（机械电子工程专业论文）海底热液有机物采样器关键技术研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 海底热液活动的发现是2 0 世纪海洋科学研究中的重大事件之一，研究热液 口附近蕴藏的大量的有机物资源，分析深海热液的有机物含量研究具有极其重要 的科学意义和经济价值。获取高质量的热液样品是目前进行热液活动研究的最有 效和最重要的手段之一，因此，研发能够适用于海底热液有机物采样的设备是非 常必要的。 为了更准确测定热液中的有机物含量，需要采样器不对热液样品产生有机污 染，也对采样器的密封材料选择提出了更高的要求。在适用于有机物采样的密封 材料的选择上，本文首先采用了p t f e 包覆o 型圈作为有机物采样器的密封材料 由于p t f e 不能用于高温环境下，本文在进一步探索中，首次将柔性石墨应用于 热液采样器的密封中，并设计了相应了密封结构。在确定好密封材料以及相应的 密封结构之后，本文继而设计了基于p t f e 包覆o 型圈的手动式有机物采样器， 并根据其缺点进行改进，设计了电动式有机物采样器。在高温热液环境中，本文 采用了柔性石墨作为密封材料，避免了采样器对样品的有机污染，并进行相应的 密封方法研究。制作出基于柔性石墨密封的热液采样器。接着，本文设计了有机 物采样器的电控系统，最后，本课题对基于柔性石墨密封的采样器进行了高压舱 试验，验证了柔性石墨密封的可靠性。并将手动式有机物采样器应用于台湾海试 中，成功采集到热液样品。 关键词：深海热液，有机物采样器，耐高温耐腐蚀，聚四氟乙烯，柔性石 墨，密封结构 i i 浙江大学硕士学位论文a b s t i 认( 了 a b s t r a c t t h ed e e ps e ah y d r o t l l e n n a ls y s t e m si so n eo ft h em o s ti m p o r t a n td i s c 0 v e 巧i i l m e2 0 也c e i l t u 】够t h er e s e a r c ha b o u t 吐l ec o n t e n to fo 曙a n i cm 砒豇i i lh y d r o t h e 力 i l a l f l u i dc 姐0 b 缸伊e a te c o n o m i cb e n e f i t sa l l dc o n 伍b u t c sal o t t 0m es c i e i l c e d e v e l o p m e l l t a c c o r d i n gt ot 1 1 es c i e n t i 6 cr 印o r t s ，m e 讲皆m i cm a t t e ri nh y d r o t h e m l a l f l u i di sa ne s s e n t i a ls u p p l e m e i l tt 0m eg l o b a lc a r b o nc y c l ea 1 1 dt 1 1 eh i 曲p r e s s u r ea n d h i g ht 即1 p e r a t l 鹋c s t a n c ei nh y d r o t h e m a lv e n t sc a nb o o s tm ed e v e l o p m e n to f f o s s i lm i n e r a l f w m 锄o r e ，m e a s u 打n gt 1 1 ec o n t c n to fo 玛a 1 1 i cm a 仕e re n a b l et os u p p l y c 九l d eda _ t af o rt h er e s e a r c ha b o u t 也ed e v e l o p m 锄to f 觚c i e n te a “h h e i l c e ，i ti s e s s e n t i a lt od e v e l o pt l l es a m p l e rf o ro 玛a i l i cm a t t e rs a m p l i n g ap l a t f o mf o rn l es e a l i n ge x p e r i i n e n tw 2 u sb u i l t ，、7 l ，h i c hi sc a p a b l eo f m e a s u r i n gs e a l i n gp r e s s u 】呤锄d 衔c t i o no fv 撕o u ss e a l i i l gm a t 嘶a 1 b a s e do na b o v e s e a l i n gt e s t sa n da c c o r d i n gt 0t 1 1 er e f 打c e s ，c i l r r e n tv 撕鲥e so fo 珞a 1 1 i cs a m p l e r s a d o p t e dt e d l a rs 锄p l i i l gb a gw h i c hw a sm a i n l ym a d eo fp t e e s o ，o - r i n g ( p t f e 丘1 i n c 0 v e r e d ) w a ss e l e c t e d 嬲as e a l i n gm a t 舐a lf o r0 1 1 ro r g a i l i cm a t t e rs a n l p l 既 h o w e v s i n c cp t f ew a sn o tc a p a b l eo fr c s i s 血gh i 曲t 锄p 唧c l l r e ，a n o t h e rs e a l i i l g m a t 甜a 1n e ) 【i b l eg r a p h i t e 恤c hc 趾r e s i s th i 曲t e m p 舭ew 舔s e l e c t e d m o r e o v t 1 1 ec e r t a i ns e a l i n g 鼬m c t l l r e sf o ro - 一n g ( p t f ef i l mc 0 v e r e d ) a n df l e 妇b l e 鳓i t e w e r ed e s i 弘e dr e s p e 曲v e l y a tl a s t ，am a i l u a l 锄dm o t o r - “v e no 堵a l l i cm 甜e r s 锄1 p l e r sa d o 砸n go - 血g ( p t f ef i l mc 0 v e r e d ) w e r ed e s i 印酣f o ru s a g ei nl o w t 朗：l p 蹦l n 玳c i r c u m s t a n c e ( 1 0 w e rt l l a n 1o o ) ，w 1 1 i l e 锄o m sb a s e do nf l e x i b l e 鲫l l i t ew e r ec o n 蛐n l c t e df o r 吐l eu s a g ei nh i 曲t 锄p e r a t l l r ec i = r c l l m s t a i l c e t h em a n u a l o m ss u c c e s s 彻l yc o l l e c t e dm eh y d r o t l l e n i l a lf l u i ds 锄p l ei n 也ef r 新w a n 缸a i l a n d t h eo m s 埘l i z i n gn e ) 【i b l e 争a p h i t ew a sp r o v e df c a s i b l ei nt l l ee x p 甜m e n t sc a r r i e do u t i n h y p 咖撕cc h a l r l b 瓯 k e yw o r d s ：d e e ps e ah y d r o m e 咖a ln u i d ；o 玛a i l i cm 甜e rs a m p l e r ( o m s ) ；l l i g h t 蜘叩e r a t l 聃如dh i g h l yc o n o s i v ec i r c l 】i i l s t 锄c cu s e ；p t f e ；f l e 妇b l e 伊a p m t e ；s e a l i l l g s n l l c t i 。e m 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 值本文行将付梓之际，谨向两年半以来，在硕士期间关心、帮助和支持我的 老师、同学、家人致以最诚挚的谢意! 本研究以及学位论文的完成，离不开杨灿军导师的悉心教导。杨老师为人正 直，待人热情，对学生认真负责。在本论文的写作过程中，杨老师从课题选择， 科研思路到言语表达，均给予了耐心的指导，使我能顺利完成课题，并完成学位 论文的写作。借此机会，向杨老师致以最诚挚的谢意，感谢杨老师在研究生期间 对我的悉心教导。杨老师严谨细心的科研作风，也将指导着我今后的工作生活。 感谢课题组的各位老师和同学。感谢吴世军博士后对我的指导，在重要问题 上的讨论，都使我能够更好的把握课题的方向。感谢同课题组的孙辉师弟，李风 波师兄，杨磊师兄，他们陪我一起经历了整个课题的过程，孙辉师弟的帮助也使 我对软硬件系统有了更好的了解。感谢同实验室的史剑光，陈杰，严华，余晖， 孟启承同学，陪伴了我两年半的实验室生活，也丰富了我课余的学习生活。 感谢爸爸妈妈的支持，他们的期望是我积极进取的不竭动力，他们对我的辛 勤付出，将继续激励着我前行。感谢弟弟，朋友的关心和支持，他们的关怀使我 倍感温暖和温馨。 董绎佳 二。一二年一月于浙大求是园 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究的背景与意义 海底热液活动的发现是2 0 世纪海洋科学研究中的重大事件之一，图卜1 为 正在喷发的热液口。 热液口附近有大量的金属硫化物资源，并且在极端环境下，还生长着独特的 生物群落。对海底热液的研究，有助于加深对地球演变，生命起源等重大问题的 了解，是当代海洋科学、地质学、地球化学、矿床学及海洋生物学等多学科共同 面临的重大使命。 作为海洋中重要的碳储库，海洋溶解有机物的储存量为6 8 x l o 一7 o x l o ”g c ， 仅次于总无机碳库( 3 8 0 x 1 0 1 7 9 c ) n 卜嘲，而且，海洋中的有机物也是海洋生物重 要的食物来源。同样的，研究热液口附近蕴藏的大量的有机物资源，分析深海热 液的有机物含量研究具有极其重要的科学意义和经济价值，原因有三：1 、相比 陆地上地表对有机物的沉淀作用这一长期过程，海底有机物的沉淀作用在3 6 0 摄 氏度的热液温度中，显得更加的有效和快速。在海底热液的高温高压环境下，有 机物的沉淀和分解都将比陆地上的速率更快，更加有利于石油等矿物质的产生。 2 、海底有机物含量是地球表面有机物的一个最大的储存库之一，但是，作为深 海中重要组成部分的热液口的热液有机物含量却一直没有得到关注，研究热液有 机物含量，是对地球碳循环研究的一个重要且必不可少的补充。3 、对热液中有 机物含量的研究，为研究古地球发展成熟提供了原始的数据，针对热液的同位素 实验也表明了热液中的有机物在硫化氢和金属硫化物的生成过程中起了重要的 作用。获取高质量的热液样品是目前进行热液活动研究的最有效和最重要的手段 之一卜嘲 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 图卜1 正在喷发的热液口 海洋热液口的深度大多在2 2 0 0 米到2 8 0 0 米之间眇1 0 1 ，在这一深度下，其环 境压力在2 2 m p a 到3 0 m p a 之间。现有的热液探测工具，主要分为两大类，一类研 制不同的采样器，将热液样品采集到岸上，使用仪器在实验室进行分析，为了更 好的使样品不失真不污染，大多采样器具有气密或者保压性能；一类采用的是原 位测量的方法，如利用化学电极能对p h 、h ：s 以及h ：等化学量进行原位测量“叫1 ， 这类探测方式，具有快速方便等特点，不过，原位测量传感器的测量精度与测量 范围，还无法与实验室仪器相比。 近年来，国际上也逐渐开始重视对热液中的有机物和有机物分析。 g p r o s k u r o w s k i 等美国学者分析了热液中的c 1 c 4 有机物，发现13 c 同位素成分 随着碳链长度的增加( c 1 到c 4 ) 而减少，这与费托合成反应形成的有机物的”c 同 位素规律一致，表明这些热液有机物可能是通过无机合成的方式产生的；法国学 者c k o n n 等人发现r a i n b o w 和l o s tc i t y 热液中含有明显富集的半挥发性有机 物，并推断其中的正烷烃是无机合成产生的n 耵；s q l a n g 等人发现l o stc i t y 热液中含有较高浓度的甲酸盐、醋酸盐和溶解有机物，指出甲酸盐的无机合成可 能对认识生命进化具有重要意义副。 1 2 国内外研究现状 由于研究海洋热液成分组成与周围环境微生物的迫切需求，近些年，许多的 采样器被研发出来。比较有代表性的有美国a 1 v i n 深潜器使用的“m a j o r ”采样 器，图1 2 是“m a j o r ”正在进行热液样品采集，其工作原理是利用弹簧抽动活 塞来收集样品，它的结构简单，可靠性高，缺点是非气密，使得它采集的样品不 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 能用于分析一些高压下溶于水的气体成分n6 1 。根据“m a j o r ”采样器不能气密 的缺点改进的“l u p t o n ”气密热液采样器，如图卜3 所示，其结构简单紧凑、 尺寸较小，但是其样品处理过程复杂，不适用于处理热液样品中的非气体成分 【】g 】一【2 0 】 图卜2“m a j o r ”采样器 图卜3 “l u p t o n ”气密热液采样器 但是，至今，专门针对海底热液有机物含量分析的采样器却迟迟没有像其他 采样器那样蓬勃发展，国际上，可用于有机物取样分析的采样器有新一代m a j o r 采样器，这个采样器采用了全钛结构，从而排除了对有机物的污染 2 1 1 。p 1 1 i l l i p s 等人研制的一套称为l a r e d o 的装置在采集热液后能继续留在热液口对样品进 行一段时间的培育，其主要目的也是为了研究高温微生物，l a r e d o 采用了全 金属密封的方式，对样品进行密封，从而避免了传统的橡胶o 型圈有机物密封 对样品的污染。在样品腔的边缘，他们安装了一个黄金垫圈，利用黄金良好的延 展性，和球阀形成良好的密封【2 2 1 ，如图1 4 。其他采样器，由于在与热液接触的 地方并不能做到使用全金属密封，或多或少的，都会对热液的有机物含量造成影 响，并不适用在严格意义上的有机物取样分析中。 图l _ 4l a r e d o 球阀密封方式原理图 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 此外，还有一种通过间接采样的方式获得热液有机物样品的装置：h f p s 采 样器，它使用一个多通道阀和两个泵组成复杂的流控系统，可以采集1 8 个样品， 如图1 5 所示。与样品接触的采样器部件有钛金属采样管、聚四氟乙烯管路以及 聊l a r 采样袋，由于t e d l a r 采样袋的材料为聚氟乙烯，虽然具有良好的耐腐蚀性， 但使用温度不能超过1 1 0 ，而且储存热液有机物样品的时间不能太长【2 3 】。 图卜5h f p s 采样器 与国外热液采样器的发展相比，我国对热液采样器的研制起步较晚，应用性 较差，在主要海洋探测机构，深海探测设备主要还是来源于国外。近些年来，海 洋探测与海洋资源研究在我国日益受到重视，国家也给予了相当大的资金项目支 持，国内采样器也取得了一些重要性的成果。 浙江大学是国内最早进行深海热液采样器研究的单位，在十五期间承担了与 7 0 0 0 米载人潜水器配套的深海热液采样器的研制，之后又相继承担了国家8 6 3 项目“海水体序列保真采样技术”研究任务以及“深海水体序列保真采样技术滚 动项目”，在此基础上，积累了大量的科研经验2 4 】【2 7 1 ，并借助国际合作的机会， 所研制的采样器在多次中美联合深潜科考以及台湾海试科考活动中成功应用并 采集到了合格的样品，如图1 6 。因为采样器采用的橡胶密封方式，也使得热液 样品难免会受到一些有机污染，影响有机物含量分析结果。 此外，国内从事采样器研究的机构还有中国海洋大学和天津大学两家单位。 其中天津大学机械学院采样形状记忆合金驱动采样阀，研制了热液采样器的样 机【2 8 1 ，但是样机的成功应用及其序列采样技术的研究均未见报道。 4 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 图卜6 浙江大学热液采样器用于a l v i n 上 1 3 研究难点 深海几千米的热液口附近，环境极其恶劣，首先，环境压力达到几十兆帕， 其次，热液的高温高腐蚀性的物理化学特性，使得采样器的高压密封相当困难。 其次，为了保证样品不受外界有机物的污染，需要摒弃传统的橡胶0 型圈密封方 式，寻找其他耐高温耐腐蚀的密封材料与密封方式。再者，采样器小型化与低功 耗的要求，也给有机物采样器研制带来了一定的困难。总结来说，本文的研究难 点主要集中在以下三点。 1 、寻找新型的密封材料与密封方式取代原有的橡胶0 型圈密封，并且需要 保证其高压下优异的密封性能。在此要求下，需要先搭建密封试验平台，寻找可 用的密封材料，并且集成于现有的采样器中，取代传统式的0 型圈密封。 2 、采样电路的低功耗设计。这要求在设计有机物采样器的控制系统时，采 用低功耗元件，并且设计低功耗的工作状况，在非采样时间，使系统自动进入低 功耗，在采样时间，自动退出低功耗。 3 、采样器集成的小型化。由于海上作业的特殊性，有机物采样器过于笨重， 将严重影响采样的工作效率与可靠性，所以，在设计有机物采样器的机械结构时， 需要有尺寸与重量上的考虑。 1 4 研究内容 本课题由国家8 6 3 项目以及国家自然科学基金共同支持研究。本文的主要内 容，将以实验室原有技术为基础，研究新型耐高温耐腐蚀密封材料的密封机理， 在保证密封材料不对样品形成有机物污染的前提下，提出适用于深海热液有机物 采样的密封材料及其密封方式。在此密封方式基础上，研制样机，使之可以用于 深海热液有机物采样。 具体来说，本文的主要研究内容包括： 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 1 、有机物采样器的密封机理研究。由于有机物在热液中的存在形式不明， 并且，极有可能在高压下溶于热液中，而在低压时以气体形式存在，所以，有机 物采样器的气密性甚至保压性必须得到保证。传统的橡胶o 型圈，由于其组成成 分容易在高温高腐蚀的热液环境中释放出有机物，影响样品纯度，所以对有机物 采样器的密封机理进行研究，寻求取代传统橡胶0 型圈的密封方式，将是本文最 主要的研究内容。 2 、集成新材料密封的热液采样器设计。在研究耐高温耐腐蚀密封材料的密 封机理同时，需要考虑其在采样器上的集成。根据实验室现有的采样器结构，将 新材料密封集成进现有的采样器中，使之可以用于海底热液有机物采样。 3 、有机物采样器的控制系统设计。由于海上作业的特殊性，该系统需要具 备低功耗，易于操作的特性。本文将采用t i 公司生产的m s p 4 3 0 系列单片机，设 计采样中需要用到的各个功能，包括温度监测，自动采样控制，数据存储读取， 温度显示等。其中包括控制系统的硬件设计与相应功能的软件编写。 1 5 本章小结 本章首先介绍了课题研究背景与意义，由于热液有机物分析对生命起源、全 球碳循环等问题具有重大的意义，所以研究有机物采样器具有很好的使用价值和 发展前景。通过对国内外研究现状分析得知，国内外于3 0 多年前开始了对海底热 液的探测研究，但是，热液的有机物分析却远远落后于热液的其他成分研究相 应的采样设备也才刚刚起步。最后，本章介绍了本课题的研究难点与主要研究内 容。 6 浙江大学硕士学位论文第2 章有机物采样器密封机理分析 第2 章有机物采样器密封机理研究 2 1 引言 国内外现有采样器中，大多数采用的密封材料有钛，陶瓷，碳一氟材料，黄 金等，由于有机物采样器的特殊性，为了保证热液样品的纯度，选择耐高温耐腐 蚀性材料甚至于无机材料，是非常有必要的。对有机物采样器密封机理的分析， 可以对密封材料选择以及密封结构的设计起到指导性的作用。 浙江大学研制的采样器，其阀芯与阀座采用全钛结构，避免了对样品的有机 污染，不过在阀杆，活塞等的密封上，均采用了全氟橡胶的密封结构，这样，热 液样品在采样的过程中，将可能会腐蚀橡胶o 型圈，使得橡胶中的有机物被释 放到热液中，从而影响热液样品的纯度。所以，现有的采样器并不适用于有机物 采样中。 2 2 有机物采样器密封材料选型 在国外的有机物采样器中，常见聚四氟乙烯用于有机物采样器中。例如h f p s 采样器，它采用了t c d l a r 采样袋对热液样品进行存储，t e d l a r 采样袋的材料为聚 氟乙烯( p t f e ) 。不过由于聚四氟乙烯工作温度范围是一2 0 2 5 0 。一般适用 于低温热液的有机物采样中。p t f e 包覆o 型圈，是在普通的全氟橡胶外包覆一 层p t f e 薄膜，起到了隔绝样品与氟橡胶的作用，保护样品不受橡胶有机物污染。 本文在此基础上，选用了p t f e 包覆o 型圈作为低温热液的有机物采样器密封材 料。该密封材料适用于低温热液环境中。 p t f e 熔点为2 5 0 ，在全球的热液口分布中，有许多的热液口温度超过了 2 5 0 ，在高温热液下，p t f e 显然不适合作为密封材料，所以，探索能适用于高 温热液采样的耐高温耐腐蚀密封材料，是有必要的。填料密封使用广泛，并随着 近些年许多新材料和新结构的出现，使得填料密封的密封效果越来越好一般而 言，用作软填料的材料需要具备以下特性： l 、有较好的弹塑性，这保证了在一定的预紧力下，软填料能够产生一定的 变形量，从而贴紧密封面得以密封 2 、耐高温耐腐蚀性因为热液最高温度可高达3 0 0 ，并且具有腐蚀性， 所以，用作软填料的材料需要具有化学稳定性，不在热液环境中释放有机物 浙江大学硕士学位论文 第2 章有机物采样器密封机理分析 3 、自润滑性好，耐磨损，并且摩擦系数低。 4 、不渗透性好。此性能有助于解决填料本身的孔隙泄露问题。 综合考虑以上特点，本文将选取常用的填料密封材料进行分析，并最终选定 合适的密封材料。 1 、柔性石墨 柔性石墨又称膨胀石墨，是先将石墨中的杂质去除，然后再经过氧化成为氧 化石墨，氧化石墨在加热的情况下会分解出c 0 2 ，通过c 0 2 的释放，使石墨最后 变成了质地松软，具有一定弹塑性的柔性石到2 9 1 。 柔性石墨具有耐高温耐腐蚀的性能，并且由于石墨的自润滑性好，所以是理 想的密封材料。图2 1 是慈溪启梦密封厂生产的柔性石墨及其成分分析。本文中 所使用的 图2 1 慈溪启梦密封厂柔性石墨 2 ，聚四氟乙烯纤维 聚四氟乙烯纤维以聚四氟乙烯纤维为骨架，在表面涂上四氟乳液，编制后再 以四氟乳液进行浸渍，这种填料对酸，碱具有良好的稳定性。但是聚四氟乙烯熔 点为2 5 0 ，限制了其使用场合。 3 、金属软填料 金属软填料一般用各种软金属丝( 因科镍丝、铜丝、镍丝等) 包覆在柔性石 墨，石棉等填料上，或者用单纯的软金属缠绕制成全软金属填料3 0 1 。这种填料需 要较大的预紧，并且摩擦系数较大。 综上所述，以上密封材料的优缺点如表2 - 1 所示 浙江大学硕士学位论文第2 章有机物采样器密封机理分析 表2 一l 填料密封材料性能比较 密封材料优点缺点 柔性石墨耐高温耐腐蚀，摩擦系数低价格较贵 聚四氟乙烯纤维耐酸碱性能好不能耐高温 金属软填料耐高温耐腐蚀性好摩擦系数较大，变形量小 当然，软填料密封材料还有许许多多的种类，不过考虑到密封性能以及在有 机物采样器中的使用，本文选取了柔性石墨作为软填料密封材料。首先，柔性石 墨具有耐高温耐腐蚀的特性，在实际使用中，可见柔性石墨用于6 0 0 以上的高 温密封场合，并且，除了强氧化性酸，如硝酸。柔性石墨一般不与强酸强碱性液 体反应。这保证了柔性石墨符合热液环境的使用。而且，石墨具有的自润滑性， 使得柔性石墨的摩擦系数较低，更加易于使用。 2 3 有机物采样器密封方法研究 在上节中，本文根据使用环境不同，选用了两种密封材料。第一种为p t f e 包覆o 型圈，它属于自紧密封。其优点是密封性好，结构简单，使用方便，但 是由于p t f e 的物理特性，它适用于低温热液的有机物采样。第二种为柔性石墨， 采用填料密封的方式，其优点是耐高温耐腐蚀，可用于高温热液的有机物采样中， 其缺点是密封方式上较为复杂。所以按照热液环境的温度选用不同的密封材料， 是有必要的。下面，将分别对这两种密封材料进行一定的密封原理分析，设计相 应的密封结构，并进行一定的试验研究，验证其密封可靠性。 2 3 1p t f e 包覆o 型圈密封方法研究 密封有效的两个主要条件，第一个是密封件之间需要形成良好的密封匹配 面，第二是密封面上必须有足够的接触压力，即密封比压。为了密封住高压流体， 需要密封比压大于流体介质压力，并且具备足够长的密封面长度 3 1 】【3 2 1 。 p t f e 包覆o 型圈密封属于o 型圈自紧密封，其设计在我国已经标准化，o 型圈在流体压力中的密封如图2 2 所示。图2 2 中，o 型圈沟槽的设计，保证了 o 型圈在装入沟槽中时，已经有了一定的预变形量。在该变形量下，o 型圈对密 封面两端均产生一定的接触压力，实现预密封。图2 - 2 的右图中，在流体的压力 下，o 型圈会被挤压到沟槽的一端，从图中可以看出，流体的压力越大，o 型圈 的变形量也越大，其对密封面产生的接触压力也就越大。图2 2 中，当保证沟槽 9 浙江大学硕士学位论文第2 章有机物采样器密封机理分析 深度小于o 型圈的截面直径时，o 型圈将产生一定的预变形量，并在密封面上 产生一定的接触压力曰懈。而在受到流体压力后，0 型圈对密封面的接触应力为 b = 眉一+ 护 ( 2 1 ) 其中，k 为材料侧压系数。对于橡胶材料，k 非常接近于1 ，从而使得 b 蛳 户 ( 2 - 2 ) 实现自紧密封【3 3 】【3 4 】【3 5 1 。 淘幡删 宣密封 图2 2o 型圈密封原理示意图 从o 型圈密封机理可以看出，其密封是否成功，一般取决于o 型圈的材料 选择以及o 型圈沟槽的设计。对于o 型圈的选取与o 型圈沟槽设计，我国已经 实现了标准化。下面将针对p t f e 包覆。型圈的特点，介绍p t f e 包覆o 型圈的 密封结构的设计以及相关的试验研究。 普通的氟橡胶o 型圈，其弹性更好，所以可以直接通过拉伸套入活塞的o 型圈沟槽中，而p t f e 包覆o 型圈由于p t f e 薄膜的延展性不佳。所以，本文考 虑使用分体活塞的方式，使p t f e 在不需要很大的形变的前提下装入活塞中。如 图2 3 所示 1 0 浙江大学硕士学位论文第2 章有机物采样器密封机理分析 图2 - 3p t f e 包覆o 型圈分体活塞设计 首先，将活塞分为三部分：活塞下端盖，活塞中间体，活塞上端盖，各部分 之间用螺钉拧紧连接。其中，o 型圈1 保证了流体不从活塞与腔体之间泄露，o 型圈2 保证了流体不从螺纹处透过活塞中间体泄露。 为了探究上述分体活塞的密封性，验证p t f e 包覆o 型圈的可行性，本文设 计了两组密封试验，分别测定分体活塞的密封性能以及密封摩擦力。 1 、密封性能试验 试验目的：考察p t f e 包覆o 型圈的密封性能以及与传统的氟橡胶o 型圈 的对比。确定p t f e 包覆。型圈是否适用于有机物采样器 试验步骤：本文在使用上小节提到的分体活塞的基础上，设计了下列一组试 验。第一次试验，活塞密封材料其外周密封依次采用氟橡胶o r i n g ，活塞沟深 3 2 5 衄，腔体有一定小划痕；第二次试验，活塞密封材料其外周密封采用p t f e 包覆o 血g ，活塞沟深3 2 5 衄，腔体有一定小划痕；第三次试验，活塞密封材 料其外周密封采用p t f e 包覆o r i n g ，活塞沟深3 2 5 姗，腔体内无明显划痕。 在三次试验中，通过打压泵对腔体进行打压试验，通过压力表的读数以及对 腔体的观察来确定是否泄漏。 试验过程：将活塞装进腔体中，在一定的压力下保持一段时间，并观察压力 表读数是否变化，腔体外部是否漏水，从而得知密封性能该试验的试验记录表 见表2 2 浙江大学硕士学位论文第2 章有机物采样器密封机理分析 表2 2 聚四氟乙烯包覆o 型圈密封性能试验记录表 第一次试验压力密封性能持续时间 氟橡胶o 血g ，腔体可见小划痕 4 0 m p a无泄露 5 m 血 第二次试验 p t f e 包覆o 血g ，活塞沟深 1m p a 泄露l m i n 内 3 2 5 m m ，腔体可见小划痕 第三次试验 p t f e 包覆o 一血g ，活塞沟深 4 0 m p a 无泄露 3 m i n 3 2 5 皿n ，腔体无划痕 试验结果分析：从表2 2 可以看到，对于普通的氟橡胶o 型圈，其密封性能 良好，打压至4 0 m p a 无泄漏现象。而对于p t f e 包覆的o 型圈，在腔体内表面 有划痕的时候，打压至1 m p a 已经泄漏，在内表面无划痕的情况下，与氟橡胶。 型圈类似，打压至4 0 m p a 无泄漏。可见，在使用p t f e 包覆o 型圈时，需要对 腔体内表面的表面粗糙度有较为严格的要求，并且在安装前需要先检查腔体内表 面是否有划痕。在实际使用中，我们采用了r a l 6 的表面粗糙度。 2 、密封摩擦力试验 试验目的：测定p t f e 包覆。型圈的摩擦力。 试验步骤：将使用p t f e 包覆。型圈的活塞放入腔体底部，并使其连接力 传感器，如图2 4 所示。力传感器采样间隔为0 1 s 。通过对力传感器数据的采集， 可以得到摩擦力曲线。 图2 - 4 测量活塞摩擦力 试验结果：将时间一摩擦力画成曲线图，可以得到活塞在使用中的最大静摩 擦力以及滑动摩擦力。如图2 5 所示 浙江大学硕士学位论文第2 章有机物采样器密封机理分析 1u1zj4o57 t l m e ( s ) 图2 5p t f e 包覆o 型圈的摩擦力特性曲线 从图2 5 可以看出，p t f e 包覆o 型圈的最大静摩擦力在1 4 0 n 左右，其滑 动摩擦力在8 0 n 左右。 从以上试验可以看到。基于p t f e 包覆o 型圈的分体活塞，其可以密封压力 在4 0 m p a 以上，并且摩擦力较低，可用于低温热液的有机物采样器中。 2 3 2 柔性石墨密封方法研究 柔性石墨属于软填料的一种，其密封方式采用填料密封填料密封的密封原 理较为复杂。流体通过软填料密封的泄露路径主要有三种： l 、通过软填料与静止部件之间的泄露。 2 、通过软填料本身的泄露。 3 、通过软填料与运动部件的泄露p 6 1 。 第一种泄露路径属于静密封泄露，其泄露方式一般存在着间隙泄露和多孔隙 泄露。间隙存在于密封界面之间，而且在实际加工中，固体表面具有一定的表面 粗糙度，在微观下，其表面是凹凸不平的，流体在一定压力下可以通过密封界面 间的凹坑互连而泄露。在间隙泄露和多孔隙泄露中，一般通过对密封材料的压缩， 使密封材料贴紧密封界面，产生接触压力而消除。 第二种泄露路径一般产生于编织型软填料中，主要是由于填料本身存在着泄 露通道，通过对填料材料的选择可以给予避免 第三种泄露路径除了存在着间隙与多孔隙泄露，还存在着粘附泄露以及动力 o 1 1 1 一z一。3j2 浙江大学硕士学位论文 第2 章有机物采样器密封机理分析 泄露。粘附泄露是由于液体与固体之间存在着一定的粘附作用，填料微观凹槽的 粘附液体在填料的往复运动中可能被遗留在外侧，从而造成泄露。这种泄露方式 与液体粘度，往复运动次数成正相关关系。动力泄露一般存在于轴转动的情况中， 当转轴油封处的轴表面上留有螺旋形加工痕迹时，这些痕迹具有泵油作用f 3 7 1 在填料密封中，对填料的预紧，以及其产生的接触压力的分析，将是填料密 封的关键。足够大的接触压力，可以消除填料密封中最主要的两种泄露：问隙泄 露以及多孔隙泄露，剩下的粘附泄露，由于实际使用中，有机物采样器的采样过 程只往复运动一次，其产生的泄露相对而言很小，而且不存在轴转动的运动方式， 也就不存在着动力泄露。综上所述，本文主要考察填料密封中，密封材料在预紧 下产生接触压力的机理。 填料密封在一定的工作环境和工作压力下，有一定的设计准则。本文将首先 按照设计准则进行标准结构的设计，并对标准结构进行一定的理论分析，了解影 响密封性能的因素，然后进行结构的改进。对不同结构进行a n s y s 仿真，最后 通过试验确定不同结构的密封性能。为柔性石墨密封结构的设计提供理论与实际 的论据。 2 3 2 1 柔性石墨密封结构理论分析 首先，本文根据文献3 8 的标准进行腔体的设计，本文轴径选取d = 2 5 m m ， 根据该轴径，可确定填料函宽度b = 6 m m ，则柔性石墨的尺寸为内径2 5 m m ，外 径3 7 m m 的环状结构。因为柔性石墨的个数不是越多越好，本文折中选取了五个 最后确定密封结构简图如图2 6 所示。在以后的叙述中，该密封结构均称为普通 型密封结构。 图2 石普通型密封结构 为了简化模型，本文忽略轴与柔性石墨，柔性石墨与腔体，腔体与轴等之间 的公差间隙。并假设在装入时，轴，柔性石墨，腔体三者之间不存在空隙图 1 4 浙江大学硕士学位论文第2 章有机物采样器密封机理分析 2 7 所示，为柔性石墨在装入时的受力分析图。取其中一微单位x 进行分析，如 图2 8 所示。 图2 7 柔性石墨受力分析图 五h 氏 吒+ d 吒 2 鸬巳1 图2 8 微单元受力分析 图2 - 8 中，吒为轴向上的应力，此应力的产生与预紧力有直接的关系，q 。， q ：分别为石墨挤压变形后与腔体以及轴贴紧产生的径向应力，墨，恐为侧压系 数，表征了材料挤压过程中，由于受轴向应力体积膨胀而产生径向应力的能力， 一，鲍分别为材料与腔体，轴之间的摩擦系数，它们均与材料属性相关3 8 1 。由 于在实际中，腔体与轴一般使用同种材料，所以有k = 墨= 墨，= h = 鲍。 根据以上，有 【吒o ) + d 吒( 工) 万( r 2 一，2 ) = 2 万( 墨“r + 叠鸬，) c r 4 ( 工) 出+ 吒( 工) 万( r 2 一，2 ) ( 2 - 3 ) 化简，得 d 吒( 工) 万( r 2 一，2 ) = 2 万k ( 尺+ ，) 吒( 工) 出( 2 4 ) 令2 k ( r 一，) = q ，i h 为填料函高度，令其为b 所以，2 k b = q 浙江大学硕士学位论文第2 章有机物采样器密封机理分析 式子2 4 可改写为 d 吒o ) = q c r d ( z ) 出( 2 - 5 ) 对2 5 两边积分，以最左边的底部柔性石墨的起始点为原点，有： r d 吒( z ) = qr 吒( x ) 出 ( 2 6 ) 解常微分方程，设吒( 功= 彳矿，代入2 6 ，得 c = q 所以吒( z ) = 4 e q 譬 ( 2 - 7 ) 由于压盖预紧时压在柔性石墨上，设其为一定值仃。 所以矿( 5 三) = 盯。 代入2 7 ，有彳= 盯。e - 5 q 工 ( 2 8 ) 2 8 代入2 7 ，有： 。 吒( x ) = 仃v e 2 足硝7 占( 2 9 ) 所以q 1 ( x ) = q 2 ( x ) = k 仃，e 2 x 卜5 工7 b( 2 1 0 ) 分析式子2 1 0 ，柔性石墨的径向应力在端盖处最大，并沿着轴向呈现指数下 降的趋势，在底部达到最低。而且，可以看到，径向应力是填料宽度b 的减函 数，也就是说，随着填料宽度b 的减小，径向应力将增大在密封理论中，柔 性石墨产生的径向应力，也就是密封中所说的接触压力，该应力直接关系到密封 的成功与否，一般来说，要求柔性石墨底部径向应力大于流体密封压力p 。 从上文的数学模型中可以看到，普通型密封结构的柔性石墨径向应力分布呈 现指数性衰减，并且在底部最小，而底部的柔性石墨，被认为是密封成功与否的 关键。所以如何改变这种应力分布趋势，使底部柔性石墨的径向应力增大，是改 进这种密封结构的重要考虑因素。 从之前对普通型密封结构的分析可以知道，径向应力与填料函厚度b 有关， 并且b 越小，径向应力越大，所以通过填料函厚度b 的减少，可以增大底部柔 性石墨的径向应力，所以，本文考虑通过对填料函厚度b 的减少来增强密封性 能同时，由式子2 1 0 可以看到，径向应力还与作用于石墨块的初始应力有关 浙江大学硕士学位论文 第2 章有机物采样器密封机理分析 最后，本文设计了以下两种密封结构。 第一种，通过逐渐减少填料函厚度的方式，使用梯形填料函来实现填料函厚 度的减少。如图2 9 所示。本文将通过仿真对其径向应力分布进行分析，了解不 同锥度下的径向应力分布，并与普通型和阶梯型密封结构进行比较。 图2 9 梯形密封结构 第二种，通过阶梯型密封结构的设计，往底部方向放置面积不断变小的柔性 石墨，不同面积的柔性石墨之间使用金属块进行过渡，如图2 1 0 所示。一方面， 其填料函宽度减小了，另一方面柔性石墨面积的缩小，增大了作用于每个柔性石 墨块的初始应力，这样，虽然在单独一个石墨块中，其应力分布仍然是沿着轴向 衰减，可是，在大柔性石墨块与小柔性石墨块之间，却可以出现小柔性石墨块的 径向应力大于大柔性石墨块的径向应力的情况发生。在以后的叙述中，该密封结 构均称为阶梯型密封结构。下面将从理论上对阶梯型密封结构进行一定的理论分 析。 图2 1 0 阶梯型密封结构 首先，同理先将模型进行一定的简化，忽略公差间隙。阶梯型腔体的简化结 构如图2 1 l 所示。 浙江大学硕士学位论文 第2 章有机物采样器密封机理分析 图中，打方格剖面线的为柔性石墨，阶梯型的为金属块。在压盖的最外端， 依然有盯= q 单独分析最右边的柔性石墨块1 ，同理有吒( x ) = 仃，沪卜三 所以在最右边的柔性石墨块底部，有 吒l = 仃y p q l ( 2 1 1 ) 接下来，此应力作用于金属块上并通过金属块传递作用于第二层阶梯的柔性 石墨2 上，由于面积缩小了，此时柔性石墨2 的最右端处轴向初始应力力为 吒2 = 吒l 万( 尺2 一，2 ) ( 是2 一，2 ) 同理，柔性石墨块2 的底部应力为 吒2 = ：i 二；兰了百e q 2 = ! 苫辫p - ( q l + 仍皿 c 2 2 ， 同理，柔性石墨块3 的底部应力为： 吁警鲁e - ( q 1 + q 2 + q 3 4 址 亿 其中，b l ，b 2 ，b 3 为相应半径r l ，r 2 ，r 3 下对应的填料函厚度。q l ，q 2 ，q 3 为相应半径r l ，r 2 ，r 3 下的q 值。 此时，若令吒3 吒2 吒l ，即 筹e 一( 岛+ 奶+ 岛，) 工 拱p 一( 珐+ 奶) 上 c i e q i 工 ( 2 1 4 ) ( 咫2 一厂2 )( r 2 一一) ， 、7 浙江大学硕士学位论文第2 章有机物采样器密封机理分析 则可以实现上文所说的，改善柔性石墨径向应力分布，使柔性石墨径向应力分布 与流体压力分布一致。求解式子2 1 4 ，可以知道， 若选择好一定的e ，垦，使得妥兰导 吒。 同理有参盯删2 岛保虮 吒： ( 2 1 6 ) 进一步化舡1 5 因为等= 嬲 垦p 2 肚7 如( 2 1 7 ) 同理，化简2 1 6 ，有马 岛e 肚7 2 岛( 2 1 8 ) 若满足式子2 - 1 7 ，2 1 8 则可以保证吒， 吒2 从而改善柔性石墨径向应力分 布情况，增大了底部柔性石墨的径向应力，使柔性石墨径向应力分布与流体压力 分布一致。 由于实际加工中能做到的最小柔性石墨宽度为1 5 m m ，所以本文中本选取了 墨= 3 7 m m ，是= 3 1 m 脚，足= 2 8 m 肌，= 2 5 ，z m ，对于柔性石墨，取k l = k 2 = o 5 ， 肛= 鲍= 0 1 4 3 8 1 ，满足式子2 1 7 ，2 1 8 。可见，该尺寸下的阶梯型密封结构，可 以改善柔性石墨沿轴向方向的径向应力分布，越靠近底部的柔性石墨，其径向应 力越大。 综上所述，该尺寸下的普通型密封结构，柔性石墨径向应力沿轴向将呈现指 数衰减。该尺寸下的阶梯型密封结构，其底部石墨块的径向应力将最大，中间的 次之，压盖处最小，而对于某一特定石墨块，仍将沿轴向指数衰减。由于密封性 能取决于底部柔性石墨的径向应力，由此，可以预测，在同等的预紧力下，阶梯 型密封结构的密封性能将好于普通型密封结构。 2 3 2 2 柔性石墨密封结构a n s y s 仿真 在密封理论里，要求密封面有足够的接触压力如果该接触压力小于密封流 体压力，则会造成泄漏。因此，接触压力是密封是否成功的关键。对密封是否成 1 9 浙江大学硕士学位论文第2 章有机物采样器密封机理分析 功的问题，也随着转化为对接触压力的分析和计算，现在，很多有限元软件都能 够在一定的边界条件下，进行一定的应力应变仿真。本文，将运用a n s y s 对普 通型密封结构以及阶梯型密封结构进行有限元仿真，探讨在同等的预紧力下，两 种结构各自产生的接触应力区别。 在填料密封中，接触压力实际上指的是在一定预紧力下，柔性石墨被压缩后 径向膨胀而产生的对腔体以及轴的径向应力。更多的，我们将关注底部柔性石墨 的应力分布。因为一般来说，密封的成功要求底部柔性石墨的径向应力大于流体 压力。 首先，本文通过在浙江大学航空航天学院的、加w 1 0 0 电子万能材料试验机 上做的柔性石墨单轴压缩实验，确定了柔性石墨的单轴压缩应力应变特性，表 2 3 为试验测定的数据，其中的应力是通过加载力除以受力面积得到。 表2 3 柔性石墨单轴压缩应力应变值 应变应力( p a ) 0 0 0 0 0 5 3 0 3 7 0 0 0 0 2 42 5 7 8 3 0 0 0 0 4 95 6 1