（机械工程专业论文）新型高温热油泵非接触式机械密封设计研究.pdf

d e s i g nr e s e a r c ho fn o n c o n t a c tt y p em e c h a n i c a l s e a li nh i g h t e m p e r a t u r eh o to i lp u m p s at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：h o us h a o h u a s u p e r v i s o r ：p r o lh a om u m i n g c o l l e g e o fm e c h a n i c a l e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 兰笙当垒 日期： 加，年j 月矽日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向囡家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：么2 茧笨 指导教师签名：二孝，；必 日期：秒，年j 一月勿日 日期：7 刀j ! 年j ，月2 k 同 摘要 本文主要针对广州石化高温热油泵应用的波纹管单端面接触式机械密封，在实际生 产中由于高温及端面摩擦热导致流体膜结焦、密封环端面磨损、老化、热裂等使得密封 频繁失效，被密封介质高温、高压、易燃，一旦泄漏很容易起火，既造成物质损失也存 在很大的安全问题，因此对普通波纹管接触式机械密封的改造有很重要的意义，能够更 好的提高生产效率，节约成本。 本文通过对现有的非接触式机械密封理论的深入学习并结合现场实际工况条件以 及实际生产中波纹管单端面接触式密封的不足，设计计算出一种“非接触式+ 接触式 串联的新型机械密封结构来改造原机械密封，并主要计算螺旋槽端面参数，然后通过c f d 软件f l u e n t 对整个密封腔内的流体流场进行数值模拟计算，得到腔内流体的速度矢量 分布、压力分布、质点轨迹以及涡量分布等，有力的支持了本次设计的非接触式机械密 封结构的可行性。 关键词：高温热油泵，机械密封，波纹管，非接触式机械密封，c f d ，数值模拟计算 d e s i g nr e s e a r c ho fn o n - c o n t a c tt y p em e c h a n i c a ls e a li n h i g h - t e m p e r a t u r eh o to i lp u m p s h o u s h a o h u a ( c h e m i c a lp r o c e s sm a c h i n e r y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rh a om u m i n g a b s t r a c t t h ef a i l u r er e a s o n so fc o n t a c tb e l l o wm e c h a n i c a ls e a l su s e di nc e n t r i f u g a lp u m p sf o r d i s c h a r g eh i g h t e m p e r a t u r eh e a v yo i l i ng u a n g z h o up e t r o c h e m i c a lc o m p a n yw e r es t u d i e d , a n dt h er e s u l t ss h o w e dt h a tf l u i df i l mc o k i n g ，s e a lr i n ga g i n g ，e n d t oh e a ta n dc r a c ke t cd u et o e n df r i c t i o nh e a tl e a dt of r e q u e n tf a i l u r ea n dh i g hi n c i d e n c eo ff i r eo w n i n gt oh o to i ll e a k a g e w h i c hc a u s en o to n l ym a t e r i a ld a m a g e ，b u ta l s os e r i o u sp o t e n t i a ls a f e t yp r o b l e m sa n do t h e r i s s u e s t h i sa r t i c l et h r o u g ht ot h ee x i s t i n gn o n - c o n t a c tm e c h a n i c a ls e a lt h e o r yi n t ol e a r n i n g b a s e do nt h ea c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n ，d e s i g nc a l c u l a t i o na “n o n c o n t a c t + c o n t a c t s e r i e so f n e wm e c h a n i c a ls e a ls t r u c t u r e ，a n du s et h ec f ds o f t w a r ef l u e n ti t ss e a lc a v i t yo ft h ef l u i d f l o wf i e l dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n dt h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ，s p e e dd i s t r i b u t i o n ，p a r t i c l e t r a c k ，s w i r l i n gd i s t r i b u t i o na r eo b t a i n e d ，t h i sw e l lp r o v e st h ef e a s i b i l i t yo fd e s i g no nt h e s t r u c t a r eo fn o n c o n t a c tm e c h a n i c a ls e a l k e y w o r d s ：c e n t r i f u g a lp u m p sf o rd i s c h a r g eh i g h - t e m p e r a t u r eh e a v yo i l ，m e c h a n i c a ls e a l ， b e l l o w s ，n o n - c o n t a c tm e c h a n i c a ls e a l ，c f d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i l 目录 第一章前言1 1 1 课题来源和研究意义。1 1 2 高温热油泵机械密封应用现状。1 1 3 本文的研究目标及内容2 第二章机械密封技术与发展3 2 1 国内外发展现状。3 2 2 非接触式机械密封研究进展3 2 3 机械密封流体膜压力场研究5 2 4 机械密封原理5 2 5 机械密封结构8 2 5 1 波纹管机械密封8 2 5 2 窄环刃边机械密封。8 2 5 3 集装式机械密封。8 2 5 4 密封面开槽机械密封。9 2 6 机械密封的性能参数1 3 第三章高温热油泵的应用现状1 4 3 1 现场机械密封系统1 4 3 2 热油泵波纹管单端面接触式机械密封失效分析。1 5 3 3 现用波纹管机械密封应用的不足1 6 第四章机械密封流体分析与计算方法。二1 8 4 1 流体力学基本方程1 8 4 2 机械密封的控制方程数值求解1 9 4 2 1 计算区域离散1 9 4 2 2 控制方程离散化1 9 4 2 3 边界条件，：2 1 4 2 4 求解离散方程2 1 4 2 5 误差分析2 2 4 2 6c f d 计算流体动力学2 2 4 3 本章总结2 3 第五章非接触式机械密封设计2 5 5 1 机械密封设计方案2 5 i n 5 2 密封端面结构设计2 6 5 2 1 已知工作条件2 6 5 2 2 参数设计2 6 5 2 3 设计计算内容2 7 5 3 机械密封辅助系统2 8 第六章密封腔流场模拟计算3 0 6 1 密封腔流体模型3 0 6 2 密封腔流场的数值计算3 0 6 2 1 建立模型3 0 6 2 2 划分网格。3 1 6 2 3 判断密封腔内流体模型流态3 2 6 2 4 设置边界条件3 3 6 2 5 设置解算器3 3 6 3 十算分析。3 4 6 3 1 流体速度3 4 6 3 2 流体压力分布分析。3 5 6 3 3 流体质点分析3 5 6 3 4 转速与压力对于端面流体的影响分析：3 6 6 3 5 泵送量分析3 8 6 3 6 摩擦力分析3 9 6 4 本章总结3 9 j 结1 1 工作展望4 2 参考文献4 3 攻读工程硕士学位期间取得的学术成果4 4 致谢4 5 i v 中固石油人学( 仁东) t 程f 0 ； f ：学位论义 第一章前言 机械密封是旋转机械设备的重要组成部分，主要依靠弹性元件和介质压力对密封端 面的作用来实现密封。密封件往往决定了机械设备的安全性、可靠性和耐久性，特别是 在石油化工行业起着尤为重要的作用。 1 1 课题来源和研究意义 随着工业的发展，尤其是在石油化工行业，高温热油类的易燃介质越来越多，例如： 常压渣油、催化油浆等。这些高温热油类介质还具有粘度高、燃点低等特性，如果密封 失效而发生泄漏很容易起火引起严重的生产事故，不但造成经济损失还会污染环境。在 高温类介质的机泵中一般都采用机械密封，密封端面常常因为介质结焦或者因固体颗粒 杂质的磨损而造成失效。本文主要参照高温重油泵的工艺特点、现场生产中接触式机械 密封出现的问题以及当前非接触式机械密封研制开发的理论经验，开发设计一种“接触 式+ 非接触式 串联的机械密封，并对其性能使用f l u e n t 软件进行模拟计算分析，以 能够改善当前生产中普通接触式波纹管机械密封存在的许多问题，提高生产的安全性和 可靠性。 1 2 高温热油泵机械密封应用现状 广州石化公司在各个主要的热油泵均采用接触式波纹管单端面机械密封。接触式机 械密封主要是依靠被密封流体与外界的压力差和弹性元件的压力共同作用使密封摩擦 副端面尽可能的紧密结合，减小间隙以达到密封流体的作用。在高温热油泵中使用的机 械密封由于端面之间的流体介质中含有固体颗粒杂质，同时在机械运转过程中，由于摩 擦以及被密封介质的热量会使端面产生很高的温度，会使端面流体介质焦化而使密封端 面运行不稳定，摩擦副端面材料老化、磨损严重，最终引起密封失效。 广州石化公司生产过程中需要消耗大量的冷却水，密封失效频繁，维修成本高。由 于高温热油泄漏很容易引起火灾等重大安全事故，成为高温生产设备的严重安全隐患。 因此热油泵群的机械密封问题一直是其设备管理中的重点，对热油泵群密封进行改造具 有很重要的意义。 第一章前苦 表1 1 高酸原油脱酸装置热油泵明细 t a b l e l - 1 h i g h l ys o u rc r u d eo i lf r o ma c i dd e v i c eh o to i lp u m pd e t a i l s 数温度 粘度密度 密封 序号设备位号 设备名称功率 量 m m 2 s k g m 3 形式 l p 1 0 1 1 ，2 闪底油泵 1 1 0 k w22 1 30 5 28 0 6 金属波纹管 2 p 1 0 4 1 ，2常二线油泵 1 5 k w22 3 90 5 26 8 1 金属波纹管 3p 1 0 5 常= 线油泵 1 1 k w 12 9 80 5 36 8 1 4 金属波纹管 4 p 1 0 8 1 ，2 常二中油泵 2 2 k w22 8 20 3 97 1 8 9 金属波纹管 5 p 1 0 9 1 常底油泵 5 5 k w13 5 51 6 87 6 8 金属波纹管 6p 1 0 9 | 2 常底油泵 7 5 k w13 5 51 6 87 6 8 金属波纹管 7p 1 1 2 减二线泵 1 1 k w12 5 40 9 87 6 8 3 金属波纹管 8 p 1 1 3 1 ，2 减线粟1 1 k w23 1 0o 9 27 5 6 金属波纹管 9p 11 4 1 ，2 减四线泵 1 1 k w 23 3 81 1 17 6 1 金属波纹管 1 0p 1 1 5 减一中油泵1 5 k w 12 2 61 1 1 7 6 0 4 金属波纹管 1 1p 11 6 1 ，2 减二中油泵 1 8 5 k w23 0 01 1 17 4 7 5 金属波纹管 1 2 p l l 7 1 ，2 减底油泵 7 5 k w23 7 42 4 47 9 2 金属波纹管 1 3 p l l 9 1 ，2减粘中段油泵 1 5 k w 22 4 72 4 47 1 1 6 金属波纹管 1 4 p 1 2 0 1 ，2 减粘渣油泵 7 5 k w23 5 02 4 47 6 2 金属波纹管 1 5p 1 0 7 常一中油泵 2 2 k w 22 1 50 4 17 2 5 3 金属波纹管 1 3 本文的研究目标及内容 随着工业的发展，对于安全生产以及环保节能的要求越来越高，石油化工行业中高 温热油泵的机械密封的要求也越来越高，本文根据实际生产的需要进行设计计算，主要 包含以下几个方面： ( 1 ) 阅读相关文献了解当前机械密封尤其是非接触式机械密封的工作原理、结构 特点等。 ( 2 ) 通过了解现场高温热油泵的工艺特点，分析原泵用单端面波纹管接触式机械 密封的失效类型及失效原因。 ( 3 ) 通过学习当前非接触式机械密封的理论及应用实例，结合高温热油泵的工艺 特点，选取减三线泵p 1 1 3 1 改造设计“非接触式+ 接触式 相串联的机械密封结构，并 对密封腔内流场应用f l u e n t 软件做数值模拟分析，对设计的非接触式密封性能进行 理论验证。 2 中固石油人学( o 芦东) t 程硕1 ：学位论文 第二章机械密封技术与发展 2 1 国内外发展现状 第一个机械密封专利【1 1 1 9 8 5 年由英国人获得，在1 9 0 0 年将其应用在轴承密封上， 1 9 0 8 年将轴向移动的密封环机械密封应用在汽轮机上，接着在1 9 1 3 年汽轮机上使用的 双端面密封也申请了专利。1 9 2 0 年机械密封在小型家用冷冻压缩机与汽车水泵的轴封上 也取得了推广应用。1 9 3 0 年内燃机水泵也采用了机械密封。1 9 4 0 年轻烃泵上开始应用 机械密封。1 9 4 5 年陶瓷、石墨、硬质合金材料等新型材料开始作为密封面材料，并且提 高了机械密封的加工精度，密封面的表面粗糙度r a 由0 4 u m 提高到0 2 - 0 1 u m 。在石 油化工泵中开始使用平衡型机械密封，并将p s v 值提高到8 0 m p a s 。1 9 5 7 年美国e g gs e a l d l 公司为宇航装备制造出第一套焊接波纹管机械密封【2 l 。 二十世纪六十年代后，由于核电、石化行业的快速发展，机械密封的研究得到了深 入的发展，先后出现了高参数的热流体动压机械密封、中间多环密封、部分环密封、窄 带接触密封、集装式密封等新式机械密封。1 9 6 1 - - - 1 9 6 3 年非接触式机械密封出现，很好 的利用了流体动、静压润滑原理，主要有“雷列台阶面 ，“周向圆弧槽”和“螺旋槽面” 的流体动压密封以及“径向锥面台阶面和“带凹槽节流孔的流体静压密封。 1 9 7 7 年，碳化硅和硅化石墨作摩擦副的机械密封开始应用，介质p s v 值可以提高 到3 6 0 m p a m s 。1 9 8 1 年起，在机械密封领域出现了一批新概念、新技术、新结构，例 如“上游泵送 的新概念【3 1 ，可以满足零泄漏甚至负泄漏。 在我国，五十年代初，由于材料来源广泛，加工容易，价格便宜，结构简单等优点， 填料密封成为动密封的主要应用形式，一直沿用至今。随着工业技术的不断更新发展， 填料密封在应用于高温、高压、腐蚀性等介质时出现了很多问题，不能满足生产需要【4 1 。 机械密封在国外开始广泛应用，由于机械密封比填料密封的密封性能更可靠，使用寿命 更长，能耗更低，运行成本较少而逐渐取代了填料密封。我国石油化工行业在6 0 年代 初也开始广泛地应用机械密封，当前炼油厂工艺装置机泵中大部分采用了机械密封，并 且其他行业也开始广泛应用机械密封【5 1 。 2 2 非接触式机械密封研究进展 e t s i o n l 6 1 在1 9 8 4 年第一次提出零泄漏非接触式机械密封的新概念，为了实现零泄漏 他还开发设计出了圆叶槽机械密封。l i p s c h i t z 于1 9 8 5 年发明了径向直叶槽零泄漏机械 密封证实了他提出的零泄漏端面密封理论。1 9 8 7 年b u c k 提出了上游泵送械密封概念， 3 第二幸机械密封技术0 发展 举例说明了上游泵送机械密封理论的可行性，展示了上游泵送机械密封密封性能的优越 性，对高压高速介质能够实现很好的密封效果。e t s i o n1 9 9 0 年发表文章支持机械密封未 来发展的方向为零泄漏非接触密封l _ 。 ( 1 ) 上游泵送机械密封理论研究 1 9 9 2 年，s a l a n t 应用有限差分法数值模拟分析了浅斜线槽以及螺旋槽机械密封润滑 液膜流场，主要分析研究了两种槽型的密封能力，得出气蚀对密封性能的影响；随后又 模拟分析了气蚀与螺旋槽上游泵送机械密封性能的关系，归纳出合理的螺旋槽型参数对 上游泵送机械密封的性能影响。 彭建【8 】在1 9 9 8 年对螺旋槽、人字槽、斜线槽三种端面结构的上游泵送机械密封利用 有限元法做了最大液膜刚度的数值计算，并提出了液膜刚度的优化计算方法。 “零压差零泄漏 在非接触式机械密封上的新理论是由宋鹏云在1 9 9 8 年提出的， 他将无泄漏人字形螺旋槽轴承结构理论应用在了他设计并计算分析的内外双螺旋槽密 封的新型结构中。他还数值解析计算并通过实验研究了端面内侧开槽泵出式机械密封， 同时还研究计算了密封端面外侧开槽泵入式机械密封，着重分析计算工况参数、结构参 数与密封性能的关烈9 】。 螺旋槽在密封端面的旋转方向上与对称槽型端面不同，不能任意方向的旋转，宋鹏 飞【1 0 1 1 9 9 9 年对径向直线槽结构进行了解析分析，研究径向直线槽的性能，以解决密封 端面的旋转方向问题。通过研究发现对各方面参数影响最大的是坝区膜厚与槽深，还分 析得出槽深数值越大刚度越低，动压效果越不明显，流体静压效果越明显。宋鹏云应用 有限差分法分别对圆底方顶槽、方底方顶槽以及余弦函数槽作了分析研究，在不同边界 压力以及主轴转速下，得出圆底方顶槽开启力和液膜刚度大于其他两种槽型。 ( 2 ) 上游泵送机械密封应用研究 6 0 年代上游泵送机械密封技术成功地在高温液钠环境得到应用，此后上游泵送机械 密封的实验应用研究不断发展。g a r d n e r1 9 7 3 年在潜水泵上成功地应用了水润滑螺旋槽 机械密封；s h a p i r o 等在1 9 8 4 年在高速高压的液氧环境下成功地实验应用了螺旋槽机械 密封。 。 l a i 在1 9 9 4 年通过实验与现场实践对叶形槽、螺旋槽、人字形螺旋槽等六种槽型的 机械密封进行了研究分析，研究了各种非接触机械密封的密封性，并得出y 字形和人字 形螺旋槽机械密封无需下游流体保障系统一样也能保证很好的密封性能。 彭建在1 9 9 8 年，对螺旋槽、斜线型、人字型槽机械密封的理论优化进行了试验。 4 中困石油人学( 毕东) 丁程顾l ：学位论文 验证了这三种槽型理论优化的正确性，并分析总结出螺旋槽比斜线型和人字型具有更好 的密封性能。 泵出式圆弧槽液体端面密封于1 9 9 0 年顾永泉和董飙开发研制并获得国家专利。2 0 0 1 年，郝木明在液化气泵和p v c 浆料离心泵上成功应用了内径开槽上游泵送机械密封技 术。并研究出了中间开槽的密封结构，以防止内径开槽的机械密封中直径过小的固体颗 粒进入密封端面间隙液膜引起端面磨损。2 0 0 1 年，郝木明简单规范了各种上游泵送机械 密封的应用范围。2 0 0 2 年，郝木明对泵用干气密封及上游泵送机械密封做出了使用范围 的分类。并获得多项上游泵送机械密封专利，在生产现场得到很好的应用。 由于液膜润滑非接触式机械密封技术比较复杂因此其研究一直落后于气相密封，但 随着工业生产的迅速发展，液相机械密封的零泄漏和零逸出的优点使其需求越来越大， 目前上游泵送机械密封技术是国内外的研究热点。 2 3 机械密封流体膜压力场研究 机械密封端面流体膜压力分布直接影响到密封端面变形问题，因此压力场分析十分 重要，流体膜压力的控制方程一般由r e y n o l d s 方程推导得到。r e y n o l d s 方程求解方法 相对于普通接触式机械密封比较成熟但对上游泵送机械密封需要应用其他方法以得到 更准确的计算结果。 王美华等对n a v i e r o s t o k e s 方程利用有限元法进行简化川，计算得出包含离心力的动 压式可控膜密封的油膜压力分布，并对压缩机双端面人字形螺旋槽机械密封解析计算。 将计算结果与r e y n o l d s 方程解比较，得出：对于浅槽非接触式机械密封，惯性力能起到 的作用很小。 郝木明、宋鹏云通过“窄槽”理论计算出了上游泵送机械密封端面间的流体膜压分 布。 上游泵送机械密封端面间的液膜极薄，密封环的变形能够直接破坏流体膜，影响密 封的液膜刚度，降低密封性能。而且由于非接触式的工作方式使密封环的变形不能通过 密封端面磨合修正，所以在设计阶段，必须考虑到实际运行时变形影响。因为上游泵 送机械密封端面变形问题情况十分复杂，研究进展缓慢。 2 4 机械密封原理 机械密封也称为端面密封，利用弹性元件对密封环端面进行预紧，介质压力和弹性 元件的压力对动静环压紧来实现轴向端面密封的装置。主要分为静密封和动密封。 5 第二章机械街封技术j 发胜 流体动密封可以分为接触式、非接触式、组合式和封闭式四大类密封。其中接触式 机械密封的密封端面紧密接触，使间隙达到最小值以达到很高的密闭性，但由于密封面 的接触会产生发热及磨损等问题。非接触式密封的密封端面不直接接触，中间有一层气 膜或者液膜，无机械摩擦，使用寿命比较长。组合式机械密封兼顾了接触式和非接触式 机械密封的优点，但结构比较复杂。 机械密封基本分类【1 1 】： ( 1 ) 按照密封端面的对数可以分为： 单端面密封( 图2 1 ) 只有一对密封端面组成，结构简单一般需要自冲洗系统而不 需要外供封液系统，使用于一般液体密封，与辅助装置配合使用可以应用于高温、高压、 有悬浮颗粒液体等场合。 双端面密封( 图2 2 ) 由两对密封端面组成，还可以分为轴向双端面机械密封和径 向双端面机械密封，密封腔内通入“堵封 及润滑密封端面作用的介质压力为0 0 5 - - 一 0 1 5 m p a 的密封液，结构复杂需要设置外供封液系统。 多端面密封是指由由两对以上的密封端面组成的机械密封。 图2 - 1 单端面机械密封 f i 9 2 1 s i n g l em e c h a n i c a ls e a l 图2 2 双端面机械密封 f i g2 - 2 d o u b l em e c h a n i c a ls e a l ( 2 ) 按密封流体作用在密封端面上的压力是卸荷或不卸荷分为 平衡式( 图2 3 ) 指平衡系数k i 即在密封端面压力卸荷的机械密封，当0 k i 时为部分平衡式机械密封，当k s 0 时为过平衡式机械密封。 非平衡式( 图2 4 ) 平衡系数k 苫1 即密封端面压力不卸荷的机械密封，此种密封在 较高液压下端面易磨损。 6 中围石油人学( 华东) t 程顾i ：学位论义 图2 - 3 平衡式机械密封 f i 醇- 3 b a l a n c e dm e c h a n i c a ls e a l 图2 _ 4 非平衡式机械密封 f i 9 2 - 4u n b a l a n c e dm e c h a n i c a ls e a l ( 3 ) 按静止环的安装位置分 内装式( 图2 5 ) 静环安装在密封端盖或与端盖相同作用的零件内侧即面向主机工 作腔的机械密封。由于此种机械密封的泄漏方向与离心力方向相反，所以端面受力均匀， 泄漏量小。 外装式( 图2 6 ) 静环安装在背向主机密封腔的一侧，泄漏量较大工作压力低，多 用于强腐蚀性结晶的工作介质。 图2 5 内装式机械密封 f i 9 2 5i n t e r n a l l ym o u n t e d m e c h a n i c a ls e a l ( 4 ) 按密封流体在密封面的泄漏方向分 图2 - 6 外装式机械密封 f i 9 2 - 6e x t e r n a l l ym o u n t e dm e c h a n i c a ls e a l 内流式机械密封是指密封流体在密封端面间与离心力反向泄漏的机械密封。 外流式机械密封是指密封流体的在密封端面间的泄漏方向与离心力方向相同，泄漏 量比较大。 ( 5 ) 按照密封端面是否接触分为 接触式机械密封是指依靠弹性元件的弹力以及密封流体压力使密封端面贴合在一 起的机械密封。此种机械密封结构相对简单，泄漏量小，单磨损以及功耗都比较大。 非接触式是指依靠流体静压或者动压作用，在密封动静环之间产生稳定的流体膜， 是动静环分开的机械密封。此类机械密封的功耗及发热量较小，能够实现零泄漏和零逸 7 密封部件。在石油化工行业已经有将近9 0 的旋转设备开始应用机械密封，其他行业也 在逐步推广使用机械密封。 机械密封技术随着其应用的日益广泛，以及计算机技术和新材料的不断更新而得到 了迅猛发展。现在利用有限元分析法f e a 与计算机辅助设计c a d 并通过针对具体工况 设置选择合理的数学函数来设计模拟分析机械密封结构，使得机械密封出现了很多新结 构、新技术、新产品。 2 5 1 波纹管机械密封 波纹管集合了弹性元件、转矩传动以及辅助密封等的所有功能，波纹管机械密封不 需要使用弹簧与辅助密封元件。其又可以分为成型金属波纹管和焊接金属波纹管两种机 械密封形式。 2 5 2 窄环刃边机械密封 动环的密封面的宽度只有0 2 0 6 m m 的刃边的密封结构是窄坏刃边机械密封，其 平衡比b = 0 - - 一0 5 。窄密封面可以切断并排除固体杂物，有效的防止固体杂物的堆积。平 衡比很小的结构能够很好地抵抗压力波动的干扰，而且能够适应很高的压力( p s = l - - 6 m p a ) ，所以窄环刃边机械密封能够很好的降低密封端面的温度，受到径向变形的影响 比较小。 2 5 3 集装式机械密封 集装式机械密封f 1 2 】仿照集装箱 的形式，把旋转和静止部分在安装前预装成一个 整体，检查并进行试压合格后套装在轴封箱内，用紧定螺钉固定在轴上，上紧压盖螺栓， 拆除集装定位片，机械密封就能够处于平行面工作状态，这样容易安装并保证安装质量， 使用时也便于整个密封的清理与检验。 普通机械密封没有轴封箱，只有再安装时先把动环部分调整定位在轴套上，然后再 8 中国油人学( 仁东) 丁程硕i ：学位论义 安装静环座最后一起装入密封腔内，试运转调试，如果不合适需要重新拆装直至正常工 作，费事费力。而集装式机械密封将轴套端盖及其他的辅助部分全部整合在一起，直接 安装在密封腔就可以使用，并可以根据需要设置冷却辅助系统的扩展接口，并调整合适 的压缩量来保证密封性能。集装式机械密封在运输以及密封性能、使用寿命上都具有很 大的优势。 2 5 4 密封面开槽机械密封 密封端面上开槽来产生流体静压效应和动压效应，又可以分为开深槽和开浅槽两种 形式。开浅槽密封主要是在密封端面上开微米级的槽型，闭合力靠动压力来平衡，使动 静环分开实现非接触密封。主要有扁平槽、阶梯槽、斜槽以及螺旋槽等或者几种槽型相 组合。开深槽密封是在端面上开毫米级的各种形式的槽，一般槽深在1 - 2 m m ，常见的 有环形槽、圆弧槽以及矩形槽。开深槽密封又包含热流体动力楔密封和热流体动压垫密 封两种。 ( 1 ) 气膜密封 气膜密封又称之为干气密封1 1 3 1 ，主要依靠微米级的气体薄膜润滑的非接触式机械密 封，其端面结构如图2 7 所示，密封端面主要由流体动压槽( 螺旋槽) 、密封堰和密封 坝组成。流体通过流体动压槽的作用形成流体膜，将动静环分开，产生动、静压承载能 力，实现对流体的密封。 动 城 静环 又见 一 干气密封的工作原理 fi97 o p e r t i n gp r i n i p l eo fd ya s e a l 密封端面旋转时，端面螺旋槽将被密封气体由外径向中心吸入，气体在 吸入过被密封堰阻挡，当达到一定的压力后，密封端面被打开，形成稳定的气体膜。 密封端隙稳定的气体膜厚一般在2一101xm之间。因此端面的间隙能够自行控制界 面开启o与外界的闭合力丘之间的平衡，保证气体膜能够保持稳定的气膜刚度，实 9 图2 - 8 气膜密封工作原理图 n 9 2 8o p e r a t i n gp r i n c i p l eo fg a sm e m b r a n es e a l 当前气膜密封技术发展很快，其比较适用于需求密封介质零逸出或者密封介质燃点 高、泵容易抽空发生干运转等场合下的密封。由于必须保证稳定的气源，并且密封端面 的开槽技术等原因都制约了干气密封的发展，但是随着科学技术的不断发展，于气密封 在泵用机械密封中的应用会越来越广泛。 ( 2 ) 液膜密封 液膜密封一般指全液膜润滑非接触式机械密封【1 4 1 ，其中上游泵送机械密封( 也可以 称为逆流泵机械密封) 为典型代表。液膜密封可以实现被密封介质的零泄漏或零逸出、 降低甚至彻底消除环境的污染，相比较与接触式机械密封其具有使用寿命长、运行维护 费用低等很多优点。 液膜密封的上游泵送机械密封类似于气膜密封，通过在端面开流体动压槽，使其在 高速旋转时产生的粘性剪切把液体泵入动静环之间，形成稳定的液膜并使液膜的压力逐 渐增加达到端面开启力将动静环分开。上游泵送密封主要依靠端面开流体动压槽把上游 高压侧泄漏到下游低压侧的流体泵送回高压侧或者将低压侧的流体介质通过密封端面 间的液膜泵送到上游高压侧来实现介质的密封。上游泵送密封属于泵出式非接触密封结 构如图2 9 。 l o q p 图2 - 9 上游泵送机械密封工作原理 f i 9 2 - 9o p e r a t i n gp r i n c i p l eo fu p s t r e a mp u m p i n gm s 上游泵送机械密封是以雷诺方程作为理论依据的，主要应用数值计算法与解析分析 法，无限窄槽理论可以分析说明上游泵送机械密封的原理和密封各参数比如端面膜压、 槽型等对密封性能的影响。 选取在密封端面内径处开螺旋槽的上游泵送机械密封为研究对象，如图2 1 0 ，其端 面膜压函数为： 石d p 一一百6 比w r “础+ 掣以a , h , r ) q 式中： g ， ，h ，) ，) = 百i 函弘可h 石2 ( 了c o 百t a 巧) ( 了1 - 万h i ) 磊( 1 - f h 虿3 而) ( 2 1 ) 螺旋槽型函数； g ：缸，日，y ，= 百i 历亏孑拿苦号害笺螺旋槽型函数； 图2 1 0 液膜密封端面结构参数 f i 9 2 - 1 0f a c es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ff l u i df i l ms e a l p 鸭+ 3 管, - - - ；? y - - 1 ( r 2 _ r 2 ) 一掣9 2x l n ( r 吒) q ( 2 - 2 ) p ，为内径处的流体压力。 由上式可以知密封端面螺旋槽堰区内径处的膜压小于槽径处的膜压，分布规律类似 二次抛物线函数。 密封坝区流体膜的压力分布函数为： p ，；p 。+ 啤l n ( 与 ( 2 - 3 ) ，巩o r 由连续性可得：p ；- p 譬，q ；q ，代入上式求解可得： p 。一堕磊丝 ( 2 - 4 ) q ；学 黼彳2 半( 名彳) 召一6 比( 1 + y ) 1 n ( 马 ， 刀晚i ，l l c 。笔l n ( 鱼) 砌i0 当p 掌 p ，时， 加集低乐佃l 右缓冲流体存存l l 可以空硼零浼m 密封 1 2 中 2 6 机械密封的性能参数 ( 1 ) 刚度 密封端面间流体膜每单位 度是密封抗条件扰动变化的能 膜刚度包括切向刚度和轴向刚 度、形状、长度以及密封环的 ( 2 ) 泄漏量 泄漏量用来描述机械密封 面的泄漏，当实际泄漏量大于 ( 3 ) 开启力 开启力是机械密封正常运 流体动压力两部分组成。 ( 4 ) 摩擦功耗 非接触式机械密封在机泵 间隙的流体产生剪切应力，间 压式机械密封消耗总功中占很 第三章一温热油泵的心用现状 第三章高温热油泵的应用现状 3 1 现场机械密封系统 广州石化高酸原油脱酸装置共有2 0 多台热油泵，均采用的接触式波纹管单端面机 械密封，在运行期间密封系统需要大量的冷却水，能耗大、成本高，密封经常失效，严 重影响正常生产。本文选定减三线泵p 1 1 3 1 的密封改造设计，其工作温度3 1 0 。c ，介质 粘度0 9 2 m m 2 s ，密度7 5 6 k g m 3 ，工作压力最高1 5 m p a ，转速2 9 7 0 r p m ，采用的是金属 波纹管接触式机械密封，结构如图3 - 1 所示，辅助系统如图3 2 所示。 自冲洗i急冷水l 图3 - 1 热油泵用单端面波纹管机械密封 f i g3 l s c h e m eo fs i n g l ef a c eb e l l o wm s 图3 - 2 辅助系统示意图 f i 9 3 - 2a c c e s s o r ys y s t e m 辅助系统选用的是自冲洗加静环背面急冷措施。自冲洗就是把泵出口增压的高温热 1 4 中国石油人学( f 仁东) t 程坝i j 学位论义 油经冷却降温后引至密封腔，对密封系统进行直接冷却降温；同时对静环背面注入冷却 水进行急冷降温，并排除泄漏物，避免泄漏物在密封部位积聚。 3 2 热油泵波纹管单端面接触式机械密封失效分析 热油泵用波纹管接触式机械密封及其辅助系统出现的密封失效主要存在以下几种 形式： ( 1 ) 波纹管断裂或失弹 波纹管在使用中尤其是在高温环境下由于应力松弛的原因往往会发生刚度或弹性 变小的失弹现象，当失弹量超过初始设计的压缩量的1 8 2 0 时就会发生泄漏造成密封 失效。同时由于介质的结晶析出或凝固致使波纹管变形能力变小或者失去变形能力引起 失弹，最终造成密封失效。 高温环境下由于温度高载荷大，很容易使波纹管断裂，也是波纹管失效的一个重要 原因，如图3 3 。 图3 - 3 波纹管断裂 f i9 3 。3 s h e a r i n go fb e l l o w ( 2 ) 摩擦副硬质合金环热裂 热油泵的工作温度很高，致使密封端面会有很高的局部热应力，而硬质合金环与环 座存在不同的线膨胀系数，在冷却辅助系统的冷却冲洗液的作用下很容易使密封端面的 硬质合金环表面出现很多径向裂纹而使密封失效，如图3 4 。 1 5 第三章高温热油泉的应用现状 图3 - 4 密封面热裂 f i 9 3 - 4 h e a tc r a c k so fs e a lf a c e ( 3 ) 摩擦副石墨环严重磨损 波纹管随着介质压力的变化其有效直径也会发生变化，当受外压时，压力越大其有 效直径就越小；当受内压时，压力越大，波纹管的有效直径越大。而波纹管的有效直径 直接影响了端面比压，当压力过大时会使摩擦副的石墨环磨损严重而发生泄漏如图3 5 。 图3 - 5 密封面磨损泄漏 f i 9 3 - 5 f a c ew e a r i n gl e a k a g ed u et od r yf r i c t i o n 3 3 现用波纹管机械密封应用的不足 通过现场生产中出现的问题，可以看出单端面波纹管接触式机械密封及辅助系统存 在很多不足： ( 1 ) 在热油泵运行中，经常发生泵抽空、误操作、流量调节等变工况操作，这会 引起工作介质压力等的剧烈变化，造成密封端面的相互冲击，致使端面损伤或加剧磨损 而使密封失效，当密封腔瞬间出现负压时，波纹管被压缩无法迅速恢复会使两端面分开 1 6 发生突发 ( 2 ) 因此无法 ( 3 ) 会使端面 化引起干 还会发生 ( 4 ) 会消耗大 成本。 ( 5 ) 变形或失 第p q 章机械密封流体分析j 计算方法 第四章机械密封流体分析与计算方法 机械密封应用越来越广泛，在各个行业中都起到了重要的作用，随着密封不断的向 高速、高温、高压发展，对于机械密封的要求也越来