达25MPa,密封元件极易磨损,现有的国产无油润滑元件使用寿命仅800~1500小时,即2~3个月就需更换。国外密封元件价格极其昂贵,成本占压缩机总成本10%~20%,且不能彻底无油。目前大多数企业采用的是极易造成污染的有油金属密封元件,不仅增加了压缩机的成本,浪费能源,还具有一定危险性。

 

记者在采访中了解到,采用该技术生产的摩擦材料已经应用于我国汽车刹车片行业。汽车刹车片的工作温度在300℃以上,传统的刹车片在长期高温下会发生热衰退而失效,采用该技术的TBF刹车片可以有效避免高温热衰退,目前已在南京、上海等多个城市公交车上安装使用。路况实验表明,该产品可以完全替代高价国外产品,且价格只有同类产品的1/4。据估计,我国每年需要8000万套刹车片,国内刹车片市场对耐磨TBF需求量每年至少2000吨,以此开发的高性能刹车片产值可达30亿元。

 

陆小华认为,传统的PTFE材料适用于中低压力设备的无油润滑,在高温高压下磨损极大、寿命极短。为解决PTFE应用中存在的问题,陆小华提出用TBF增强PTFE解决苛刻条件下动密封问题的新思路。这一构想突破了一味提高树脂耐磨性的传统思维,采取从源头减少摩擦热的逆向思维,通过钛酸盐纤维的填充,增强了碳纤维填充不到的贫纤维区,降低了材料的摩擦系数。陆小华带领课题组根据这一思路发明的耐高温高压的TBF增强PTFE新材料,实现了苛刻条件下长寿命无油润滑密封元件新产品的工业化规模生产。

 

采用新技术开发的超细耐磨TBF材料,具有化学性质稳定,以及耐腐蚀性、耐热隔热性、耐磨性、润滑性、电气绝缘性优异和高红外反射率等特点,是一种多用途的先进材料。该技术发明不仅开发出新型高温高压无油动密封元件,还解决了耐腐蚀、催化、摩擦、高温隔热等众多领域的难题,多项成果已经进入工业化生产阶段。该项目已获发明专利授权8项,形成专利族保护,发表相关论文45篇。

 

陆小华表示,TBF在未来节能环保领域的应用前景也十分广阔。由于高温辐射传热难以避免,目前工业生产中高温炉窑的耗能最大,热损失也很高。TBF中的六钛酸钾纤维具有红外反射率高、高温下导热系数极低等特点,是一种新型的隔热材料,可节约高品位能量20%左右。采用该技术的窑炉如能得到普及推广,将节省两个三峡电站的发电量。此外,通过调节TBF多孔材料的孔径和孔隙率,还可将TBF多孔材料作为催化剂载体,大大降低欧Ⅳ汽油的脱硫成本。

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