流体密封技术的发展.ppt

化工装备密封技术(SealingTechnologyforChemicalEngineeringEquipment),主讲人:郝木明，孙鑫晖,实现以人为本健康安全环保经济现代化生产新理念,姓名：郝木明单位：化学工程学院化工装备与控制工程系办公室：东营校区：机械馆1204（密封研究所）青岛校区：工科D楼608电话：135054623680546-8392752（东营校区青岛校区）邮箱：haommupc网址：,自我介绍,欢迎大家！,姓名：孙鑫晖单位：化学工程学院化工装备与控制工程系办公室：工科D楼511电话箱：sunxinhui,自我介绍,欢迎大家！,课程目标,本课程作为“过程装备与控制工程”专业选修专业课之一，其目的在于使高年级学生了解相关专业领域内常用的流体密封技术（包括流体静密封、流体动密封等）及其最新进展。通过本课程的学习和有关密封实验，使学生能够掌握流体密封技术的基本理论和基本知识，培养理论联系实际，提高分析与解决工程实际问题的能力，进而得以开拓视野、提高科学研究及工程开发能力。,0.前言,0.1泄漏及其危害0.1.1泄漏与密封泄漏是自然界常见的现象：日常生活中如自来水、煤气的泄漏常常给人们带来不便甚至危害；工业中如压力容器、管道、反应器、阀门、液压设备、运输工具一旦发生泄漏，轻则造成能源和原材料的大量浪费、设备不能正常工作，重则导致设备报废、整个工厂或系统陷于瘫痪、人员伤亡和严重的环境污染。在生产实践中千方百计地设法防止和消除泄漏。泄漏：是指介质，如气体、液体、固体或它们的混合物，从一个空间进入另一个空间的不希望发生的现象。单位时间内泄漏的介质量称为“泄漏率”。,0.前言,0.1泄漏及其危害2010年4月20日，美国墨西哥湾英国石油公司租赁的“深水地平线”石油钻井平台因爆炸起火而致原油泄漏。这起持续时间长达百日的漏油事件，造成的损失可能创下了有史以来类似灾难的最高纪录：致使11名钻井平台工作人员死亡，近500万桶原油泄漏，引发了美国历史上最严重的漏油事件，为应对漏油事故英国石油公司的支出已升至80亿美元。,泄漏的主要原因,设计制造安装或维修工艺操作振动、冲刷、汽蚀等机械破坏环境变化（温度、压力、转速及其波动）介质腐蚀,机械产品的表面必然存在各种缺陷以及形状和尺寸偏差。机械零件的接触处不可避免地会产生微小的间隙；当存在压力差或浓度差时，工作介质就会通过间隙而泄漏。密封：防止或限制流体从机器、设备中泄漏(外漏)或被污染(内漏)。密封件：能起密封作用的零部件。密封系统或密封装置：较复杂的密封装置（如带辅助系统等）。密封件或密封装置是工业设备中最广泛使用的零部件。,密封表面的几何形状特征,度波,度高度糙粗,粗糙度,波距,峰距,刀痕（主要纹理方向）,缺陷,度高度波,形状偏差,配合面之间的密封间隙,泄漏的危害泄漏是密封装置的主要失效形式。危害：机器设备若不能保证密封，因工作介质跑、冒、滴、漏引起物质流失和能量损失，造成环境污染，生产不能正常进行，增加非计划停产和维修，甚至危及人体健康和生命安全。密封装置的性能是评价机械产品品质的重要指标，也是决定工厂安全、经济生产的重要因素。,0.2流体密封技术的重要作用虽非核心技术，但有可能是决定性技术例如：原子能发电站中的循环泵高压苯乙烯中的高压压缩机铂重整装置的无油润滑压缩机聚乙烯的反应釜、超高压容器、石油钻采设备中的泥浆泵等许多机器设备中的方案就取决于密封技术。如：“神舟六号”宇宙飞船检漏间是飞船技术的飞跃。“神舟六号”9002飞船检漏间的作用是为卫星、飞船各舱等进行密封性检查，目前全世界在这个领域还处在探索阶段。神舟载人飞船总设计师王永志评定：“这个飞船检漏间使我国载人飞船技术迈进了一大步，为载人飞船成功发射作出了很大的贡献”。,采油树主体部分密封,油管挂出油孔处上下密封,高压井口处密封,输送流体管口与连接器密封,堵塞器处密封,法兰密封,主要密封点,油管挂台肩处密封,决定机器设备的安全性和可靠性石油化工企业中，工业介质大多易燃易爆剧毒和腐蚀性，密封失效而外漏，将造成环境污染，人体健康及产品质量受影响。1984年12月3日：印度博帕尔市UCC所属一家化工厂因用水清洗管道，未关通向异氰甲酸脂储罐阀门，水进入罐内与之反应，温度压力急剧升高导致40TMIC毒气泄漏，造成2500人死亡，12万人中毒，其中5万人失明。1986年4月26日子夜：前苏联切尔诺贝利核电站4号反应堆发生核泄漏，死31人，伤300人，20个国家四亿人遭核辐射污染。1998年3月5日16:38西安市煤气公司液化气站储罐区发生液化气泄漏燃爆。两座400m3球罐爆裂，3台100m3燃烧。3月6日6:00得到控制，13人亡，30多人伤，损失477万元。原因：排污阀石棉橡胶垫片受液化气中水热冷作用失效泄漏。,按事故发生的行业分类（日本19651975年624起事故调查）,（210件）,210起化工装置泄漏引发事故分类（表现为泄漏形式的事故115件，占55%）,密封在日常机泵釜等维修工作量中占50%。统计表明化工企业的非计划停车与密封故障有关。离心泵的维修费约70%是因密封故障。,！,1986.1.28，美国航天飞机“挑战者”号升空1分钟因右侧火箭助推器机械接头处O形密封圈失效失事，机上七名宇航员无一生还!“挑战者”号失事的技术原因:右部火箭发动机上的两个零件联接处出现了问题，具体的讲就是旨在防止喷气燃料的热气从联接处泄漏的密封圈遭到了破坏。在航天飞机设计准则明确规定了推进器运作的温度范围，即40F90F，而在实际运行时，整个航天飞机系统周围温度却是处于31F99F的范围。,美国航天飞机“挑战者”号失事！,环境保护实现健康、安全、环保（HSE:health,safetyandenvironment）现代化生产。能源和物质节约,提高经济效益可见，应重视机器设备的密封技术，加强科学管理，以提高设备的可靠性稳定性及效率，能耗和原材料，加强环境保护，促进新设备的开发。,0.3流体密封学的性质密封学定义流体密封作为一门新兴的工程技术学科，其相关体系还在不断的完善之中。密封学（最早是前苏联学者于1972年在其专著中提出的“”）主要研究密封机理、密封技术及其应用，与工业技术和科学的发展分不开的（以机械端面密封为例）。,密封学是一门涉及多学科的边缘性工程技术学科必须借助其它学科如流体力学(fluidmechanics)、固体力学(solidmechanics)、热力学(thermodynamics)、传热传质(heatandmasstransfer)、转子动力学(rotordynamics)、粘弹性理论(viscoelasticity)、振动理论(vibrationtheory)、摩擦学(tribology)、物理与化学（physics&chemistry)、测量与控制(monitoring&control)等理论以及优化设计(optimizationdesign)、可靠性分析(reliabilityanalysis)、故障诊断(faultdiagnosis)、现代数值计算方法(numericalcalculationmethods)、工程分析软件(engineeringanalysissoftware)、机械CAD设计软件(mechanicalCAD)等去分析研究密封的问题。,图气膜密封的系统性分析,针对特定的工艺条件，选择合理的密封材料物理、化学、材料学等；,密封元件特别是动静环在力、温度的作用下的强度、变形及其控制措施固体力学等；,密封端面之间气体流动状态、压力分布及热量交换流体力学、热力学及传热学等；,密封及周边环境温度场分布和密封热变形分析摩擦学、流体力学、热力学及传热学等；,密封及周边环境温度场分布和密封热变形分析摩擦学、流体力学、热力学及传热学等；,密封环端面流体动压槽的优化设计及加工优化设计理论、特种精密加工技术等；,密封动态稳定性分析、密封转子轴承系统动力学特性分析振动理论、转子动力学等；,密封动态稳定性分析、密封转子轴承系统动力学特性分析振动理论、转子动力学等；,密封性能测试和产品出厂实验试验技术等；,密封气体压力、流量的控制及密封运行状态的实时监控测量及控制理论和技术等；,密封的失效分析故障诊断学及技术等。,另外，在密封的分析设计过程中，必然应用到多种现代数值计算方法、工程分析软件、机械CAD设计软件等。,讲授内容,一流体密封的基本理论和基本知识二流体静密封技术三流体动密封的基本原理及知识四不停车堵漏技术、泄漏检测技术,第一部分:流体密封的基本理论和基本知识,1密封机理、方法和分类掌握流体泄漏的机理、密封的基本方法和流体密封的基本类型。2密封流体力学基本知识了解密封流体力学基本方程特别体润滑基本方程的物理意义、密封简单模型中流体流动（缝隙流动、孔口与夹缝出流、转盘侧隙流动及喷嘴内气体等熵流动）的特点及分析。3密封摩擦学基本知识了解密封摩擦学理论中摩擦、磨损与润滑的基本知识。,1.密封机理、方法和分类,1.1泄漏机理1.2密封方法和分类1.3对密封产品或密封系统的基本要求1.4流体密封技术的发展,两个隔离的区域1和2分别包含同种或不同种的流体和，但它们具有共同的边界，这些边界可以是圆柱形的，例如往复机械或旋转机械中的轴、活塞或阀杆等，也可以是环形平端面，如法兰密封面。,1.密封机理、方法和分类,1.1泄漏机理,若两个区域存在压力差、浓度差、温度差、速度差等，流体就会通过这一界面而泄漏。“密封”意味控制这两个区域之间流体的相互交换，使界面处“没有泄漏”现象。,重点：揭示泄漏方式、成因、特点及泄漏量的计算公式。,1.1.1穿漏（Penetration）定义：流体通过密封面间隙的泄漏；成因：、流体存在压力差p；、泄漏缝隙h。特点：单向泄漏，从高压测低压侧；泄漏量：是衡量密封装置密封性能的主要指标。单向周边泄漏量：（1-1）式中，h：缝隙高度；l：缝长；液体动力粘度（PaS）；：无因次形状系数，=0.10.2。对于气体来说，采用单位宽度质量泄漏量：(1-2)式中，B：缝宽；：气体平均密度，；M，R，T，p1及p2：分别为气体的分子量（g/mol）、气体常数（J/（molK）、温度（K）和缝隙进出口气体压力（MPa）。,1.1.2渗漏(Percolation)定义：在压力差P的作用下，被密封流体通过密封件材料的毛细管的泄漏称之为渗漏。特点：单向分子泄漏。成因：、压力差p；、密封件材料毛细管。气体重量泄漏量为（1-3）式中，r：毛细管或接触面毛细通道半径。,1.1.3扩散(Proliferation)定义：在浓度差C的作用下，密封介质通过密封间隙或密封材料的毛细管产生的泄漏，叫做扩散。成因：、介质浓度差C；、密封间隙或密封材料毛细管。特点：双向泄漏，泄漏量小。如醚类，渗透性强；采用波纹管密封。介质通过隔板的扩散泄漏可分成三个阶段：密封件吸收液（气）体吸附；介质通过隔板的扩散；介质从密封件的另一侧析出。根据菲克（Fick）第一定律，在稳定过程中质量泄漏流量Gs和体积泄漏流量QS分别与浓度梯度dcdx成正比。,1.2密封方法和分类根据泄漏的成因，阻止或控制流体流动（阻流）的方法有5种：降低引起流动的推动力，p。增大阻止流体流动的能量（包括力学能量、界面摩擦、流体摩擦、热力学能量损失等）。控制流体流动方向（变有害流动为无害流动，如抽气密封、浮环密封等）。切断流道。组合。,1.2密封方法和分类密封方式（采用上面一种或多种方法）：全封闭或部分封闭将机器或设备用机壳或机罩全部密闭或部分密闭住如屏蔽泵、磁力偶合器驱动的泵。特点：无轴封和密封室。填塞或阻塞（是一种传统的密封方法）利用密封件填塞泄漏点(例如密封圈、软填料密封等)或利用流体阻塞被密封流体(例如气封、水封、铁磁流体密封等)。分隔或间隔利用密封件将泄漏点与外界分隔开（隔膜密封、机械密封等）或利用气体或液体作为中间密封流体(气垫密封、双端面机械密封等)。引出或注入将泄漏介质引回到吸入室或通常为低压的吸入侧(抽气密封)或将对被密封流体无害的流体注入密封室以阻止被密封流体的泄漏(如氮气密封)。,1.2密封方法和分类流阻或反输利用密封件狭窄间隙或曲折途径造成密封所需要的流动阻力(迷宫密封)或利用密封件对泄漏流体造成反压，使之部分平衡或完全平衡，将流体反输回上游，以达到密封的目的（如螺旋密封、上游泵送密封）。贴合或粘合利用研合密封面本身的加工质量使密封面贴合或利用密封剂使密封面粘合达到密封（密封剂、密封膏等）。焊合或压合利用焊接或钎接的方法将泄漏点堵塞或加压使接触处微观不平处变形(如垫片密封、软填料密封等)，形成固定的结合达到密封。几种密封方法的组合是密封技术的一个发展方向。,几种常见的密封形式,非接触式螺旋槽密封,垫片密封,填料密封,磁流体密封,填料密封,端面密封,流体密封按运动方式分为：流体静密封(StaticSeals)：用于密封与流体接触的可拆卸静设备。如垫片(gasket)、密封胶或密封剂(sealingglue)等。流体动密封（DynamicSeals)：用于机器中将两流体空间隔开并作相对运动（旋转、螺旋、往复摆动）的部件之间的密封。分旋转密封(rotatingseals)、往复密封(reciprocatingseals)、复合运动密封(complexmovingseals)等。伪静密封或微动密封（Pseudo-staticSeals):介于静密封与动密封之间的密封形式，表面为静密封，实则为动密封，如机械密封中补偿环用辅助密封(secondaryseals)。封闭式密封(closedseals)或转化为静密封的动密封：如屏蔽泵(screenedpumps)、磁力传动泵(magnetictransmissionpumps)和全封闭式压缩机(closedcompressors)等将动密封转化为静密封的机器设备。,伪静密封,静密封,伪静密封,动密封,普通接触式机械密封,流体静密封分类,垫片密封。按材料和结构分为：非金属垫片：橡胶、石棉橡胶、柔性石墨、聚四氟乙烯等，截面形状均为矩形。金属复合型垫片：各种金属包垫、金属缠绕垫。金属垫片：金属平垫、波形垫、环形垫、齿形垫、透镜垫、三角垫、双锥环、C形环、中空O形环。按密封分类原则：金属平垫、波形垫、环形垫、齿形垫、透镜垫属于强制式密封，其余为自紧式或半自紧式密封。胶密封。填料密封。波纹管。,流体动密封分类：,接触式动密封。软填料密封。成型填料密封。油封。防尘密封。接触式机械密封。非接触式动密封。非接触式机械密封（气膜密封、液膜密封等）。迷宫密封。浮环密封。间隙密封。螺旋密封。离心密封。磁流体密封。封闭式密封。组合式密封。,1.3对密封产品或密封系统的要求密封性和安全性：实现密封介质的低微泄漏甚至无泄漏（包括液相零泄漏和汽相零逸出），满足安全生产和环保功能的要求。可靠性：使用寿命长、稳定性高、抗干扰能力强。经济性：成本低、能耗和运行费用少、使用维修方便性价比高（生命周期费用（LifeCycleCost简称LCC）。适用性：能满足机泵具体的工艺条件要求和现场能提供的实际条件。,对密封系统来讲，其生命周期费用主要包括九大费用，表示如下：式中，Cic初始购置费用，即购置密封的费用，包括工程、投标费用、订单管理、试验、产地考察和初始备件等费用；Cin安装费用，包括有特殊要求的场所准备，安装和相关管道的连接，电器和仪表、辅助系统的安装以及开车要求的专门服务；Co操作费用，包括密封辅助系统的冷却水、冲洗和急冷流体、缓冲和阻塞流体、阻塞气体和（或）废气（液）处置等有效使用的费用；Csm密封维修费用，机械密封修复、液封环和轴套等的费用；Cem设备维修费用，密封失效而用于设备修理和替换零件费用；Cen能耗费用，密封副摩擦动力损失，包括为了补偿缓冲流体对工艺流体的稀释和（或）恢复工艺温度所消耗的能量；Clp停工和密封产品损失费用，未预料的密封失效影响整个装置运行而引起的产品损失费用；Cenv环保费用，选定的密封为了达到环保法的规定而支出的费用。如果有规定的话，也包括因违反环保法规而缴纳的罚款；Cd停用和废弃费用，在实际中很少对其进行考虑，但在设备的生命期内消耗的某些机械密封组件等，若所处理产品具有极端危害性，则废弃费用将是较高的，不得不考虑。,密封技术和科学的发展，屈指可数已有几千年的历史，但与机械制造有关的历史只有二百多年，其发展大致经历了四个阶段：密封技术产生与发展的初级阶段（1900年以前）十九世纪以前各种密封因生产发展的需要而不断出现和发展：十七世纪，泵和液压传动一出现，就出现了软填料密封皮碗密封和垫片密封；十九世纪末(1882年)首次在蒸汽机上使用编织软填料；1900年，首次在汽轮机上采用迷宫密封（梳齿密封）。1885年，在英国出现了第一个机械密封专利。,1.4流体密封技术的发展,直通型,复合直通型,错列型迷宫,阶梯型迷宫,斜齿阶梯型迷宫,1886年，雷诺(Reynolds)提出润滑理论的基本方程（即N-S方程）。,压差流,剪切流,挤压流,密封理论的发展和产品涌现阶段（19011960年）此阶段发明了液体燃料发动机、汽车运输、航空飞机、后陆续发展石油化工、原子能和宇宙机械制造，促使密封技术的发展出现了跃进阶段。密封形式：1900年机械密封用于轴封。弹性体密封、磁流体密封、石棉密封、油封、天然橡胶O形圈、螺旋密封、叶轮密封（非接触式密封）；出现了平衡型机封和中间环机械密封。密封材料：PTFE、碳石墨、硬质合金和陶瓷；碳化硅、硅化石墨等复合材料问世。加工技术：加工表面粗糙度达到Ra0.2Ra0.05。研究机构：1944年，美国的ASLE(AmericanSocietyofLubricationEngineers)组织成立；1947年，英国的BHRA(BritishHydromechanicsResearchAssociation,流体力学研究学会)成立，美国的ASME组织成立，日本的JSLE组织成立。专业生产厂家：美国有Chesterton公司、Sealol公司、Dula公司、Borgwarna公司；英国有JohnCrane公司、Flexibox公司；德国有Burgmann公司；日本有Eagle公司，Pillar公司。,中间环,密封学的形成和发展阶段（1961-1990年）发展动力：宇航、核电站、天然气输送、石油化工的需要、计算机技术发展和应用，促进了密封技术的发展和提高。密封结构：在流体动压润滑和静压润滑理论指导下，各种密封向着深度发展，出现了高参数和新结构的接触式和非接触式密封以及满足各种要求的组合密封和密闭式密封。热流体动压机械密封(Thermo-hydrodynamicMechanicalSeal)、干气密封(DryGasSeal)问世，使机械密封技术实现了质的飞跃。密封标准：API610、API682等标准相继制定。密封材料：碳素纤维膨胀石墨、芳纶纤维的出现，使软填料密封得以改进。学术会议：BHRA从1961年到2006年召开了17届国际流体密封会议。此间国际摩擦学会成立；密封机理的微观研究侧重机器的可靠性研究。有人提出已形成一门学科密封学。（ASLE每年举行年会；原东欧经互会举行16届密封技术会议）。1995年以前我国机械部和石化总公司都分别定期举行流体密封会议。灾难事故：1986年，O形密封圈失效导致美国挑战号宇宙飞船爆炸，引起全世界的关注（NASA下设专门的GlennResearchCentre)。,热流体动压机械密封,干气密封,发展密封学、提高密封技术阶段（1991年至今）新型密封涌现：反映在密封新概念、新结构、新方法、新技术、新工艺和新材料（如零泄漏机械密封：Zero-leakageMechanicalSeal,零逸出密封：Zero-missionMechanicalSeal,上游泵送机械密封：UpstreamPumpingMechanicalSeal）；非接触式机械密封（Non-contactingMechanicalSeals）的出现打破了非接触式密封总是泄漏的传统概念。复合材料出现：密封材料发展的一个趋势。标准日趋完善：API610、API682标准的进一步完善，使机械密封及其辅助系统的设计及使用及维护趋于规范。密封设计：由经验性设计向理论分析系统性设计转变。密封技术：向高参数（V、P、T）、高真空、超低温、高性能（干运转无泄漏无油润滑含颗粒介质密封和高水平（高PsV值、剖分式、监控密封、集装式密封）和组合密封。迫切解决的问题：密封的失效机理、失效分析和失效监控（做出密封状态的监控和寿命预测）。,非接触式双端面干气密封,1.5流体密封技术的发展趋势,随着现代工业的迅速发展，流体密封的使用环境正在发生深刻的变化，对其工况要求更加苛刻，操作条件正向高速、高压、高温、低温、高真空、大尺寸、微尺寸方向发展。以石油化工为例，石化用机泵的发展方向是大型化、高速化、机电一体化，泵产品成套化、标准化、系列化和通用化，多品种、性能广、寿命长及可靠性高；使机泵用密封向大型化和专业化方向发展，特别是适用高压、高速透平，高温、低温和超低温泵，高速泵，耐腐蚀泵，输送粘稠介质和带固体颗粒介质泵的密封技术和产品发展很快。电力、冶金等行业设备正向着大型化、高度自动化、智能化、节能和绿色环保的方向发展，对于高温、高压密封要求越来越高。比如发电设备，压力要求能承受2728MPa，耐热温度要求达到600，这都需要密封等设备能够耐高温高压。,(1)密封理论、技术和产品不断创新新技术、新概念、新结构、新材料、新工艺（结构是先导，材料是基础，工艺是保证）和新标准不断涌现；高参数(如高压、高速、高温、大直径)；高性能(如干运转、零泄漏、无油润滑、密封浆液、高含固体颗粒)；高可靠性和高水平(如高PV值、大型剖分式、状态监控)密封产品大量研制。重点：密封失效机理(如疱疤、热裂、空化-汽蚀、橡胶密封圈泡胀和老化)、失效分析(如可靠性和失效概率)、密封失效专家诊断系统、失效监控技术(如流体膜、摩擦状态和相态)的研究和应用。,(2)密封设计由简易的经验性设计向理论性专家系统设计转变经验性设计：以机械密封为例，传统的设计方法是根据经验性知识，确立密封的几何参数和弹簧压力，依此计算出端面接触压力Pc