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在低温温度下保持润滑性

Graphalloy.
石墨在低温下保持润滑

在低温温度下保持润滑性

用于低温应用的泵,压缩机和阀门中使用的部件必须承受低温而不会收缩,变得脆,失去强度或开裂。

去年冬天有一则关于低温地区的大新闻。是的,极地涡旋的变化导致美国北部和加拿大出现了创纪录的温度,但这些温度与美国宇航局宣布的创造已知宇宙中最冷点的计划相比根本不算什么。预计于2016年向国际空间站发射的冷原子实验室(CAL)将在绝对零度(0°K, -273.15°C或-459.67°F)以下100微克尔文(不到100亿分之一度)的温度下进行实验。这比星际空间的温度低3开尔文。

在地球上,也在取得进展在低温应用,不仅对量子研究项目,卡尔将从事,但在涡轮压缩机和其他设备需要支持蓬勃发展液化天然气行业,磁共振成像(MRI),这需要液氦冷却,以及超导输电线路。

当设计用于低温应用的泵、压缩机、阀门和辅助部件时,人们关心的不仅仅是这些部件在低温下不收缩、不变脆、不失去强度或开裂的能力。当有活动部件时,需要尽量减少摩擦和磨损,并防止粘着或磨损(图1)。

干式润滑

与高温应用不同,在低温下使用流体润滑剂是不可能的。这意味着组件需要涂层或机加工材料,以提供低摩擦系数在预期的温度范围。

当采取表面涂层的方法时,我们假设会有很少或没有磨损,所以零件必须制造有足够的间隙来容纳热膨胀和收缩,而不会造成接触,从而磨损表面。同样,精密制造需要避免任何类型的偏心或振动,这将导致磨损。

另一种方法是将轴承和衬套构建出自润滑材料,这些材料随着时间的推移。这允许构建组件并维护更严格的公差。例如,石墨和金属复合材料的石墨镁品牌包括在高温和压力下浸渍到石墨衬底的金属。在这样做时,金属形成长,连续长丝,给予材料的强度。可以使用各种金属和合金,包括锡,铅,青铜,铜,熨斗和银。

石墨提供了一个低摩擦表面,没有熔点,在高温下不软化,因此它可以在不氧化温度高达1000°F和在空气中高达750°F的温度下使用。它在低至-450°F的温度下也不会变脆。

最近,石墨烯材料在低温磁力计中的应用创下了新纪录。虽然温度还没有达到热量所能达到的水平,因为只有在太空中才能达到,但温度也没有高多少。

GraphAlloy图2_用低润滑性泵送液体,如LNG和天然气液体(NGL)

图2:泵送低润滑性液体,如液化天然气和天然气液体(NGLs),对于金属轴承可能特别困难。这些低润滑性液体提供的流体动力膜不能提供足够的润滑,这可能导致金属对金属接触,磨损或卡住

磁力计

磁力计在实验室里被用来测量样品的磁性能,通常温度接近绝对零度。有一种磁力计叫做鱿鱼(超导量子干涉装置),它非常敏感,因此也能捕捉到附近磁场的噪声。

另一种是振动样品磁仪(VSM),其振动电感拾取线圈或鱿鱼线圈内的样品。振动可能会损坏脆弱的样品,并产生热量,提高温度。鱿鱼更准确,但VSM具有更快的测量速度。

维也纳理工大学的研究人员的Atominstitut决定尝试另一种方法,建立旋转样品磁力计(RSM)。他们在美国物理研究所的科学仪器审查中公布了他们项目的结果。(用于低温温度和高磁场的旋转样品磁力仪;科学仪器82,063902(2011)的回顾; DOI:10.1063 / 1.3600454)。

根据研究人员,“有限的空间和低温温度施加了最关键的设计参数:磁铁的小孔尺寸需要非常紧凑的拾取线圈系统,低温需要非常仔细的轴承设计。”

RSM由米长的不锈钢管组成,直径为28.5毫米。DC电机安装在管外,旋转6.3mm直径的驱动轴。将驱动轴涂覆有碳纤维增强聚合物,并支撑325mm长级212块石头胶合作轴承。

在这三个部件中,“底部轴承是最关键的部件,因为它必须保证稳定的旋转(主要的噪声来源是振动),并以低摩擦运行,以避免发热。”根据该论文,选择这种材料是因为“它在低温下能保持自润滑。”

要测量的样品被放置在驱动轴底部附近的支架中,并在一组拾取线圈上方的15 Hz 1mm处旋转,作为管的底部。使用气态和液氦进行测试,用于冷却,温度低至4.2°K。

发现RSM实现了超过典型VSM的分辨率十倍的分辨率。因此,磁力计非常适用于在宽温度和磁场范围内的超导和磁性样品的精确和迅速表征。“

在这种情况下,与液化天然气压缩机、蒸发气体(BOG)压缩机或其他类似的低温应用相比,石墨和金属轴承的运行负荷很小。原子研究所的研究表明,经过6年的实验,轴承在比液化天然气的储存温度低近200华氏度(-260华氏度)的环境下工作,无需更换。

作者
Eben Walker是Graphite Metalizing Corp的总裁,该公司专门从事适用于-450°F至+ 1000°F的温度的自润滑图形轴承材料。有关更多信息,请访问www.Graphalloy.com

最初在涡轮机械国际上发表。

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