（化工过程机械专业论文）波纹管机械密封的热动力学行为及流场研究.pdf

硕士学位论文 摘要 在机械密封装置中，机械密封动静环接触面上的摩擦热容易造成干摩擦或产生 较大的温度梯度，从而使密封环内产生过大的热应力并出现热裂纹，严重影响机械密 封的性能。本文基于a n s y s 软件平台，综合国内外在机械密封性能理论研究的新成果， 从热一结构耦合稳态和流动场二个角度建立了计算机械密封性能的有限元模型，并 对温度场，热应力，速度场做了分析研究。 首先本文基于有限元模型，将机械密封静环简化为轴对称模型，用有限单元法求 解其稳态温度场及热应力场的数值结果。在建立了计算机械密封环的物理模型之后， 介绍了用轴对称问题的有限单元法求解温度场及应力场的具体过程，并指出了在计 算中需要注意的问题。应用热一结构耦合法给出了密封静环的温度场分布和热应力 分布规律。 防漏问题是机械密封的根本，泄漏量的计算显得尤为重要，所以对密封间隙的流 动场的研究具有现实意义。在流动场分析中，利用a n s y s 软件的前处理程序p r e p 7 ， 本文采用2 d f l u i d l 4 1 的单元类型，自底向上的建模方法建立有限元模型。经过单元 类型选择，流体参数的确定，几何建模，单元生成等步骤，建立流动场的有限元分析模 型，并对有限元的模型进行网格划分，给出了密封间隙的速度场分布和压力的分布规 律。对于机械密封的设计和制造具有理论指导和现实意义。 关键词：机械密封；热一结构耦合分析；摩擦热；热稳态分析；流动场分析 波纹管机械密封热动力学行为及流场研究 a b s t r a c t f o rm e c h a n i c a ls e a l se q u i p m e n t ，t h ef r i c l i o nh e a tb e t w e e nm e c h a n i c a ls e a lr i n g sm a yr e s u l t i nd r yf l i c t i o no rab i g g e rt e m p e r a t u r eg r a d i e n tw h i c hs h o u l dp r o d u c eg r e a t e rt h e r m a ls t r e s s e sa n d e v e nh o tc r a c k ，w h i c hi n f l u e n c e dt h ew h o l es e a l i n gp e r f o r m a n c es e r i o u s l y b e c a u s et h ep a r a m e t e r o ns e a l i n gp e r f o r m a n c ew a sd i f f i c u l tt oc a l c u l a t ea c c u r a t e l yb yt r a d i t i o n a lt h e o r y ，t h es y s t e mm o d e l o fc a l c u l a t i n gm e a c h a n i c a ls e a l i n gp e r f o r m a n c ew a sn e e d e du r g e n t l y i nt h i s p a p e rb a s e do n a n s y ss o f t w a r ea n dc o m b i n e dw i t ht h et h e o r yt r e n d so nm e c h a n i c a ls e a l i n gp e r f o r m a n c e ，t h e s y s t e m a t i cf i n i t ee l e m e n tm o d e lo fa n a l y z i n gs e a l i n gp e r f o r m a n c ef r o mt w or e s p e c t s ：c o u p l i n go f t h e r m a l - - s t r u c t u r a ls t a b l es t a t ea n df l o w i n gf i e l dh a db e e ns e tu pi nt h i sp a p e r ，a n dt h et e p e r a t u r a l f i e l d ，t h e r m a ls t r e s sa n df l o w i n gf i e l dw e r es t u d i e d f i r s t l y ，s e a lr i n gc a nb es i m p l i f i e da st w oa x i s y m m e t r i ei n d e p e n tm o d e l s ，a n dt h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o di su s e dt os o l v et h ep r o b l e mo ft h et e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l do fs e a l r i n g a f t e rb u i l d i n gu pt h ep h y s i c a lm o d e lo ft h er i n g ，t h ea x i s y m m e t r i ef i n i t ee l e m e n tf o r m u l a sh a s b e e nd e r i v e d ，a n dt h e r m a lb o u n d a r yc o n d i t i o n sh a sa l s ob e e ng i v e n t h ed i s t r i b u t i o no ft h e t e m p e r a t u r ef i e l da n dt h es t r e s sf i e l do fs e a lr i n g sh a sb e e ng i v e nb ym e a n so ff i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s s e c o n d l y ，p r e v e n t i n gl e a k i se s s e n t i a lt h i n gf o rm e c h a n i c a ls e a l se q u i p m e n t ，t h ec a l c u l a t i n go f l e a km e r s u r i n gi sv e r yi m p o r t a n t i na n a l y z i n go ff l o w i n gf i e l d ，t h ea n s y ss o f t w a r ei su s e dt ob u i l d u pt h ep h y s i c a lm o d e la n db o u n d a r yc o n d i t i o n sh a sa l s ob e e ng i v e n t h ed i s t r i b u t i o no ft h ef l o w i n g f i e l da n dt h ev o l e c i t yf i e l do fl i q u i df i l mo ns e a lf a c eh a sb e e ng i v e nb ym e a n so ff i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，w h i c hi sg u i d a c ea n dr e a l i s t i cs e n s et od e s i g na n dm a k em e c h a n i c a ls e a l k e yw o r d s ：m e c h a n i c a ls e a l ：c o u p l i n go ft h e r m a l - - s t r u c t u r a la n a l y s i s ；f r i c t i o nh e a t ； t h e r m a ls t a b l es t a t ea n a l y s i s ：f l o w i n gf i e l da n a l y s i s 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表 或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 事湫坏 日期：7 年石月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权兰 州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囤。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 赫砟 别币签名：一夕锄 日期： 日期：日日 7厂、 月月 ， 6 6 僻垆 硕士学位论文 6 第1 章绪论 i 1 机械密封发展的历史和趋势 机械端面密封( m e c h a n i c a lf a c es e a l ) 是一种轴向端面密封，也称机械密 封，或端面密封，是常用的旋转轴密封，尤其在石油化工装置中应用极为普遍。与 其它密封相比，它具有泄漏少、摩擦磨损小、使用寿命长、可靠性好、无需日常 维护等特点。因此，在现代工业中得到了极为广泛的应用单级密封使用压力从 0 0 0 1 p a 到3 5 m p a 范围；使用温度范围也在不断扩大，最高达1 0 0 0 ，而寒冷的 环境下也能可靠地工作；只y 值可达1 0 0 0 m p a m s 此外，许多高压、高温、高速、 易燃、易爆、易腐蚀性介质等工况下也取得了较好的使用效果 1 8 8 5 年在英国出现了第一个密封专利，直到1 8 9 0 年才开始用于轴端密封； 1 9 0 8 年汽轮机密封采用了可移动的密封环密封；1 9 1 3 年出现了汽轮机上使用双 端面密封的专利；1 9 1 9 年出现了单端面机械密封专利；1 9 2 0 年小型家用冷冻压 缩机和汽车上水泵的轴封采用了机械密封；1 9 3 0 年采用机械密封在一定程度上 解决轻烃泵的密封问题。白1 9 4 0 年起主要改进密封面材料。1 9 4 5 年出现了陶瓷、 石墨、硬质合金材料的密封，加工精度也大为提高，表面精度从r a o 4 u m 提高到 r a o 2 u m 到0 1 u m 。同时在结构上出现了平衡型机械密封、中间环密封和其它专 利的机械密封。1 9 5 7 年美国e g gs e a l 公司制造出世界上第一套焊接波纹管 机械密封并用于航空中。目前国际上己有不少专门从事研究、生产和销售机械密 封产品的学术团体与跨国公司，如英国流体机械学会( b h r g ) ，美国的j o h nc r a n e 公司以及日本的皮拉公司等。国内从6 0 年代开始认识、使用机械密封，随后陆 续开始生产、研究。形成了一定的研究、设计和生产能力l l j ，建立了一系列标准 2 1 。 在常规机械密封的设计、生产方面己接近国外水平，但在产品规格、高性能材料、 高参数机械密封方面，与国外仍有很大差距。 1 9 5 7 1 9 8 0 年出现了高参数的热流体动力楔密封及各种非接触式流体静压 密封和流体动压密封。此时机械密封在美国己得到普及和推广，并用到石油和化 学工业中。此阶段在流体动压润滑和流体静压润滑等理论指导下，引用轴承等方 面先进技术，机械密封不仅出现了各种高参数和新结构的接触和非接触式机械密 封，同时能满足各种各样要求的组合式密封。 在接触式密封方面，由于核电和宇航的需要，高参数的机械密封发展很快，在 1 9 7 7 年出现碳化硅一石墨作摩擦副的机械密封，p 矿值迅速提高到3 6 0m p a m s 。 新结构、新型式密封不断出现，诸如弹性变形波度密封，中间多环密封、窄带接触 波纹管机械密封热动力学行为及流场研究 密封、剖分环密封、集装式密封、监控密封等。到本世纪6 0 年代出现了非接触 式密封，诸如周向圆弧槽雷列台阶面和螺旋槽面的流体动压密封；径向锥面、台 阶面和凹槽节流静压密封等，将机械密封的p v 值提高到5 0 0 m p a m s 。此外，机 械密封与螺旋槽密封的多级组合密封、半接触式变载荷系数机械密封和一些混合 与阻塞密封，并得到了广泛应用。 自8 0 年代初，出现了新概念、新结构、新方法、新技术、新工艺和新材料的 新型密封，诸如出现“上游泵送”的新概念。产生了非接触式的新结构等。“上游 泵送”新概念可使非接触式密封达到极少泄漏，甚至是无泄漏，打破了非接触式密 封总是泄漏的旧概念。 在新材料方面，出现了c c 复合材料，s i c 致密的c c 复合材料。采用喷涂 技术和新工艺来修复硬面和制造硬面环。 机械密封技术正向更深层次方向发展一高参数、高性能( 干运转、无泄漏、 无油润滑、含颗粒介质) 和高水平。非接触式机械密封发展方向就是减少泄漏、 提高稳定性和可靠性、延长寿命和扩大使用范围；而接触式密封的发展除上述要 求之外，还要求减少磨损。 机械密封自第一项专利开始至今发展已1 0 0 多年了，作为一个密封产品，从 简单到复杂，并逐步完善实用，随着科学技术的发展，这种密封产品还将进一步发 展，现阶段还不存在用什么产品代替它的问题，其发展空间仍然很大。但需要设 计、制造、使用等方面的技术人员共同努力，来推动机械密封技术水平的进一步 发展。 发展趋势可概括为以下三点： ( 1 ) 机械密封的应用领域将更加扩大。目前从宇航、工业、农业、医药、电 子、国防等各领域都采用了这种产品，随着机械密封技术水平提高，密封的可靠性 及使用寿命也将进一步提高。 ( 2 ) 更多的采用新材料。随着工业技术发展的要求，对机械密封提出了更高 的要求，这就促进了材料科学的发展，目前在机械密封产品中使用的材料将进一 步发展，如有自润滑性硬质合金、高性能工程陶瓷、高性能密封圈材料等。 ( 3 ) 机械密封结构多样化。机械密封产品在配装的设备中，仅是一个很小的 部件，为了便于安装使用，标准化的卡式( 或集装式) 结构大大方便了用户要求，随 着设备小型化及性能的提高，机械密封某些零部件将与设备中某零部件融合在一 起，为了改善密封性能各种形式的多端面密封将成为密封主导产品等。 总之，机械密封技术是一个正在发展中的技术随着现代工业技术的迅速发展。 密封装置的使用条件( 压力、温度、工作介质、工作环境等) 越来越苛刻，对密 封性能的要求越来越高。 2 硕士学位论文 1 2 机械端面密封的基本概念 机械密封是用弹性元件压紧动环和静环两端面实现动密封功能的转轴密封 装置，又称端面密封。与传统的径向转轴密封相比，机械密封具有高承载能力、低 泄漏、低功耗以及磨损自动补偿等优点b 1 。同时随着新材料、新工艺和新技术的 出现，机械密封逐渐向广度和深度发展。目前机械密封技术不仅广泛应用于石油、 化工、航海航空航天、原子能核电工业等行业h 1 ，而且应用比例也明显提高据 顾永泉教授对近年来国内外大型石化企业的调查略1 ：在日常机泵，釜中有8 6 以 上采用机械密封，而且机械密封正朝着高性能、低泄漏、长寿命和可控式方向发 展 。 1 2 1 机械端面密封的组成 机械密封哳1 是一种依靠弹性元件对动、静环端面密封副的预紧，介质压力和 弹性元件压力的压紧而达到密封的轴向端面密封装置( 图1 1 ) 构成机械密封 的基本元件有：端面密封( 静环l 和动环2 ) 、弹性元件( 如弹簧4 ) 、辅助密封 ( 如。形圈8 和9 ) 、传动件( 如传动销3 和传动螺钉7 ) 、耢转件( 如防转销 l o ) 和紧固件( 如弹簧座5 、推环1 2 、压盖1 1 、紧定螺钉6 与轴套1 3 ) 。 图1 1 机械端面密封结构示意图 机械密封基本元件的作用和要求如下： 端面密封副( 动、静环) 端面密封副的作用是使密封面紧密贴合，防止介质 泄漏。它要求动、静环具有良好的耐磨性，动环可以轴向灵活地移动，自动补偿密 封面磨损，使之与静环良好地贴合；静环具有浮动性，起缓冲作用。为此密封面要 求有良好的加工质量，保证密封副有良好的贴合性能。 弹性元件( 弹簧、波纹管、隔膜) 它主要起预紧、补偿和缓冲的作用。要求 始终保持足够的弹性来克服辅助密封和传动件的摩擦，保证端面密封副良好的贴 3 波纹管机械密封热动力学行为及流场研究 合和动环追随性，材料要求耐腐蚀、耐疲劳。 辅助密封( 0 形圈、v 形圈、u 形圈) 它主要起静环和动环的密封作用，同 时也起到浮动和缓冲作用。要求静环的密封元件能保证静环与压盖之间的密封性 和静环的浮动性，动环的密封元件能保证动环与轴或轴套之间的密封性和动环的 浮动性。材料要求耐热、耐寒并能与介质相容。 传动件( 传动销、传动环、传动座、传动键、传动突耳) 它起到将轴的转矩 传给动环的作用。材料要求耐磨和耐腐蚀，紧固件( 紧定螺钉、弹簧座，压盖、 轴套) 它起到动、静环的定位、紧固的作用。要求轴向定位正确，保证一定的弹 簧压缩量，使密封副的密封面处于正确的位置并保持良好的贴合。同时要求拆装 方便、容易就位、能重复利用。与辅助密封配合处，安装密封圈要有导向倒角和 压弹量，应特别注意动环辅助密封件与轴套配合处要求耐磨损和耐腐蚀。 防转件( 防转销) 它起到防止静环转动和脱出的作用。要求有足够的长度， 防止静环在负压下脱出，并要求正确定位，防止静环随动环旋转。材料要求耐腐蚀， 在必要时中问可加四氟乙烯套，以免损坏碳石墨静环 机械密封的可能泄漏途径如下( 图1 1 ) ： 密封副密封面i 处泄漏这是主要密封面，是决定机械密封摩擦、磨损和密封 性能的关键，同时也决定机械密封的工作寿命。据统计，机械密封的泄漏大约有 8 0 9 0 是由于密封端面密封副造成的。因此，要求接触面保持平行，表面粗糙 度要求高r 。= 0 0 5 - 0 2 0 u r n ，平面度 o ，密封面为收敛型；艿= 0 ，密封面是平行的；万 0 ，密封 面为扩散型。 为尽量减小锥形变形，需要通过理论分析来了解并掌握其中的规律。目前变 形理论分析方法主要分为解析法和数值计算法两种。 1 变形的解析求解法 迈尔根据圆环理论从力和温度角度提出了将各变形分量叠加的计算方法【博】。 为变形的解析求解奠定了理论基础，张宝忠和洪先志等人做了进一步研究工作。 张宝忠【1 9 】等从轴对称变形和材料力学的理论出发，提出了将力矩变形、径向力变 形和由轴、径向温度梯度产生的变形这四个量进行叠加来计算总变形的方法；由 于是建立在皮采诺环形零件轴对称变形理论基础上，该方法只能计算单一矩形截 面，忽略了环本身的伸缩和弯曲，因此计算的变形值较实际偏大 洪先志【2 0 1 等应用壳体力矩理论，同时将环截面分成若干部分( 矩形或三角 形) ，考虑备部分结合处转角和位移的变形协调性，建立了四阶线性齐次微分方程 和变形协调方程。可直接计算稍复杂断面形状的机械密封，从而将解析解的水平 提升到很高层次。 目前解析法的主要优点在于计算量小，但由于解析法的理论前提比较理想，不 适合作复杂模型的运算。 2 变形的数值计算法 变形数值计算法有边界元法和有限元法等，t g d o u s t 采用边界元法建立了 机械密封变形计算模型【2 1 1 。并编制了相应的程序，但边界元法在处理边界很复杂。 由于有限元法原理相对简单，且有限元方面的应用软件很多，如a n s y s 、m r c 、 a b a q u s 、f e m l a b 等，因此采用有限元法进行分析变形的研究较多，而且基于 有限元软件平台求解机械密封变形已逐渐成为研究的主流 波纹管机械密封热动力学行为及流场研究 党建军 2 2 1 和陈利海【2 3 1 建立的机械密封环轴对称有限元模型综合了平衡方 程、几何方程、物理方程和虚拟方程，并采用三角形环形单元进行了离散，形成了 相对完整的机械密封环变形有限元分析理论体系。与此同时，陈利海还在系统方 程中纳入了由温度变化引起的等效节点载荷，实现了简单的热变形计算。 z h u h a n h u a 建立了机械密封端面的机械变形方程，为深入进行泄漏量计算和密封 结构改进莫定了理论基础【2 舢。 李鲤【2 5 1 和李小殴【2 6 1 等则建立了在密封端面上引入虚拟“杆元”的变形分析 有限元模型，模型的新颖之处在于两点： 1 ) 提出了将两密封环合为一体研究的总思路； 2 ) 巧妙利用虚拟。杆元”的受压或受拉来判断密封端面的接触与分离。 由于有以上两点，变形分析模型就很接近机械密封环的实际工况。不过由于 对摩擦热分布进行了简化处理，因此热变形分析部分计算精度不高。变形的数值 计算研究现状说明，有限元法的变形分析不受密封环截面形状复杂程度的限制，并 可部分模拟机械密封环实际工况，应用和发展潜力很大。 1 2 5 机械密封环的温度场研究现状 机械密封环端面的贴合摩擦将引起端面高温，加剧端面磨损、烧伤，热裂以 及端面液膜的汽化倾向；这些因素一旦累积，将诱导密封装置迅速失效。从保证 机械密封装置长期可靠运转的角度出发，需要对端面温升规律进行理论分析，以便 采取有效的温控措施。和变形分析类似，目前的温度场分析也主要分为解析方法 和数值法。 1 温度场的解析法计算 早期。温度场分析主要局限于端面平均温度的计算，国外学者很早就从不同角 度进行了相关的理论研究，主要的研究理论成果有：格鲁别也夫法，根据密封副材 料的导热性优劣采用不同的导热计算公式；迈尔方法，仅考虑摩擦热沿环轴向导 出；萨墨一史密斯法，采用肋片一端给热的摩擦热导出模型；布克方法，也采用一 端对流导热模型，但根据截面形状和熟载荷分布状况的不同分成了三类情况，将可 计算的截面形状由矩形扩展到l 形或复杂形状。同时布克方法还引入了传热效率 一量，使模型的实用性提高。在一端对流导热肋片模型的基础上，顾永泉采用修正 系数和密封结构、工况等因素结合确定对流换热系数，从而在一定程度上提高了 求解的准确程度可用作方案比较和现场分析。彭旭东考虑对流换热和导热，提出 机械密封端面平均温度的一种简单电算方法。 为体现端面各径向位置温度差异，李克永【2 7 1 和李红【2 8 1 采用分离变量法求解 温度场控制微分方程，建立了机械密封环稳态温度场模型，但只适合密封环截面为 矩形的温度场计算。p a s e o v i e i 2 9 j 等人用解析法推导了端面温度分布的计算式，由 8 硕士学位论文 i i 皇皇皇基置暑量舅置量曹皇詈量皇暑皇皇奠暑置量曼量量e 皇詈詈詈暑置雹量舅曼| 鼍量| 詈鼍鼍一 于在推导过程中应用了附加条件，计算准确性不高。 2 温度场的数值求解 随着密封装置工作负荷的增加，端面的热弹性问题突出，导致即便在很窄的 密封端面上各径向位置的很大温差。从而提出了对机械密封环的整个温度场进行 精确分析的需要，目前采用的主要手段为有限元法。 在机械密封环温度场的数值求解上主要有两种思路：独立计算和整体分析 山东大学陈建辉【3 0 1 建立的机械密封环稳态温度场有限元计算模型就是采取独立 计算的思路，由于是对密封环单独建模，因此涉及计算两密封环端面的热量分配问 题。对于这一问题，程建辉根据两环端面温度一致的原则，提出了折半查找热量分 配系数的解决方法。陈文毅3 、法金元【3 2 1 和王胜军3 3 1 等将两密封环连成一体。 并根据变分法原理建立了建模3 节点单元的有限元整体分析模型，避免了热量分 配比的问题。 在温度场研究的具体技术问题上。摩擦热载荷的分配成为最大的焦点。目前 学术界主要有三种解决方法： 1 ) 按照两密封环端面的温度一致原则来调节热量分配比，如陈建辉提出的折 半查找热量分配系数的方案； 2 ) 是根据密封环的材料参数直接计算热量分配比1 3 1 ； 3 ) 根据两密封环端面的接触状况来确定是否耦合两对应节点的温度自由度。 通过端面的温度关系实现热量的局部自动分配0 5 。 3 温度场中关键参数计算 在温度场分析中。关键参数有对流换热系数和摩擦系数目前确定对流换热 系数有解析解和数值解两种方法：解析解即根据经验公式计算对流换热系数，常 用算法为根据静环与动环内外侧流场的不同分别计算对流换热系数，彭旭东、宋 亚东、王胜军等人均有详细介绍 3 6 , 3 7 1 ；数值法通常通过建立有限元模型计算对 流换热系数。较典型代表为丁群提出的在a n s y s 软件f l u e n t 模块中进行热 场与流场耦合分析的方法 3 e l ，该方法可求出密封环边界各节点对流换热系数。在 摩擦系数计算方面，李宝彦等介绍了根据密封准数计算摩擦系数方法 3 9 1 ，使用范 围仅限于流体摩擦；葛培琪等基于混合摩擦理论。提出了根据密封端面液膜剪切 力精确计算摩擦系数方法1 4 0 1i 顾永泉综合了相对全面的摩擦系数计算法：分析 计算法、加权平均法和经验数据法。并给出了各方法的计算示例f 顾永泉给出了机械密封的热量平衡方程： q ，+ 幺+ 幺= q l + q 2 - i - 伤+ 幺 式中：q ，一端面摩擦热； 幺一旋转元件在密封介质中的搅拌热； q 。一辅助元件摩擦和振动产生的热量； 9 波纹管机械密封热动力学行为及流场研究 q l 一旋转元件传给密封介质( 或冲洗液) 的热量； q 2 一摩擦副传给周围介质( 或大气) 的热量； q 3 一传动动轴散出的热量； q 4 一泄漏流体带走的热量。 经过简化后，热量平衡方程为： q f + q l ：g 摩擦副端面摩擦热为： 对于边界润滑： q ，= f 只a y j 对于混合润滑： q ，= f 忍a y j 式中：己一密封面接触压力；p 6 一端面比压 总体而言，由于摩擦系数的影响因素很多，尚没有系统计算摩擦系数模型。 1 2 6 机械密封环的耦合分析研究现状 在机械密封装置运转过程中，由于密封环的变形和温升相互影响、密切联系， 仅对机械密封环进行变形或温度场分析都不能准确全面地获得密封性能，从而提 出了热一结构耦合分析研究的需要。在耦合分析的研究上，国外学者做出的工作 较多，他们的研究类型不仅包括稳态，还包括瞬态，耦合的物理场不仅包括应力场 和温度场，而且还涉及流场。 r a h u ln s a m a n t 等人就在a n s y s 软件上对机械密封环进行热一结构耦合 分析指出了一些基本的思路【4 2 1 。主要为：( 1 ) 使用具有热和结构分析能力的二维 轴对称单元p l a n e l 3 来建立动静环的实体模型；( 2 ) 使用杆元l i n k 3 4 来模拟 动静环端面间的接触热传导；( 3 ) 采用二维点一点接触单元c o n t a c l 2 来模拟动 静环端面间的摩擦生热。 b e r n a r dt o u r n e r i e 等人针对密封环的启动过程。建立了热动力瞬态模型，并使 用影响系数方法对模型进行子热弹性耦合计算 4 33 e 对于耦合分析，国内也有类似的研究。其中成果较突出的有北方交通大学的 丁群建立的流场、热场和应力场三者耦合的系统模型。模型的新颖性在于将三场 的耦合分为三个过程；先进行热流场直接耦合分析求出换热边界的对流系数，再 进行流热场间接耦合分析求出温度场。最后进行热应力场的间接耦合分析求出热 应力分布。 随着国内外对机械密封装置性能参数指标要求的不断提高。机械密封性能进 行优化的研究得到一定发展。目前针对机械密封性能的优化主要有三大领域：第 一，密封端面参数优化，主要研究密封端面的激光加工处理和端面开槽；第二，密封 1 0 硕士学位论文 环境优化。主要研究从端面的冲洗冷却；第三，机械密封环的结构优化，主要研究密 封环的结构尺寸】。 1 2 7 机械密封环端面间隙流场的研究现状 机械密封能否保持很低的泄漏率而能长周期运转，取决于密封端面的界面特 性。有关端面的密封机理。多年来。提出了许多理论，如流体摩擦与润滑的成膜理 论、边界摩擦与润滑的流体交换流动理论、干摩擦的热裂理论、混合摩擦与润滑 的微凸体接触理论和热流体动力楔理论及相变理论。各种理论虽然出发点不同。 但保持端面问良好润滑和减轻磨损，是保证机械密封获得长寿命的关键的观点却 是一致的。多种密封理论的提出，部分揭示了密封机理，促进了机械密封技术的进 步，出现了许多机械密封新结构和适应于机械密封的新材料，延长了机械密封的寿 命拓展了机械密封的适应范围。一但是在密封端面问如此狭小的界面上存在着摩 擦、磨损、变形、流体流动、相交、腐蚀等许多复杂的物理，化学过程，要想全 面而真实地反映各种因素的影响和相互关联的规律，目前无论从理论或实验技术 上都还十分困难。 p a r v i z 使用有限元软件对f l u e n t 对机械密封的温度场和流场进行了计算 【4 5 l ； r a yc l a r k 、s h i r a z i 。s i a m a c ka 等人采用流体动力分析( c f d ) 软件对密封 环进行了以热一流场耦合为主的模型，并根据计算结果提出了改进动静环端面冷 却效果的相关措施【4 6 1 ；t o ml a i 等使用c s t e d y 软件建立了相应的耦合模型， 该模型可预测的密封性能包括密封环变形、温度、端面液膜厚度和泄漏率等【4 7 1 ； l i o n e la y o u n g 等建立了有限元分析与流体膜组合的耦合模型，程序只需输 出密封环几何形状和运行工况等，便可求出环变形、温度、端面液膜厚度和泄漏 率【4 引。 i 2 8 研究的目的和意义 国内外研究现状表明：在国外。变形和温度场分析理论基础己经奠定，现已主 要关注于耦合理论研究，并与试验紧密结合，理论研究成果的实用性很强；在国内， 仍主要集中于变形和温度场的求解，对于耦合分析则研究甚少，因而研究理论大多 不能解决日益复杂的实际问题要摆脱机械密封技术的落后，深入理论研究很有 必要，系统耦合分析则可作为关键的切入点。 就理论研究本身而言，通过对机械密封装置进行系统的耦合分析，一方面可以 弥补国内在耦合理论研究上的不足；另一方面还可以与国际上的研究主流接轨， 以便更好地借鉴国外的先进研究思想和理论。从工程意义上讲，系统的耦合分析 将有助于全面掌握各因素对机械密封性能的影响程度大小，便于提出相关的改进 措施，以提高机械密封装置的密封性能。 本论文研究的主要内容、关键技术和方法如下： 波纹管机械密封热动力学行为及流场研究 1 主要研究内容 1 ) 建立机械密封环稳态热一结构耦合分析模型，求解密封端面的温度分布、 热力变形锥度和应力； 2 ) 建立密封端面内流体的流动模型，构建流体动力学雷诺方程并进行有限元 数值计算。 2 关键技术问题 1 ) 确定密封环两侧流场的对流换热系数，密封端面间摩擦热的加载方式，两 密封环端面对应位置的温度关系； 2 ) 稳态分析初始条件技术和动载荷的添加。 3 主要研究方法 1 ) 选用a n s y s 软件。国内外研究现状表明，机械密封性能的准确计算需要 借助一定的软件平台。鉴于目前有限元软件在系统建模中的主导地位和a n s y s 软件在有限元分析中的专业性和具备强大的多物理场耦合分析功能，因此选用 a n s y s 作为机械密封性能计算的软件平台； 2 ) 应用机械密封环隔离体分析法，将机械密封的静环进行建模分析。 1 2 9 本章小节 本章详细的论述了机械密封的发展历史，前景展望以及应用特点： ( i ) 应用范围广； ( 2 ) 密封性能好； ( 3 ) 制造，安装工艺要求高； ( 4 ) 价格较高； ( 5 ) 使用寿命长。 分析了前人的研究方法，研究成果；在他们的基础上提出了用有限元软件 a n s y s 来模拟计算密封环的温度场和应力场以及流场分析的方法；结合别的研 究成果证明了该方法的有效性和高精度的特性；a n s y s 模拟计算方法可以为机 械密封的设计，制造提供了较为精确的理论依据和实践指导。 硕士学位论文 鲁皇皇皇! 詈皇量目曹鼍皇夸皇| | 鼍蔓| 皇舅! 摹罾皇詈阜量皇曼曼量詈量鼍詈曼曼置g 詈写置舅鼍目喜曹皇| 喜盲目| 量量| ，罾量_ 一 第2 章波纹管机械密封结构及应用 焊接金属波纹管机械密封就是近年来出现的各种密封结构中较为先进的一 种接触型机械密封装置，焊接金属波纹管机械密封的基本结构如图2 1 所示。 1 、密封腔2 、紧固螺钉3 、锁紧环辅助密封圈4 、波纹管5 、动环6 ，静环7 、肪转销 8 、旋转轴9 、静环辅助密封圈 一 图2 1 焊接金属波纹管机械密封基本结构 焊接金属波纹管机械密封是由美国e g gs e a l o l 公司首先研制成功并使用的 最初是为解决航空航天工业高温密封问题而研制生产的，由于具有良好的浮动性 和易于安装的特点，并且在高温、低温和高压下都具有良好的密封性能，使该种机 械密封很快在其它工业领域获得了广泛的使用。英，美、西欧一些发达国家以及 日本、前苏联等国家开始大批量生产金属波纹管机械密封，以至石油工业的炼油 厂、泵站和油轮使用的机械密封中的高低温介质泵大部分是金属波纹管机械密 封。对美国2 4 家石油化工厂和炼油厂的调查表明：4 5 0 0 f ( 2 3 2 ) 以上的高温油 泵轴封，9 4 采用机械密封，而其中的9 6 为单端面的焊接金属波纹管机械密 封。目前，国内石化厂中的热油泵、保温夹套泵、溶剂泵等设备中，全部采用了焊 接波纹管机械密封，其使用效果较好。另外，在输送低温介质如液化天然气、液氧、 液氮泵上，大部分亦采用金属波纹管机械密封。其它设备如搅拌釜轴封中也部分 开始采用金属波纹管机械密封。 由图2 1 可见，与传统机械密封相比，焊接金属波纹管机械密封的最大特点 波纹管机械密封热动力学行为及流场研究 就是以焊接金属波纹管替代弹簧作为弹性元件，由于波纹管具有辅助密封作用， 这样不但省掉了橡胶制作的动环辅助密封圈，而且将机械密封的使用温度扩大到 一2 4 0 ( 2 6 5 0 c 。而且也减少了密封装置的零件数，使整体结构更加简单。同时还 可以通过对金属波纹管材料的选择和处理，调节波纹管的刚度，使波纹管的弹力 更趋稳定，保障机封既有稳定的工作性能，又有较长的使用寿命此外，波纹管具 有较好的轴向浮动性，而且在倾斜方向的浮动性也很好，保证了摩擦副能可靠地 贴合，提高了密封性能。因此，金属波纹管机械密封的特点可以归纳为下列几点： ( 1 ) 使用寿命长：采用合理的摩擦副组对，焊接金属波纹管型机械密封的使用 寿命一般都在一年以上，如炼油厂冷油泵和热油泵的密封使用寿命分别可以达到 三年和两年； ( 2 ) 密封性能好：通常轴径在l o o m m 以下的波纹管机封的泄漏率3 m l h ，好的 密封可以控制在0 2 m l h 以内； ( 3 ) 能耗小：由于运转过程中波纹管机械密封仅有密封端面的摩擦，摩擦功率 消耗少，通常仅为填料密封的1 3 i 5 左右； ( 4 ) 轴或轴套不受磨损：焊接金属波纹管机械密封的辅助密封圈通常设计成相 对静止密封，因此与轴或轴套之间不产生相对轴向位移，从而避免了与轴或轴套 之间的磨损； ( 5 ) 浮动性好：焊接金属波纹管机械密封的最显著的特点之一就是浮动性好。 由于波纹管具有良好的轴向压缩和径向弯曲能力，对轴的振动、偏摆及旋转轴对 壳体孔的偏斜不敏感。这样，对于象偏摆较大的釜用机械密封、振动严重以及壳 轴偏斜的机械密封，焊接金属波纹管机械密封都有很好的适应能力，并获得满意 的密封效果； ( 6 ) 结构简单、安装方便：由于金属波纹管本身可作为传动元件带动动环旋转， 又可作为缓冲补偿元件给密封端面一定的弹簧比压，因此比一般的机械密封结构 简单，给安装带来了很大方便； ( 7 ) 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； ( 8 ) 金属波纹管机械密封，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。 随着焊接金属波纹管机械密封的广泛使用。人们对其使用性能的关注与日俱 增。在整台机器设备中，机械密封虽然不是很大的工作元件，但其对整台机器设 备、整套装置，甚至对整个工厂的影响都很大，特别在石油化工企业中，由于所处 理的流体大多数具有腐蚀性、可燃性、易爆性和毒性，一旦密封失效，介质外漏， 不仅污染环境、影响人体健康和产品质量，而且往往会导致火灾、爆炸和人身伤 亡等重大事故。因此，人们对密封的要求也越来越高。 1 4 硕士学位论文 从实际使用情况调查结果看，尽管焊接金属波纹管机械密封具有很多优点， 并且得到了广泛的应用。然而，由于使用的温度、压力、介质等参数不同，国内产 品质量的不稳定以及用户安装使用水平不同，焊接金属波纹管机械密封在使用中 还存在着许多问题，这些问题常常会造成密封的不稳定和使用寿命较短。密封失 效通常表现为异常泄漏、异常磨损、异常声音、异常振动及异常扭曲等。文献“1 将引起失效的具体原因归纳为下面四个方面： ( 1 ) 密封的选用或者适用性不正确； ( 2 ) 密封本身设计、制造不良； ( 3 ) 安装金属波纹管机械密封的机器本身不良； ( 4 ) 机器运行操作不当。 2 1 金属波纹管的类型 ( 1 ) 按照波纹管的加工方法，金属波纹管可以分成：成形金属波纹管和焊接金 属波纹管两大类。成形金属波纹管系采用压成型工艺，由奥氏体不锈钢薄管挤压 变形而成。图2 2 a 所示的截面为对称形状的波纹管，已有标准产品。由于这种波 纹管的刚度偏大，对机械密封不十分适合，因此出现了非对称截面的成形金属波 纹管，如图2 2 b 所示。 b 非对称型金属波纹管 图2 2 成形金属波纹管 8 焊接金属波纹管结构b 波纹片结构 图2 3 焊接金属波纹管基本结构 焊接金属波纹管采用厚度为0 1 0 3 m m 的沉淀硬化不锈钢薄带( 或其他金属 管砷删撇 、，lt l们删：；n，型称对 矗弧 # 勒 波纹管机械密封热动力学行为及流场研究 材料) ，冲压成截面为波纹形的片状环形件，再经焊接成形。根据焊接方法的不同， 焊接金属波纹管又可分为：( 1 ) 氩弧焊金属波纹管；( 2 ) 微束等离子焊金属波纹管； ( 3 ) 电子束焊金属波纹管等。 ( 2 ) 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下 图所示： 避凸 内装式 外装式 ( 3 ) 依据波纹管随不随轴旋转的情况，分为旋转式，静止式由于金属波纹管 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。 2 2 金属波纹管材料 金属波纹管采用的材料主要有不锈钢、铬镍铁合金、蒙乃尔合金等。根据使 用要求，通常要求金属波纹管材料有较高的弹性，加工性能好，迟滞性小，抗疲劳 性和耐腐蚀性好等。目前，国外波纹管大都使用如a m 一3 5 0 ，i n c o n e l 7 1 8 ，i o n e l 4 0 0 等焊接性能、耐腐蚀性较好的材料。1 5 1 本的生产厂家偏爱a m 一3 5 0 和i n c o n e l 7 1 8 合金。国内除少数厂家采用进口材质外，大部分厂家使用o c r l 8 n i g t i ( 3 2 1 ) ， 与a m 一3 5 0 相比，它在高温下容易发生失弹，且焊接质量不易保证，接头处易出现 裂纹、未焊透或外观有明显焊瘤等，实践表明用这种材料制作金属波纹管不十分 适宜 用予焊接波纹管波片的材料，按腐蚀程度区分有三个级别：一般的沉淀化不 锈钢a m 一3 5 0 ；中等级别的i n c o n e l - x - - 7 5 0 和钦合金；高级的是h a s t e r l l o y - - c 一2 7 6 。 2 3 金属波纹管密封存在的问题 ( 1 ) 波纹管堵赛问题：据统计，因波纹管堵塞而失效的密封占事故总数的6 0 左右，其中静止式波纹管密封较重，旋转式密封较轻。 ( 2 ) 波纹管组件中环座与密封环的连接问题：密封环和环座大都采用镶嵌结 构。在镶嵌处要作到即能传递扭矩又有良好的密封性，一般采用过盈配合。这就要 求环座和密封环材料的线膨胀系数接近，以防高温下密封环松脱。这种情况下， 若镶嵌紧力太小，高温下密封环松动；若镶嵌紧力过大，容易造成密封面变形，这 1 6 硕士学位论文 样势必导致高温下密封失效。因此，环座和密封环的联接是波纹管密封的另一个 难题。 ( 3 ) 价格和成本问题：波纹管密封的价格高是不争的事实，其中有历史的原 因，也有市场的因素；另一方面，与制造波纹管的材料贵和工艺复杂、工序多也有 关系 2 4 本章小节 本章主要介绍了波纹管机械密封的应用特点。 ( 1 ) 使用寿命长； ( 2 ) 密封性能好l ( 3 ) 能耗小； ( 4 ) 轴或轴套不受磨损； ( 5 ) 浮动性好； ( 6 ) 结构简单、安装方便。 并且详细的介绍了波纹管机械密封的分类及其方法；材料的选取以及在使用 中存在的问题。 1 7 波纹管机械密封热动力学行为及流场研究 第3 章机械密封环的稳态热一结构耦合稳态分析 机械密封是石油化工旋转机械中( 如泵，压缩机) 常用的转轴密封装置，主要 解决旋转件与固定件之间的密封问题。通常在一定的介质压力下稳定运转才是机 械密封装置的正常工况，即理论分析中的稳态工况。相对于静态工况，稳态工况的 主要特点在于：动密封端面旋转中出现了滑动摩擦生热问题。摩擦生热导致端面 温升和热变形，热变形又引起接触区域缩小。从而使密封端面产生局部高温和高 应力的倾向，进而影响密封的使用效果，寿命和安全性。可见，对机械密封装置的 稳态工况进行分析很有必要。 机械密封在工作中，由于动静环的相对运动而产生摩擦热，导致密封环的温 度升高。密封环的温度升高会产生一系列的问题：端面问的液膜汽化失稳，温度过 高可产生气蚀现象，使磨损加