（化学工程专业论文）超高压计量泵单向阀密封泄漏有限元分析.pdf

中文摘要 超高压引发剂计量泵的单向阀泄漏问题一直影响着高压聚乙烯装置的平稳运行。因 为超高压柱塞泵一旦泄漏，将导致反应温度波动较大，从而影响产品的质量，甚至导致 全线停车。由于此种超高压双柱塞泵输出压力最高为2 9 0 m p a ，国内同类设备很少，可提 供的资料数据也很少，没有成熟的检修维护经验，因此，如何对其加以系统的分析，找 出泄漏原因，解决存在的问题，提高其运行的周期，将是本文所讨论的主要问题。 本文通过分析该泵单向阀密封的结构形式和特点，针对泵在运行过程中出现的泵头 组件泄漏故障，分析了单向阀内漏与外漏，以及填料磨损严重的原因。指出问题的主要 矛盾是确定加载到密封阀座上的预紧力大小。因阀座密封面上的受力是非线性接触问 题，无法用解析方程式表明，所以采用有限元方法进行了进一步的计算。通过建立单向 阀密封的有限元计算模型，对单向阀座密封的接触破坏和泄漏进行了分析，确定了高压 端接头螺纹的最大和最小上扣扭矩，分析了等效应力和接触应力随扭矩和内压的变化规 律，制定了相应的超高压泵阀座密封的安装操作规程。 在采用以上措施后，经过近一年的观察统计，这些措施大大提高了机器配件的使用 寿命，延长了设备稳定运行的周期，由原来的平均7 0 0 多个小时增加到1 6 0 0 小时。对 下游关键设备一一超高压压缩机的稳定运行提供了良好的条件，进而提高了整个装置工 艺参数的平稳率，产品的质量得到了进一步改善。同时阀座备件的使用量大大减少，节 省了外汇的支出。 关键词：非线性接触，扭矩，有限元，计量泵 a b s t r a c t t h el e a k a g eo fc h e c kv a l v eo fu l t r a h i 【曲i n i t i a t o rm e m cp u m pi so n eo ft h e p r o b l e m si n f l u e n c i n go p e r a t i o ns t a b i l i t y o fl d p ep l a n td u et ot h er e a c t i o n t e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o nc a u s e db yp u m pl e a k a g ea n dt h e r e f o r ed e t e r i o r a t i o n o f p r o d u c tq u a l i t ya n de v e ns h u td o w no fw h o l ep l a n t p r e s e n t l y ，t h e r ea r en os u f f i c i e n t o p e r a t i n ga n dm a i n t a i n i n ge x p e r i e n c ea n dt e c h n i c a ld a t ai nt h i sf i e l dd o m e s t i c a l l y ， o w n i n gt ot h eh i 曲o u t p u tp r e s s u r ea sh i g ha s2 9 0m p ao ft h ep u m p i nt h i sp a p e r , a n a l y s i so ft h ep r o b l e ms e e k i n gt h ep o t e n t i a lc a u s e sf o ri m p r o v e m e n to fp u m p o p e r a t i o nc y c l ew a sp e r f o r m e d f i r s tt h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i co ft h ec h e c kv a l v ei nt h ep u m pw a sa n a l y z e d f o c u s e do nt h eo p e r a t i o nf a i l u r eo fp u m ph e a dc o m p o n e n t s ，t h ec a u s eo fi n t e r n a la n d o u t s i d el e a k a g ea sw e l la st h ef i l l i n ga b r a s i o nw i l l sp r o b e d a san o n - l i n e a rp r o b l e m ， t h ef o r c eb e a r i n gs t a t u so fv a l v es e a ts e a ls e a l i n gc a n n o tb ed e s c r i b e dw i t ha n a l y t i c a l e q u a t i o n t h u st h ec a l c u l a t i o nw a sp e r f o r m e db yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o d t h e f i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ec h e c kv a l v es e a l i n gw a sb u i l tt op e r f o r ma n a l y s i so fi t s c o n t a c tf a i l u r ea n dl e a k a g ep r o c e s s t h em a x i m u ma n dm i n i m u mc l a m pt o r q u e so f h i g h - p r e s s u r ej o i n tw e r ed e t e r m i n e d ，a n dt h ev a r i a t i o np a t t e r no fc l a m pt o r q u ea n d i n n e rp r e s s u r ew i t he q u i v a l e n ta n dc o n t a c ts t r e s s e sw a sa n a l y z e d b a s e do nt h e s e i n v e s t i g a t i o n s ，t h ei n s t a l l a t i o na n do p e r a t i o nr e g u l a t i o n so fu l t r a - h i g h - p r e s s u r ep u m p v a l v es e a rw e r ee s t a b l i s h e di nw h i c ht h ec l a m pt o r q u e sf o rv a l v es e a ti n s t a l l a t i o nw e r e s t r i c t l yr e s t r i c t e di np u m pm a i n t e n a n c e t h er e g u l a t i o n sw e r ee v a l u a t e di ni m p l e m e n t a t i o no fa b o u t1y e a r ，a n dr e s u l t s s h o w e dt h a tt h es e r v i c ec y c l eo fp u m pp a r t sw a sm a r k e d l yp r o l o n g e d ，a n dt h es t a b l e o p e r a t i o nc y c l eo ft h ep u m pw a si n c r e a s e df r o mf o r m e r7 0 0h o u r st oc u r r e n t16 0 0 h o u r si na v e r a g e t l l i sc a np r o v i d et h ek e ye q u i p m e n t ，u l t r a h i g h p r e s s u r ec o m p r e s s o r ， w i t hp r e f e r a b l eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，a n dt h u si m p r o v et h eo p e r a t i o ns t a b i l i t yo ft h e w h o l ep l a n t ，w h i c hi st h ep r e c o n d i t i o no fp r o d u c tq u a l i t y a n da tt h es a m et i m e ，t h e c o n s u m p t i o no fs p a r ep a r t so fv a l v es e a t sc a l lb er e d u c e df o rc o n t r o lo fp u r c h a s i n g c o s to ff o r e i g nc u r r e n c y k e y w o r d s ：n o n l i n e a rc o n t a c t ，t o r q u e ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，m e 仃i cp u m p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：崔钝 签字日期：p 乍年皇月；f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞苤鲎 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 采甍 签字日期：| 1 年y 月3 1 日签字日期：勿矽年j - 月乡f 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 往复泵是一种发展较早的动力机械。它包括活塞泵和柱塞泵，适于输送流量较 小压力较高的各种液体介质。特别是当流量小于1 0 0n 1 3 h ，排出压力大于1 0 0k g f c m 2 时，更加显示出它有较高的效率和良好的运动性能。随着生产的发展和生活质量的 不断提高，计量泵的应用范围正不断扩大到国民经济生产的各个行业。同时，科学 技术的发展和生产工艺控制过程要求的提高，对计量泵的技术含量和技术要求日渐 苛刻，迫使国内计量泵的生产开发速度不断加快。计量泵的密封技术关系到计量泵 的运行效率，因此，计量泵密封技术研究及失效机理的研究亦越来越引起人们的重 视。 1 1 1 计量泵的特点与应用 计量泵属于往复泵类，是一种既具有介质输送又具有流量调节功能的机械设备， 因其结构简单、计量精确而在工业生产中有着重要的意义。与其它泵相比，其工作 特点如下： ( 1 ) 计量泵的流量只与泵的冲程及转速有关，而与扬程或输出压力无关。 ( 2 ) 不能像离心泵那样关闭出口阀运行，因此其出口管线中必须安装安全阀。 ( 3 ) 瞬时流量具有脉冲波动性，因此出口管线上应根据需要安装压力平衡装置。 计量泵在运转过程中，流量可以按需要从接近0 到1 0 0 的范围进行无级调节， 对所输送的液体能够计量，且能满足一定的计量精度要求。由于其输出流量与可调 参数一柱塞行程长度间有较为理想的线性关系，所以，很适于做为执行元件应用在 各种需进行流体介质输送的过程控制系统中。而且多年来，计量泵流量的调节是通 过人工操作泵体上的手轮或调量表手轮调节行程长度实现的，可以根据工艺流程的 需要随时调节所需流量，因此，计量泵已成为现代工业中不可缺少的新泵种。 1 1 2 计量泵的发展概况 计量泵作为往复泵的分支，迄今只有7 0 年的发展史，在我国计量泵的发展时间 更短只有3 0 多年。计量泵，实际就是一台简单的曲柄滑块柱塞泵或点接触式、斜盘 变量的轴向柱塞泵。计量比例泵( 简称比例泵) 与其它轴向柱塞泵所不同的是除了结 第章绪论 构简单外，就是多泵组合为一体，由一台电机驱动，通过变速机构传动口1 。计量比 例泵的作用不是仅仅为了记录用量、显示用量或检测用量，而更主要的是对流量按 设计进行分配。 1 9 3 6 年，美国米顿罗公司应美国最大的化学药剂生产商之一贝兹公司的要求发 明了专用于定量添加药剂的计量泵。早期计量泵的运动冲程是不可调节的。然而随 着机械结构设计的改进和加工设备的发展，机械故障发生的概率大大降低了。对总 流量无级调节的要求，使总流量调节部分成为一个独立开发的模块得到不断发展。 现已开发出了手动控制、电动伺服控制、气动伺服控制和变频控制等调节方式，可 以满足各种生产效率的需要。 今天，计量泵的结构设计己被模块化【3 1 ，针对不同的应用要求，生产厂商只需 适当调整或改变模块组合，即能满足不同用户需要。 1 1 3 国产计量泵的现状 国内计量泵的研制始于1 9 6 7 年，开发的起点比较高。但是，由于计量泵只是作 为企业产品的一个种类存在，对后续研发重视不够，加上缺乏与国外专业生产商的 交流，因此在产品种类和控制模式上没有跟上最新的发展趋势。 国内的机械加工手段落后，制约了高精度和高质量产品产生。目前，国内大、 中型泵类通用机械生产厂所拥有的大部分加工设备仅是各种普通机床，无法达到最 高精度计量泵的要求，所以有很多重要流程上的计量泵还需要进口。 1 2 泵用密封技术的理论基础研究 在机械设备中密封的功能是防止泄漏，密封性能的好坏是评定机械产品的重要 指标之一。起密封作用的零部件称为密封件，简称密封。机械密封由于其泄漏量很 小，密封可靠，摩擦功耗低，使用周期长，对轴( 或轴套) 磨损很小，能满足多种 工况要求等特点被广泛应用于泵、压缩机、反应釜等旋转设备中。机械密封良好的 使用性能为生产装置的长周期、安全、平稳运行打下了物质基础。 密封作用的有效性用密封度来衡量，即单位时间内介质的体积或质量的泄漏量来 表示。密封的泄漏量为零的理想情况称为“零泄漏”1 。一般来讲，静密封可以达 到零泄漏，但对于动密封要达到零泄漏是特别困难的。工程上常对重要的密封规定 密封度的许用值。 机械密封在实践应用中不断被改进，使机械密封更加完善。尽管如此，在实际 生产中，据统计机械密封引起的故障仍占全部机器故障的4 0 以上，机械密封的维修 工作量占了很大的比重。因此机械密封运行状况的好坏直接影响着装置的正常生产。 第一童绪论 1 2 1 机械密封的作用原理 机械密封是靠一对或几对垂直于轴作相对滑动的端面在流体压力和补偿机构的 弹力( 或磁力) 作用下保持接合并配以辅助密封而达到阻漏的轴封装置，故又称端面 密封。机械密封在弹簧和密封介质的压力作用下在旋转的动环和静环的接触表面( 端 面) 上产生适当的压紧力，使这两个端面紧密贴合，端面间维持一层极薄的液体膜面 而达到密封目的。这层液体膜面具有流体的动压力与静压力，起着润滑和平衡力的 作用。 机械密封可按工作参数和结构形式分类【5 。 根据密封腔压力p 分类，机械密封可分为超高压机械密封，高压机械密封、中压 机械密封、低压机械密封、负压机械密封。 按结构形式分类，机械密封有接触式和非接触式密封；内装式和外装式机械密 封；内流式和外流式机械密封；弹簧旋转式和弹簧静止式机械密封；非平衡式和平 衡式机械密封；单弹簧式和多弹簧式机械密封：单密封、双密封及多级密封引。 1 2 2 接触式机械密封的理论 关于机械密封的密封机理人们进行了大量的研究，有许多的不同观点和力学模 型，e 迈尔认为：普通机械密封的界面一般为边界摩擦工况旧1 。这一理论解决了在 较大接触压力下，为什么软质摩擦副无论在高粘度或低粘度介质中，以不同转速运 转时，仍具有较长的使用寿命。n a u 认为：目前在实践中应用的机械密封大量处于 流体动力摩擦工况旧1 。然而，l e b e c k 的试验研究表明，在水润滑条件下的普通机械密 封中并不能形成足够的流体动压承载能力0 | 。a m 戈卢别夫利用流体力学和传热 学，考虑缝隙内的流体流动，分析流体膜层出现的流体动压，认为流体动压是由于 摩擦副中一个环的局部变形所造成的，并提出了说明半液体摩擦( 混合摩擦) 的热 流体动力楔理论。s u m m e r s s m i t h 等已证明在一定条件下，端面不能运转于完全 分离状态，丽是处于混合摩擦状态h 引。这一理论解决了在相同工况参数下为什么有 些密封可以在较低的摩擦状态下运转的问题。由此可见，机械密封端面的正常摩擦 工况可分为流体摩擦、边界摩擦和混合摩擦工况。 接触式机械密封系统中所涉及到的主要理论包括3 m 引：流体润滑理论( 成膜理 论) 、边界润滑理论( 流体交换流动理论) 、混合摩擦理论( 微凸体接触和热流体动力 楔理论) 和热裂理论。 ( 1 ) 流体润滑理论 流体润滑密封理论的主要内容是流体膜润滑一一由流体膜承载保持密封和润滑 的成膜理论。成膜理论的基础是窄缝粘性流体流动，其主要的控制方程是简化的那 维埃一一雷诺方程。雷诺方程是将粘性流体的膜厚、膜压、粘度、流槽形状和滑速 第一章绪论 等重要参数联系在一起的流体动力润滑方程。 流体润滑密封理论按其成膜原理可以分为流体静力学和流体动力学两个方面。 机械密封的各种流体润滑理论都是围绕着各种流体静压效应和流体动压效应对流体 润滑的基本方程( 雷诺方程) 进行修正，并与连续性方程、能量方程、状态方程( 流体 粘度与密度和压力、温度的关系式) 联立，从而根据膜厚和流槽形状求解流体膜压分 布和流速分布，进而求出机械密封的承载能力( 包括膜压和比压) 和流体泄漏量。也 可以根据膜压分布和流速分布求解膜厚和流槽形状。 ( 2 ) 边界润滑理论 在机械密封的试验研究方面，有关边界润滑的研究不如流体润滑的研究那样成 熟。基于流体边界润滑理论，迈耶提出了流体交换流动理论。液体主要通过单个设 有相互连通的沟槽的空隙渗入密封界面。当密封环旋转时，在很小的残压和离心压 力作用下，液体在密封面相互搭界的沟槽和空隙之间进行交换。摩擦副密封面间的 空隙彼此之间很少连通。在边界摩擦状态下，出于固体的分隔作用构成空隙。当其 中一个环旋转时，可以像人通过旋转门那样，液体从一个空隙转移到另一个空隙中 去，一直到液体质点达到缝隙的终端为止。 ( 3 ) 热裂理论 通常机械密封面由于流体作用力增大，间隙减小，会使密封面微凸体开始接触 而温度升高或其它原因而开始发生干摩擦。此外，大多数机械密封在开、停车时短 暂地发生干摩擦或半干摩擦。由于密封面干摩擦会使摩擦系数增大和磨损加剧，导 致密封环烧毁或热应力开裂，从而发生大量泄漏的故障。 ( 4 ) 混合摩擦理论 混合摩擦介于流体摩擦、边界摩擦、干摩擦几种摩擦之间，是接触式密封中具 有一般性的、实际中最常见的摩擦状态。它的密封接触表面会同时出现几种摩擦的 混合状态，可能有流体摩擦与边界摩擦( 又称半液体摩擦) 、边界摩擦与干摩擦( 又称 半干摩擦) 、流体摩擦与边界摩擦干摩擦以及流体摩擦与干摩擦等几种混合摩擦。 机械密封的摩擦副通常是由一个金属环和一个碳石墨环组成。在金属环密封环 面上具有深达几微米的刮痕网格，这是在磨削加工时形成的。可以认为碳石墨环密 封环面是平滑的，因为它是随着金属环磨合的。假设这两个环的密封端面是由厚度 为零点几微米到一微米的液膜隔开，而且刮痕的间距为零点几毫米。在流体压差作 用下流体沿刮痕高速流过间隙，由于摩擦，高速流动的液体被加热，同时也加热了 金属表面，使之在温度下受热膨胀。液体和金属环表面的温度沿运动方向逐渐升高， 从而使金属膨胀不均匀。由于受热不均匀，在刮痕间的金属表面具有倾斜度，即间 隙变成收敛性间隙，此时在金属环表面产生流体动压作用力。这是由于热流体动力 楔起了流体膜承载作用n 别。稳定的半液体摩擦只有在摩擦磨合后才能形成。 第一童绪论 1 2 3 机械密封的磨损基本规律 磨损是机械密封经常发生的一种失效形式。对于接触式机械密封，掌握磨损规 律，预计磨损率，设法延长耐磨寿命乃是一个重要的问题。 机械密封的摩擦表面上可能出现的主要磨损形式有粘着磨损、磨料磨损、疲劳 磨损、微动磨损和腐蚀磨损，这些磨损形式会互相转化。 材料的磨损是一个多阶段的过程，磨损量是磨损时间的函数，它可以用磨损量 一时间曲线和磨损速度一时间曲线来表示6 1 8 3 ，这两条磨损过程反映了磨损的基本 规律。 一般磨损过程曲线可分成三个磨损阶段： ( 1 ) 跑合阶段i ：在此阶段里摩擦表面上的原始表面粗糙度经过跑合而发生了 变化，变成了一般正常使用的表面粗糙度，表面变得较光滑平整，磨损速度在此阶 段里由快到慢到某个定值。 ( 2 ) 稳定磨损阶段1 1 ：在此阶段里磨损速度等于常数。如果没有其它原因而严 重改变摩擦过程的话，磨损就会一直平稳地发展下去。这是机械零件正常工作的过 程。 ( 3 ) 剧烈磨损阶段i ：由于表面受到损坏，表面温度升高，加上材料机械性能 的变化使磨损连剧烈增大。磨损速度增加，最终导致零件失效。这个阶段常会出现 磨损形式的改变。 根据磨损的基本规律，可为失效分析提供依据，同时设法延长第二阶段从而延 长机械密封寿命。 机械密封的寿命在正常情况下主要取决于密封面的磨损。通常软密封面的承磨 台的高度是按照机械密封技术条件规定的磨损率，即考虑要求的密封寿命来确定。 到目前为止，一般都是按照机械密封技术条件的规定作l o o t j 、时或长的运转试验，测 量磨损率，得出小于规定磨损率的合格磨损率，并且根据这一平均磨损率来推算密 封运转寿命。 机械密封的失效或损坏可能是机械能、热能、化学能或核放射能所引起的，而 它们在工作过程中往往是对损坏过程同时起到作用。因此对机械密封磨损规律的研 究可以延长机械密封使用寿命，找到好的解决方法。 1 3 机械密封失效原因分析 机械密封的突然失效，常常给用户带来很大的损失和麻烦。近年来，密封研究 人员在深入探讨密封机理的同时，为了消除运行故障，设计出性能更加完备的机械 密封，纷纷将目光投向机封的失效分析h 引，以期找到机械密封失效的具体原因。 从有关机封失效分析的资料看，失效分析都还只能是定性的分析，如摩擦副过 第章绪论 度磨损、热裂或断裂，焊接金属波纹管失弹或开裂等，尚没有定量的分析，引起机 械密封失效的具体原因还需进一步深入地研究。此外，对机械密封的故障、原因及 分析的综合性资料也不多见。 对机械密封失效机理的探索是正确使用机械密封和预测其使用寿命的理论基 础，也是机械密封设计和使用控制的理论依据。英国机械工程师协会曾在1 9 8 3 年5 月和1 9 8 4 年3 月两度召开学术讨论会，试图弄清存在问题的现状。与会者有泵和密封 制造厂家及用户，他们对使用中尤其是在恶劣条件下工作的机械密封存在的问题都 十分关注，并确定要对机械密封的性能进行广泛研究，以确定机械密封的失效机理。 根据故障原因，人们将机械密封的损坏分为化学损坏、热损坏和机械损坏三大 类。具体来讲，化学损坏主要是指机封零件的腐蚀损坏和辅助密封圈的蜕化和溶涨： 热损坏主要指由于过热引起密封端面的热裂和泡疤等损坏；机械损坏是指包括磨损、 冲蚀在内的由于机械结构不当或机械强度不够造成的各种形式的损坏。 ( 1 ) 高温引起的机械密封失效：当密封腔内的温度超过1 5 0 时，可能会出现 以下问题：端面摩擦热不能被带走，使密封端面温度过高，造成端面液膜汽化，出 现干摩擦；密封环摩擦副发生热变形和热裂：材料的腐蚀和磨损加快，并可能发生 变质；弹簧疲劳强度降低。因此，在高温条件下，最好安装冷却装置，保持端面温 度在介质汽化温度以下，并选用耐高温的密封材料。 ( 2 ) 摩擦副环的变形对泄漏的影响：摩擦副环变形是造成端面泄漏的一个重要 因素。变形一般分为两种：一是在不同的工作条件、摩擦工况及结构形式中会产生 力变形和温度变形：二是在运转一段时间后会出现由于摩擦副环内的残余应力引起 的残余变形，这些变形使端面间的间隙由平行状态变成收缩或扩散状态。 ( 3 ) 温度变化对机械密封的影响：影响机械密封的温度是密封腔内介质的温 度。端面温差较大或温度变化速率过大时，产生的热变形过大，会使密封泄漏增大。 降温变化时尤其明显。为防止温度变化速率过大，采取冷却措施，保持密封腔内温 度变化小。如果使用耐温差范围较大的机械密封，并采用冷却措施，使用寿命可大 大延长。 ( 4 ) 压力对机械密封的影响：影响机械密封的压力主要是密封腔内介质的压力。 密封腔内压力过高时，会使密封端面比压过大，液膜难以形成，密封端面磨 损严重，发热量增多。另外高压还会使密封端面零件变形，摩擦副环产生变形或破 裂； 工作压力的波动会影响密封零件的弹性变形量，影响密封性能。特别是在降 压变化速率过大时将产生过大的泄漏量； 密封腔内若是真空，会引起密封干摩擦，内装式机械密封会产生漏气现象。 机械密封本身是一种较为精密的部件，泄漏点多，对零件的加工精度及安装质 量都有很高的要求。在实际生产中，机械密封泄漏往往是各种因素的集合，要正确 分析机械密封失效原因并非容易的事。因此，在使用机械密封时，应该详细分析使 第章绪论 用机械密封的各种因素，按照规定的使用条件范围选用机械密封，才能保证密封周 期稳定、可靠地运转。 1 4 阀门密封技术研究 阀门作为一种流体控制设备，密封是首先需要解决的问题，阀门的密封性能是 阀门质量的重要指标之一心0 。阀门的密封主要分为两大类，即外密封和内密封。外 密封是指阀盖处和阀杆处之间的密封，内密封是指阀座密封面与阀头之间的密封。 阀盖处的密封般采用法兰连接密封。阀杆处的密封分为填料密封和无填料密 封。填料密封由于结构简单，加工制造方便，价格低廉，因此9 0 的阀门是采用填料 密封。密封填料分为软质密封填料和成型填料两种幢。软质密封填料磨损快，须经 常拧紧填料压盖螺栓或更换填料才能保证较好的密封效果。成型填料结构紧凑，密 封性能好，品种规格齐全，适用范围广，目前应用较为普遍。 国外早在二十世纪七十年代初期就开始研究利用膨胀聚四氟乙烯代替石棉和膨 胀石墨填料，并取得了较为理想的应用效果。近几年美国有几家公司研制开发出了 新型的填料密封心别。 美国m a c r o t e c bp o l y s e a l 公司的光谱阀门密封是一种独特的密封概念，选择不 同的聚四氟乙烯的混合物作为密封材料。美国r me n g i n e e r e dp r o d u c t s 公司根据不 同的工作情况而设计的瞬时发射密封产品，它可在高温无氧情况下连续工作，在操 作过程中保持泄漏量小于0 1m l m i n 。国内随后也在这方面进行了大量的研究工作， 在研究阀门阀杆密封运动机理的基础上，吸收和借鉴国外先进技术，研制成功新型 膨胀聚四氟乙烯密封填料，可弥补阀盖和阀杆存在的机械加误差。 阀盖与阀杆处的无填料密封一般是指波纹管或膜片密封，与填料密封相比，优 点是密封性能可靠，但由于波纹管或膜片制造困难，加工成本高，而且存在一些技 术难点，因此用于阀门外密封不是很普遍。 阀门内密封是通过阀座与阀头密封元件之间的相互紧密接触，依靠密封元件的 弹塑性变形，减小泄漏通道，以增加流动阻力来实现的。与法兰垫片密封性质类似， 属强制性密封。法兰金属平垫是金属垫片中几何形状最简单的一种，制造工艺简单， 价格便宜，适用于高温、低压的过热蒸汽和化工管道及阀门等密封部位。1 9 7 3 年， j r t h o m a s 采用g - w 和m r 弹性接触模型研究了表面粗糙度对金属密封表面变形的影 响，研究表明表面形貌对金属密封性能影响很大，在相同的密封程度下，使密封面 的接触区产生弹性变形所需要的接触力不一定小于产生塑性变形所需要的接触力， 接触表面越粗糙这种情况越明显比别。 随着现代工业的发展，对阀门的密封可靠性提出了更高的要求，没有泄漏和长 寿命成为阀门工作质量的首选。阀门的泄漏特别是外漏不仅会造成大量流体损失， 耗损能源，污染环境，甚至会酿成重大的事故。虽然各种结构形式的阀门不断涌现， 第一章绪论 但阀门密封仍是一个未能根本解决的问题。 1 。5 本文研究的目的和内容 齐鲁公司高压聚乙烯装置是引进荷兰无脉冲管式高压聚乙烯反应工艺，设计 能力为年产1 4 万吨高压聚乙烯，其反应过程通过加入引发剂触发高压乙烯发生聚 合反应来实现，其中反应温度是通过套管加热和超高压计量泵输出引发剂量的多 少来加以控制的，因此引发剂的正常加入是决定产品性能的重要因素之一。引发 剂泵是提供引发剂的重要设备，它的工作状况直接影响整个装置的正常运行。在 实际的操作过程中，常常因超高压柱塞泵的泄漏，导致反应温度波动较大，影响 产品的质量，甚至导致全线停车。本文所研究的目的就是分析这种计量泵泄露的 原因，解决存在的问题，提高其运行的周期。 本文的研究内容为，首先全面了解计量泵的运行状况，通过对其结构的观察 和分析确定泄露的位置和途径。再对密封面的工作状态进行初步的理论分析，确 定产生密封面失效的基本原因。针对两密封面接触这种高度非线性状态，采用有 限元分析方法，利用a n s y s 软件进行运算和分析，最后确定导致泄露的根本原因 并根据数据制定相应的措施。 第二章引发剂泵结构原理与泄露分析 第二章引发剂泵结构原理与泄漏分析 齐鲁石化公司塑料厂高压聚乙烯装置采用了荷兰s t a m i c a r b o n 公司的无脉冲 超高压管式工艺，设计能力1 4 万吨年，于1 9 9 8 年1 1 月1 3 日开车成功。该装置 包括压缩单元、反应单元和造粒单元等几部分。其简要工艺流程是：低压乙烯经 一次压缩机压缩，压力升至2 5m p a ，进入二次超高压压缩机，经过二段压缩，压 力增至2 6 0m p a ，最高可达3 0 0m p a 。压缩气体进入管式反应器，在反应器注 入引发剂，反应生成的聚乙烯和未反应的乙烯混合物由出料阀p h v - e 1 0 1 排出，产 品进入造粒单元。本文将要讨论的超高压计量泵负责为引发剂提供足够大的压力 使其能够进入反应系统，其运行状态对整个反应的顺利进行极其重要。 2 1 引发剂计量泵的结构原理 2 1 1 主要性能指标 该装置的引发剂计量泵群( 位号：p 2 4 2 a g ) 共七台，采用的是德国u h d e 公 司生产的超高压双柱塞泵h p 2 2 0 3 ，工作介质为弓 发剂( 2 0 的过氧化物稀释于石 蜡油中) ，泵为重负载( 活塞力为4 0 0 0n ，出口压力最大为2 9 0m p a ) ，由等速度 电机驱动，通过改变柱塞往复次数，可在一定范围内任意的调节流量。主要技术 参数，见表2 - 1 。 表2 - 1 泵技术参数表 f i g 2 1 t e c h n i c a lp a r a m e t e r so ft h ep u m p s 工作压力下的输出输出压力柱塞直径柱塞最大冲程最大工作频率 y hm p am mm mm i l l 。1 0 6 02 5 0 2 9 0 1 2 1 2 04 6 2 1 2 结构分析 超高压双柱塞计量泵装置由双头柱塞泵体，液压动力系统，润滑油系统，主、 辅电机驱动器，冷却系统，仪表调节监控系统组成，如图2 - 1 所示。其中双柱塞 泵体是工作输出单元，是泵的关键部件之一。它包括液压油缸、泵头两大部份。 第二章引发剂泵结构原理与泄露分析 泵头部分又包括单向阀组件( 由壳体、阀座、碳化钨密封球、球托、三通构成) 、 填料组件( 由定位环，弹簧，支撑环，压力环和填料组成，填料为专用聚乙烯) 和碳化钨柱塞等几部分组成，见图2 2 所示。 扁说 图2 1 计量泵整体配置图 f i g 2 - 1 t h eo v e r a l lc o n f i g u r a t i o nd i a g r a mm e t e r i n gp u m p 图2 - 2 超高压泵体结构 f i g 2 2 t h es t r u c t u r eo fu l t r a h i g hp r e s s u r ep u m pb o d y 第二章引发剂泵结构原理与泄露分析 2 1 3 工作原理 液压动力系统是整个泵的“心脏”，提供了柱塞运动所需要的动力。通过液压 油缸将来自液压动力系统的液压能真接转化为机械能，来驱动柱塞作往复运动， 工作介质引发剂( 2 0 过氧化物稀释于石蜡油中) 直接被柱塞压缩到2 5 0m p a 左 右( 最高2 9 0m p a ) ，通过引发剂泵出口的高压管线，注入到管式反应器中触发高 压乙烯发生聚合反应。当柱塞运动到上、下止点时，通过压迫液压切换阀的滑动 装置改变柱塞运动方向。液压动力系统通过流量控制柱塞往复运动的频率，通过 改变柱塞频率，将泵的排放量从零升至最大，实现无级调节。 2 2 泄漏原因的初步分析 在日常操作和检修过程中，该泵最常见的故障是超高压泵头组件泄漏。由此 引发的故障占到了总故障的9 5 以上。该泄漏分为内泄漏和外泄漏，内泄露降低 了泵的效率，外泄漏不仅降低了泵效率，还污染了环境，给装置安全运行带来了 潜在的危险。通过图2 - 3 可以清楚地看到，这两种泄漏都发生在泵头部分。所以， 对超高压泵故障原因分析的重点放到超高压泵头组件上。 图2 - 3 泵头组件 f i g 2 - 3p u m pc o m p o n e n t s 第二章引发剂泵结构原理与泄露分析 2 21 单向阀组件泄漏故障分析及防范措施 单向阀组件由阀壳、阀座、碳化钨密封小球，球托和三通五部分组成。由 其结构可知，通过阀座之间的密封面及阀座和三通之间的密封面把引发剂限制在 单向阀内流动，当它们之间密封不严时，就台导致单向阀的外漏。当密封小球与 阀座密封不严时，就会导致单向阀内漏。 221 1 单向阀内漏 对于单向阀内漏最常见的原因是异物卡在了阀座和小球的密封面之间。密 封球的直径为65 r a m ，球托中心孔直径为16 r a m ，若介质中含有杂质，或维修时 来清洗干净，则很容易堵塞通道或造成小球与球托接触不良。另外通过日常检修 经常会发现球托与小球的接触部分格外的明亮，原因是单向阀工作时，小球对阀 座频繁产生冲击，将阀座密封面产生压痕，长期使用后，这种损伤逐渐扩散到整 个密封面形成轴向的通道从而导致密封失效。 因此，为防止单向阀内泄漏，操作与维护人员要注意： ( 1 ) 严把引发剂质量关，使用台格的引发剂，尤其是颗粒物的含量不能超标； ( 2 ) 经常清理入口过滤器，保证物料的清洁： ( 3 ) 检修时应认真冲洗单向阀的各个零部件： ( 4 ) 环境温度下降时需对引发剂加伴热管线，防止引发荆积聚物的形成，堵 塞管线。 2212 单向阀外漏 单向阀外漏是单向阀组件最常见的故障。根据日常维修时的检查发现，引起 单向阀外漏的主要原因和密封预紧力有密切的关系。 图24 密封面损伤癯j 峦 f i g2 4 t r a c e so fs e a i n gs a r f a e e d a m a g e 第二章引发剂泵结构原理与泄露分析 在之前的检修操作中普遍认为，既然阀座之间是硬对硬的密封结构，为了能 保证密封，就将上、下压紧螺母( 高、低压接头) 拧得越紧越好，即预紧力越大 越好。而在实际运行过程中发现，有时预紧力很大的单向阀开始的时候使用良好， 但再次检修时发现密封面已严重损伤，不能够重复使用而造成配件的浪费。通过 对拆卸的阀座进行仔细检查后发现，阀座之间为锥面对锥面的密封，根本形式是 线密封。当预紧力很大时，密封面压紧变形后变成了园环形的窄面密封，如图2 - 4 中箭头所指部位，在放大镜下可见密封面粗糙不光滑，颜色发暗，并且在窄面上出 现了明显的压溃和划伤现象。初步分析这是由于阀座密封面之间的形变，随着应 力的增加而增大，当应力超过屈服极限时，变形将由弹性变形发展到塑性变形， 形成不可恢复的损伤，导致密封阀座的无法再次使用。因这种阀座一直依赖进口， 所以造成了很大的浪费。见图2 - 5 所示。 一般金属只要受力就会产生变形。弹性变形在理论上有可逆性、单值性和变 形量很小三个特点，当弹性变形量超过构件匹配所允许的数值称为过量的弹性变 形失效，而当弹性变形已不遵循变形可逆性、单值性及小变形量的特性时，则为 失去弹性功能的弹性变形失效，此时还是在弹性的讨论范围内。塑性是指材料中 的应力超过屈服极限后，产生显著的不可逆变形。一般来说，金属的塑性变形可 看作是晶体的缺陷运动，其中位错运动是基本和主要的，它造成晶粒的歪扭、微 裂纹的等缺陷产生，而产生塑性变形的主要原因是过载。基于以上理论以及对密 封面的观察，初步判断泵阀座密封失效为塑性变形。 o 图2 5 应力一应变关系 f i g 2 5 s t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s h i p 造成这种现象是由于当对上、下压紧螺母施加压力时，接头与阀座之间的密 封元件因受力而发生弹性变形，从而达到初始密封状态。这时的压力称为密封比 压力。如果密封元件处于正常的初始密封条件( 仅发生弹性变形) ，则在受到来自 柱塞泵压力作用时，密封元件通过弹性范围内的拉伸与压缩，在密封面会形成一 第二章引发荆泵结构原理与泄露分析 个线密封，见图2 - 6 ( a ) 所示。但当初始密封压力过大超过屈服极限时，将产生塑 性变形。由于塑性变形的存在，形成了面密封，见图2 - 6 ( b ) 所示。并且当压力卸 除后，密封元件无法完全回弹到设计的要求，存在了较大的变形，如图2 - 6 ( c ) 所 示。 ( a ) 无载荷时( b ) 载荷过大时( c ) 卸载后的残余变形 图2 - 6载荷对密封面的影响 f i g 2 6t h ei m p a c to fl o a d i n go nt h es e a l i n gs u r f a c e 上面提到的是预紧力过大的情况，而预紧力较小时安装的单向阀则有时不漏 有时泄露，说明预紧力跟泄露存在一定的对应关系。确定这种关系，将有利于指 导安装操作，达到既不产生泄露，也不损伤配件的最终目的。 2 2 2 填料超量磨损泄漏故障分析及防范措施 在外商提供的技术参数中，柱塞填料的使用寿命可以达到2 0 0 0 个小时。可实 际运行过程中，填料往往只使用了1 0 0 0 多个小时，就因磨损严重，泄漏出大量的 引发剂而无法继续使用。通过不断的实验发现，决定填料使用寿命的主要原因除 了在安装过程中要仔细、规范之外，很大程度上依赖于初始工作期间对填料的磨 合和间隙的调整。 因为超高压泵头输出的压力极高，根据机械设备的磨损规律，如不进行磨合 则填料的正常工作时间将会变短，所以填料的使用寿命很大程度上取决于初始阶 段的磨合情况。如果在初始阶段没有调校好，使用过程中出现了泄漏，即使再次 压紧螺母紧固填料，在一段时间内使得泄漏量有所减小，但填料的整体性已经遭 到破坏，而且在使用过程中也常常缺乏有效的再次磨合，所以填料会很快被磨损 掉，从而引起更大的泄漏。 因为填料的使用寿命很大程度上依赖于初始工作期间的磨合、调整，所以当 安装完新填料后，一定要对新填料进行磨合、调整。根据长期的实际工作经验， 总结如下： 第二章引发剂泵结构原理与泄露分析 ( 1 ) 测量填料压紧螺母和泵体之间的距离，将压紧螺母上紧2 r a m 。 ( 2 ) 在大约5 分钟的时间内缓慢将压力升至1 0 0 m p a 。泄压，将压紧螺母再上 紧l m m 。 ( 3 ) 缓慢将压力升至2 0 0 m p a ，保持压力5 分钟。泄压，再将压紧螺母上紧l m m 。 ( 4 ) 将压力升至正常操作时压力，观察泄漏情况。 如果初始运行期间发生较多泄漏，可以重新紧固压紧螺母，但每次压紧最多 不能超过l m m ，否则会破坏填料。如果此时仍有泄漏，那么可以在常压下运行从 而磨合填料，泄漏最终将会随填料的磨合而消失。 2 3 小结 本章在了解超高压引发剂计量泵工作原理与结构的基础上，针对泵在运行过 程中出现的泵头组件泄漏故障，分析了单向阀内漏与外漏，以及填料磨损严重的 原因，因阀座密封面上的受力是非线性接触问题，无法用解析方程式表明，需要 用有限元方法进行进一步的计算。 第三章阀座接触及密封的有限元分析 第三章阀座接触及密封的有限元分析 3 1a n s y s 分析软件介绍 3 1 1 a n s y s 简介 a n s y s 公司由j o bs w a n s o n 博士创立于1 9 7 0 年，a n s y s 有限元程序是该公司主要产 品，它是第一个通过i s 0 9 0 0 1 质量认证的分析设计类软件。由于a n s y s 软件具有建模 简单、快速、方便的特点，因而成为大型通用有限元程序的代表。a n s y s 软件是集结 构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛地应用于核 工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、 土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。 a n s y s 软件的主要功能包括建立模型、结构分析、非线性分析、电磁分析、计算流体 力学分析、接触分析、压电分析、结构优化等。 a n s y s 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处 理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模 型；分析计算模块包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析) 、 流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可 模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将 计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、 透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形方式显示出来，也可将计算结果以图 表、曲线形式显示或输出。软件提供了1 0 0 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各 种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以