（水利水电工程专业论文）机械密封试验台及密封腔流场和温度场研究.pdf

机械密封试验台及密封腔流场和温度场的研究 水利水电工程专业 研究生钟汝琳指导老师陈次昌 机械密封作为一个重要的基础件之一被广泛的应用于各种旋转设备中，它 的质量和性能直接影响并决定着设备的工作性能。为了判断设计制造的机械密 封是否符合标准，要求通过不断的试验，准确的掌握其性能参数，从而有效的 控制和改善其性能。近年来国内外许多的专家学者不断的从事这方面的研究， 希望通过对模拟实验台装嚣和测量技术的改进和提高，能得到更加准确、真实 的性能参数。 本课题针对新型高性能炼化泵用c 2 1 系列机械密封的测试要求，研究设计 机械密封试验台及其辅助系统，以供对各类要求试验的密封的参数进行测试： 并且运用f l u e n t 软件对密封腔内流场的温度和压力进行数值模拟计算。该计算 以n s 方程为基础，采用现实彭一s 双方程的湍流模型，对密封运转稳定状态 下，密封环温度场及密封腔内流场的温度、压力分布进行了分析计算，为选择 测试用传感器安放位雹提供了有利的依掘，同时也是为寻求一种更加方便快捷 的测试方法作出的一种尝试。 分析计算的结果与试验测试结果对比虽然存在一定的误差，误差在 6 1 7 5 之间，这表明数值模拟可以对难以观察的场内变化进行可视化计算， 同时也说明在数值模拟计算的方法和计算条件的设置上仍然芾要进行进一步的 研究和改进，以达到更加准确的结果。 关键词：机械密封测试系统数值模拟温度场流场分析 t h er e s e a r c hf o rm e c h a n i c a ls e a l st e s t b e da n dt h e f l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l di nc a v i t y m a j o r ：w a t e rc o n s e r v a n c ya n dh y d m p o w e re n g i n e e r i n g m d c a n d i d a t e ：z h o n gr u l i n a d v i s o r ：c h e nc i c h a n g a so n eo fa ni m p o r t a n tf u n d a m e n t a lp a r t t i l em e c h a n i c a ls e a l sh a sb e e n e x t e n s i v e l ya p p l i e di nv a r i o u sr e v o l v ei nt h ee q u i p m e n t s ，i t sq u a n t i t ya n df u n c t i o n s a f f e c ta n dd e c i d et h ew o r kf u n c t i o no ft h ee q u i p m e n t sd i r e c t l y f o rt h es a k eo f j u d g m e n tw h e t h e rt h ed e s i g ni su pt os t a n d a r d ，w ea r er e q u e s t e dt op a s s c o n t i n u o u s l yo nt r i a l ，a n dc o n t r o li t sf u n c t i o np a r a m e t e ra c c u r a t e l y , t h u sv a l i d c o n t r o la n di m p r o v ei t sf u n c t i o n i nr e c e n ty e a r sd o m e s t i cm a di n t e r n a t i o n a lm a n y e x p e r t sa r ee n g a g i n gi nt h er e s e a r c ho ft h i sa s p e c t h o p i n gt op a s st oi m p r o v e t e s t r b e dd e x ，i c ea n dm e a s u r et e c h n i q u e ，c a l lg e tm o r ea c c u r a t ea n dm o r ea u t h e n t i c f u n c t i o np a r a m e t e r t h et o p i ca i m sa tt l l et e s tr e q u e s to fc 21s e r i e sm e c h a n i c a ls e a lo ft h en e w h i g h p o w e r e dp u m pf o rs m e l t i n g r e s e a r c ha n dd e s i g ns e a l st e s t b e da n di t s a u x i l i a r ys y s t e m ，w i t hb e i n gp r o v i d e df o rt e s t i n gt h er e q u e s t e dp a r a m e t e r s a n dw e m a k eu s eo ff l u e n tt oc a r r yo nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e i nf l o wf i e l do fm e c h a n i c a ls e a tc a v i t y b a s e d0 1 1n a v i e r - s t o k g se q u a t i o n sa n dt h e r e a l i z a b l e 一占m o d e li sa p p l i e dt oc a l c u l a t et h ec h a n g ei nt e m p e r a t u r ef i e l do f m e c h a n i c a ls e a lr i n ga n dt h ed i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ei nt h ef l o w f i e l dw h e nm e c h a n i c a ls e a li sw o r k i n go r d e ni tp r o v e sb e n e f i c i a lf o u n d a t i o nf o r c h o o s i n gt h ep o s i t i o no fs e n s o re m p l a c e d c o m p a r i n gt h ec a l c u l a t e dr e s u l t sw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ee r r o rm a r g i ni s e x i s t e n c e a n di ti sr a n g e 6 t o17 5 i ts h o w st h a tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a n c a r r yo u tt h ev i s u a lc a l c u l a t i o nf o rt h ei n v i s i b l ec h a n g ei nt h ef l o wf i e l d ，a n ds h o w s t h a tt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n + m e t h o da n dt h ec o n d i t i o n a ls e t t i n gs t i l ln e e dt oc a r r y o nt h ef u r t h e rr e s e a r c ha n di m p r o v e m e n t s t oa t t a i nt h em o r ea c c u r a t er e s u l t k e yw o r d s ： m e c h a n i c a ls e a l ，t e s t i n gs y s t e m ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， t e m p e r a t u r ef i e l d ，f l o wf i e l da n a l y s i s 阿华人学硕十学位论文 1 综述 1 1 课题来源及名称 1 。1 1 课题来源 四川i 省机械研究设计密封技术研究所 ( 现四川f i 机密封件有限公司) 1 1 2 课题名称 机械密封试验台及密封腔流场和温度场的研究 1 2 国内外研究现状及技术发展趋势m z o l 机械密封是一种先进的动密封产品，是机械设备防止泄漏、节约能源，控 制环境污染的重要功能基础件，它靠介质压力及弹簧力，利用一对光滑平直并 存有流体膜的表面达到密封效果。与填料密封相比，具有密封效果好，不磨损 转轴，使用寿命长，消耗功率小等优点，在动密封部位采用得比较多。特别适 用于一些工作环境比较恶劣的场合，如高速、高温、高压、低温、有毒、真空、 腐蚀性、易燃易爆等。机械密封技术直接影响配套主机产品的质量和运行可靠 性，是制约石化重大装备实现国产化的重要因素之一。机械密封件与所有密封 件的构成比例，在较大程度上反映了一个国家石化通用机械行业生产技术水平 的高低。据代表我国当代工业最新水平的石化行业统计8 0 9 0 的离心泵是采 用机械密封。工业发达的国家里，在旋转机械的密封装置中，机械密封的用量 占全部密封使用量的9 0 9 6 以上。 在国外，1 9 世纪初就出现了简单的机械密封，但是真正得到大发展，还是 最近半个世纪的事情，机械密封的不同结构、品种、规格发展得异常迅速，很 快地在石油化工、食品、医药、染料、轻工、酿造业中得到了广泛应用。我国 的机械密封生产开始予2 0 世纪6 0 年代，最早的是沈阳水泵厂及天津机械密封 件厂开始生产泵用机械密封，主要应用在水泵一j e 。目前，我国工业迅速发展促 使我国机械密封生产技术有了很大的进步，除了通用结构的机械密封产品外， 对在高速工况下应用的螺旋槽型干式气体密封，也能生产并应用到工业生产中 第1 页共6 4 页 荫华人学硕+ 学位论文 去。现在，国内主要生产的机械密封品种，按使用设备分有通用水泵用机械密 封、轻型泵用机械密封、热油泵用机械密封、耐酸泵用机械密封、碱泵用机械 密封、热水泵用机械密封等几十种；从机械密封的结构来讲，包括了单端面机 械密封、双端面机械密封，径向双端面机械密封、弹簧型机械密封、焊接余属 波纹管型机械密封、液压波纹管型机械密封、聚四氟乙烯波纹管型机械密封、 橡胶波纹管型机械密封、干性气体密封等。 但从机械密封各项指标适用压力、适用温度、p v 值、泄漏量、寿命和 功耗综合分析，我国机械密封产品在约8 0 余个可供选择的定型产品中，7 0 属 于六七十年代水平。其适用工况范围狭窄且普遍存在使用寿命短和可靠性差 的问题。仅有几个引进软件或合资生产企业的部分产品具有8 0 年代水平，大约 占我国机械密封产品品种的2 0 ，这其中包括：沈阳水泵厂机城密封分厂从德 国b u r g m a n n 公司引进生产的h s h f 型等锅炉给水泵机械密封：上海水泵厂密封 分厂从美国s e a l o l 公司引进生产的6 0 5 型等金属波纹管型机械密封；上海水泵 厂密封分厂从s e a l o l 公司引进生产的5 0 0 ，1 5 0 0 型及天津克兰密封有限公司( 现 同英国c r a n e 密封公司合资生产) 生产的5 9 k 型等符合i s 0 3 0 6 9 及d i n 2 4 6 9 0 标 准的机械密封产品。 目前，我国机械密封行业生产能力在2 0 0 万套左右。其中不符合i s o 标准 的j b 4 7 2 7 j 泵用密封系列标准产品和h g 5 7 4 8 7 j 6 7 8 釜用机械密封系列 标准产品是长线产品，两石化等行业急需的尚未完全开发成熟的高低温密封、 高压密封、高速密封、耐腐蚀密封、耐磨粒密封及符合i s o 标准的密封产品是 短线产品。据最新统计资料表明，普通中型机械密封的产值占总产值的8 0 ， 产量占1 0 ；轻小型机械密封的产值占1 7 6 ，产量占8 7 6 ，重型机械密封产 值占2 4 ，产量百分数很小。这不但使得我国机械密封出口量很小，而且在化 工和炼油用重、中型机械密封的使用上还要依靠大量进口。国内现每年尚需进 口 0 0 0 万美元以上的机械密封，因密封达不到要求而进口的主机费用更是高达 1 0 亿美元以上。造成这一现象主要是由以下几个原因： ( 1 ) 基础研究工作薄弱。出于经费有限，国内在机械密封的理论研究方面 很薄弱，仅在有限的几所大学( 如北京石油大学、北京化工大学、华东理：e 大学 等) 丌展了研究课题，培养硕士、博士研究生，进行专题研究。相比国外机械密 第2 页共6 4 页 两华人学硕十学停论文 封制造企业拨出专项资金、设立研究所或与大学长年合作的方式，不断就新工 艺、新材料、新结构进行研究。另外，我国机械密封技术人员参加国际上的流 体密封学术会议人员少、论文少、申报机械密封专利数量与国外相比也少，超 前丌发意识薄弱。 ( 2 ) 机械密封制造企业加工装备落后。机械密封的制造工艺大部分是机 械加工，国外机械密封制造企业生产规模大、品种多，主要采用机加中心及数 控车床进行加工。即便使用普通车床，也采用了先进的工卡装备，如六爪卡盘、 液压装卡工装等；虽然公差范围较宽，但公差控制却很严格，从而保证了零部 件批量加工精度。而国内绝大部分是通用的普通车床，完全由手工操作，人工 控制加工精度。很难达到批量稳定的加工精度要求。机械密封的专用加工设备、 专用检测设备，国内各企业普遍存在精度差、j 陛能低的问题，如橡胶波纹管机 械密封专用加工设备国内还没有。内孔测量问题，国内通常多用杠杆千分表， 而国外却采用了三点式干分表、圆度测量仪，表面粗糙度普遍采用接触式测量 仪等，而国内很少采用，这就很难傈证机械密封的整体质量。 ( 3 ) 机械密封用材料性能差距大。机械密封用材料主要指摩擦副材料、 辅助密封圈材料，还有焊接金属波纹管波片材料等。随着对外商务接触及技术 交流，国内不少企业直接或问接将产品送到国外机械密封公司进行材料检测， 包括了硬质合令、石墨、碳化硅、氧化铝、锥形密封用热压铸钢等。从检测报 告看，普遍存在性能不稳定，与国外差距大，品种舰格少，国外同一种材料有 多种牌号。如汽车冷却水泵密封用摩擦副材料，国外根据不同地区使用的汽车 冷却水情况不同、软水剂不同、汽车型号不同等选择不同的摩擦副牌号及组对。 有些材料如凯尔全氟橡胶，我们国家还不能批量生产，有些材料虽研究出来了， 虽批量生产，但性能不稳定。目前出口的密封件大部分仅能在非关键、普通工 况下使用的密封为主。 目前，从发展趋势来看，在今后几年中，随着化肥、石化和电站等一批大 型现代化工业装置的引进和建设，重型机械密封产品的需求量将增加；同时随 着大量小型电器进入各行各业和普通家庭，小型机械密封的需求量也将显著增 加。机械密封会向低泄漏、长寿命、使用方便方向发展。主机要求机械密封要 有良好的运行性能和运行可靠性；一般机械密封的泄漏量在3 m l h 以下，使用 第3 页共6 4 页 坩华人学硕十学傅论文 寿命在1 2 0 0 0 h 左右。其中，重型机械密封向技术难度高、性能可控、充分利用 流体润滑原理和结构的方向发展。预计，重型机械密封使用介质的压力可以达 到3 0 m p a ( 主机出口压力) ，最高使用温度可以达到6 0 0 ，低温可以达到一2 0 3 ，速度可以达到1 5 0 m s 。螺旋槽式端面密封、热流体动压式结构密封及采用 流体动力槽和浮动导流机构的密封等一批先进的机械密封新结构将会得到应用 并显示其优越性。通过实施行业“八五”科技发展规划，重型机械密封的运行 可靠性、性能可控性会进一步地得到提高。轻小型机械密封向简单、性能优良 的方向发展。有的甚至可取消弹簧和金属件，这种密封用于低参数场合，可以 大大降低成本，同时又能满足主机需要。 机械密封产品会设计得逐渐趋向合理，安装拆卸会更加方便，机械密封的 系列范围会不断扩大。在结构上会逐渐更新，一般中型机械密封可能会向两个 不同方向发展，值得引起密封行业的注意。一是中等轴径的中型密封会逐渐靠 向国际标准型，这种密封符合i s o 标准，能和按i s o 标准制造的主机配套，便 于打入国际市场，有一定的国际竞争力。但按i s o 标准，主机装密封处的径向 和轴向尺寸窄小，从而导致机械密封尺寸窄小，密封性能不是很完美。用于中 等轴径的密封，经过设计者努力，会有所进展，而大轴径、小轴径机械密封采 用i s o 标准会比较困难。二是大轴径、小轴径的机械密封会逐渐向宽型、集装 型发展，这种见解是美国石油学会( a p i ) 最先提出的，其主要设想是加宽填料函 尺寸、提高密封性能，便于实施集装化，以避免由于装配误差而造成的故障； 便于采取冷却、循环冲洗等措施。所以我国机械密封产品在靠拢国际标准的同 时还应密切研究a p i 方面的动向。 在机械密封材料应用方面，积极引用材料行业发展的新成果。在耐腐蚀金 属材料方面，应用耐腐蚀硬质合金、钛合会、哈氏合金、钽、锆和卡膨特等等。 在高性能碳石墨材料方面，采用加压炭化法生产高钝，高强、高密制品。不易 脆裂而同时又保持碳的摩擦学特性的碳纤维复合材料会有进一步应用。碳化硅、 氮化硅，由于其优越的耐磨耐蚀及抗热震性，预计会得到广泛应用。机械密封 辅助橡胶件会采用涂覆聚四氟乙烯和包覆聚四氟乙烯技术，以提高辅助橡胶密 封件的可靠性。 密封系统产品的研究和丌发逐步成熟，在恶劣工况下，密封系统得到一定 第4 页共6 4 页 拍华人学硕十学位论文 的应用。利用密封系统，对密封件工作环境的工况参数进行可控调节，大幅度 改善密封件工作条件，确保密封j 工作的稳定性和可靠性，减少密封故障和消耗， 延长寿命和主机维修周期。 1 3 研究的意义和目的 随着环境保护和人类健康要求的提高对泵的泄漏要求也不断提高。由于 机械密封泄漏量 t d , ，因此广泛应用于化工、石化行业。a p i6 8 2 离心泵、转 子泵用轴封系统( s h a f ts e a l i n gs y s t e m sf o rc e n t r i f u g a la n dr o t a r yp u m p s ) 是美国石油协会1 9 9 4 年1 0 月发布的石油、化工类泵用机械密封的最新标准， a p l 6 8 2 不但能被符合a p l 6 1 0 的离心泵或符合a p l 6 7 6 的转子泵所引用，而且也 能被其它转动设备所引用。本文所研究的新型高性能炼化泵用c 2 1 系列机械密 封就是严格按照a p l 6 8 2 标准来设计制造的，在密封设计( s e a ld e s i g n ) ；材料 ( m a t e r i a l s ) ；辅助设备( a c c e s s o r i e s ) ；仪表( i n s t r u m e n t s ) ；检验测试和装运前 的准备( i n s p e c t i o n ，t e s ta n dp r e p a r a t i o nf o rs h i p m e n t ) 以及制造厂数据 ( m a n u f a c t u r e r sd a t a ) 方面都提出了具体明确的要求。采用a p l 6 2 8 标准的密封在 满足环保机构对泄漏量规定的条件下，连续运转周期最少为3 年。而且，a p l 6 8 2 标准精简密封种类，提供了一套选择方案最少的密封选型程序，统一了机械密 封设计思想，保证了选用密封的可靠，并且可以降低库存及维修费用。 但由于符合a p l 6 8 2 标准的机械密封在浮动环装有节流衬套的一体型结构、 材料等级提高、实施水压、气压泄漏试验和a p l 6 8 2 标谁认定试验这几个方面大 大增加了成本，特别是认定试验所需的设备投资巨大。在r 本，由于有高压气 体管理法规，为此而付出的设备投资大约相当于建造一座小型工厂。所以世界 上也仅有少数制造厂的某几种型号的密封进行了认定试验。本课题就针对这一 闯题进行开发研究，在现有的或可以直接赂买豹低成本设备基础上，对其结构 进行调整设计，通过安装高精度传感器测定实验数据并由计算机自动采集和处 理数据，组建一套既能满足a p l 6 8 2 认定试验要求又能降低成本的智能化密封测 试系统。同时利用f l u e n t 软件对其密封腔进行数值模拟，分析计算腔内流场及 密封环温度场，了解运转过程中场内温度和压力分布情况，为寻求一种更直观、 更简捷的方法测试密封性能参数提供了依据。 第5 页共6 4 页 陌华人学硕十学位论文 2 密封测试系统的设计 2 1 机械密封装置及密封系统的设计要求 机械密封系统包括： ( 1 ) 密封装置单密封、双密封、多密封或组合密封、抑制密封 ( 2 ) 密封材料 ( 3 ) 密封箱 ( 4 ) 辅助装置循环装置、冷却一加热装置 ( 5 ) 配管方案 ( 6 ) 匹配附件一轴套和压盖 新型高性能炼化泵用c 2 1 系列机械密封及辅助系统丌发研究也将 按照a p l 6 8 2 的要求设计以上内容。( 在a p l 6 8 2 附录中介绍了推荐的密封选用程 序。) 2 ，1 】h p l 6 8 2 标准的适用范围 a p l 6 8 2 专门工作组成员们在制订标准的准则时确定其包括范围如下： ( 1 ) 温度：一4 0 一2 6 0 ： ( 2 ) 压力：o 3 4 5 b a r ； ( 3 ) 轴径：2 0 1 2 0 m m 。 2 1 2a p l 6 8 2 的密封型式和配置 ( 1 ) 所有的标准型机械密封均应为集装式设计 这里需要特别指出的是：钩式轴套型集装式结构，a p l 6 8 2 不看作是集装式 密封，集装式密封应是无需挪动电机就能装拆的密封。 ( 2 ) 标准型机械密封型式 标准型的机械密封型式仅为滑动式多弹簧密封、旋转型波纹管密封和高温 静止型波纹管密封三种。 a 型滑动式多弹簧( 推环型) 密封； 第6 页共6 4 页 西华人学硕1 + 学位论文 其配对密封面为烧结碳化硅对优质浸渍石墨，0 型圈为氟橡胶( 当运行温度 或化学相容性不允许使用氟橡胶时，应用f f k m 合成橡胶) ，弹簧为哈氏合会c ， 其余部件( 如轴套、压盖、限位器等) 为3 1 6 不锈钢。压盖内需设置一个优质石 墨制成的节流衬环。 b 型低温旋转( 焊接金属波纹管) 型波纹管密封； 其配对密封面为烧结碳化硅对优质浸渍石墨，0 型圈为氟橡胶( 当运行温度 或化学相容性不允许使用氟橡胶时，应用f f k m 合成橡胶) ，波纹管为哈氏合金 c ，其余部件( 如轴套、压盖等) 为3 1 6 不锈钢。压盖内需设置一个优质石墨制成 的节流衬环。 c 型高温静止型波纹管密封； 其配对密封面为烧结碳化硅对优质浸渍石墨，0 型圈为柔性石墨，波纹管 为i n c o n e l7 1 8 ( 一种高等级的n i - - o r 合会) ，其余部件( 如轴套、压盖等) 为 3 1 6 不锈钢。压盖内需设置个优质石墨制成的节流衬环和一个青铜制成的防 结焦档圈。 对含颗粒介质的密封，配对密封面均需用硬材料，动环应是抗粘合的碳化 硅，静环应是镍粘合剂的碳化钨。 ( 3 ) 密封配置 密封配置有三种：单端面密封；无压双重密封；有压双重密封。其中无压 双重密封相当于原来的串联密封，有压双重密封相当于原来蛉双端面机械密封。 2 1 3 几何公差和配合要求 ( 1 ) 密封压盖和密封室应准确对中 为使密封压盖正确对中，压盖与密封室内外止口的同心度应1 2 5 m 。密 封室内表面由于腐蚀或磨蚀，或密封室外凸缘由于长期使用而损坏，都会使压 盖的对中不佳，导致密封面的磨损加剧，间隙加大，产生泄漏。 ( 2 ) 轴和轴套的间隙配合采用6 7 h 6 轴套和轴的间隙配合采用g t h 6 ，以便于转拆，同时达到要求的径向跳动 控制量。如果使用紧定螺钉，通常的安装方式会使密封轴套略微不对中，使密 第7 页共“页 州华人学硕叶学伊论文 封面磨损，产生泄漏。 注：g 7 h 6 配合，依据直径的不同，其名义间隙为2 j 7 5 n l 。 ( 3 ) 密封室的端面跳动量每2 0 m m 密封腔孔径不应超过1 0 m 。 如果超出此限，将由密封端面来承受轴每次转动带来的过量的跳动。 2 9 0 0 r m in 下，每天轴转动4 2 0 力- 转，也将有4 2 0 万次过量跳动，这将损坏轴 和驱动机构，同时造成密封面磨损，产生泄漏。 2 1 4 辅助设备设计及其配套的选择 改善密封环境必须同时注意密封设计和辅助设备设计。a p l 6 8 2 对储液箱、 旋风分离器、管线、仪表的设计、制造、使用均提出了许多要求。例如，密封 冲沈液冷却器应设计成工艺流体和冷却剂两侧都能完全被排放掉。密封冲沈流 体在管程侧，管子最小直径为3 4 i n ( 1 9 o l m m ) 。 密封储液箱( 对于多密封布置) 作为管系的一部分考虑，并使设计能满足 a n s i b 3 3 的要求。储液箱用4 0 号3 1 6 l 不锈钢做成，其中带1 2 i n ( 1 2 7m m ) 冷却盘管。a p l 6 8 2 规定储液箱最小储液量为2 0 升。对冲洗方案p 1 a n5 2 ( 使用 一个能放气的外部储液箱，向无压双重密封装置提供缓冲液) 和冲洗方案p l a n 5 3 ( 使用一个有压的外部储液箱，向有压双重密封装置提供隔离液) 而言，加大 储液箱容积有助于降低液体温度，并有助于延长液体保存时间。 对大的储液箱应采用外部支架来承受储液箱重量。此外为符合当地压力容 器设计规范，有时需对储液箱设计作一些必要的修改。 另外，在冲洗方案p l a n 3 1 中，循环液从泵吐出口经过孔板( 在必要时) 到旋 j x l 分离器，分离器将清洁液送入单端面密封或无压双重密封的密封腔，固体物 送回到泵的吸入管。 旋风分离器在最佳的压力和流量下，能将粒径大于2 j m 的固体颗粒分离 9 0 。实际应用时，旋胍分离器一般用于分离粒度大于9 d m 的场合。使用旋风 分离器应注意颗粒的密度和尺寸，如果超出分离器允许的范围，颗粒将进入密 第8 页共6 4 页 两华大学硕士学位论文 封腔并损坏石墨环( 组对密封面为石墨对碳化硅) 。此外还应注意管线和压差控 制，这样才能获得满意的分离效果。 如果做不到上述几点，那最好选用硬对硬密封面，以免旋风分离器的不恰 当操作影响密封寿命。 2 1 5 试验要求 性能预计和证明性试验成为a p l 6 8 2 的个非常重要的章节。需要以下几种 试验： 质量鉴定试验 质量鉴定试验的目的悬检验指定是否满足a p l 6 8 2 标准。试验时间 至少1 0 0 小时再加5 次开、停车。试验安排有最大振摆和最大允差等内容。2 i n ( 5 0 8 眦) 和4 i n ( t 0 1 6 r a m ) 两种轴径密封用推荐的密封面材料，在3 6 0 0 r m i n 下试验。 对于密封设计质量鉴定试验，没有合格和或不合格，但试验结果必须为用 户可以采用，评定密封设计非常使用。 对整套集装装蜃迸行试验 四种试验流体；水、丙烷、2 0 n a o l _ j 溶液和矿物油被用来代表七种 用途( 水、酸性永、碱类或贫胺液以及其它结晶表面、酸类、非闪蒸烃类、闪 蒸烃类、富胺液l 矿物油为白油，在高达3 1 5 时稳定工作。每种试验流体的 合格试验包括三个阶段： 1 运转试验：按照表2 - 1 的参数，在基准点条件下，恒定的温度、 压力( 高于饱和蒸汽压o 3 5 m p a ) 和速度( 3 6 0 0 r p m ) 下至少进行运转试验1 0 0 小时。 2静压试验：0 转速在基准点条件下至少保持4 小时。 3 周期性试验： a ) 密封在基准点压力和温度下以3 6 0 0 r p m 的转速运行，直到运行平稳。 b ) 降低压力使密封腔所有流体蒸发，或对非闪蒸流体将压力降至零。 c ) 将密封腔内的流体温度降至最低试验温度。 d ) 将流体温度升至最高试验温度。对矿物油试验来说，再将流体压力升至规 第9 页共“页 西华大学硕七学位论文 定的最大压力。 e ) 密封冲沈系统关闭分钟 f ) 停车至少1 0 分钟。 i 表2 - 1密封试验参数 t a b l e 2 - lt h ee x p e r i m e n tp a r a m e t e ro f s e a ls 双密封阻塞台格试验条件 试验流体缓冲试验流基准点 周期性试验 体压力m p a温度压力m p a 温度 水乙二醇水 0 48 0 0 1 - 0 42 0 8 0 丙烷柴油 1 83 01 1 - 1 73 0 2 0 n a o h 乙二醇水 o 82 00 1 0 82 0 - 8 0 矿物油柴油0 82 00 1 - 1 72 0 - 9 0 矿物油矿物油 0 。8 2 6 00 1 - 1 71 5 q - 2 6 0 4 记录试验结果。 5温度和压力实测值应代表密封腔内大部分流体。 6使用有机物蒸汽分析仪，测量挥发性有机物试验流体的泄漏浓度。 静液压试验 对密封腔、密封压盖、储液箱、换热器等承压件应进行水压试验，试验压 力至少为额定最大压力的1 5 倍。但不低于o 1 4m p a 。 气密性试验 对单端面密封，双重密封的第一个密封腔需进行奢力为0 1 7 2m p a g ( 2 5 p s i g ) 的气密性试验，并达到5 分钟内压力下降小于1 3 8k p a g ( 2 p s i ) 标准。 2 2 密封性能测试装置的设计 近年来，机械密封的理论研究虽然已经有了很大的进展，但由于其结构和 工况千差万别，至今还没有形成一个完整的理论体系。各家对密封机理的分析 第1 0 页共6 4 页 西华大学硕士学位论文 理解还很不一致，密封的设计在很大程度上还依赖于经验，至少是半经验半理 论的，因而密封的试验研究就显得十分必要了。另一方面，尽管密封是整个机 器中相当小的部件，但由于工作条件最恶劣，其工作寿命和可靠性一般比易损 件轴承还要低，因而密封的试验就显得尤为重要。 根据试验条件，试验分为现场试验和模拟试验两大类。现场试验优点在于 符合实际情况，能鉴定在一定工况条件下新产品的各项性能指标，特别是使用 寿命。但缺乏灵活性、系统性，受现场安装、维护及主机操作等工艺条件因素 的影响大。试验的准确性和数据的完整性不易保证。且型式试验规定的全部参 数范围不可能在现场试验中得出。对于参数较高的密封，直接进行现场试验风 险较大。在实验室模拟其工作条件进行试验却可避免这些缺点，不过模拟试验 不可能完全符合其工作条件，而且从人力、费用方面考虑，不可能长时间的进 行试验与考核。可见，两者各有弊病，可以互相补充。 密封的型式试验通常模拟密封的基本工作条件，并测量几个主要的性能参 数。模拟密封的基本工作条件包括：安装轴和腔体的尺寸，如内径d ，外径d 和长度l 等；工作介质的种类；一密封流体的压力p ；密封流体的温度t ：密封 轴的转速n 。其模拟介质可根据情况，分别为油、水、气三类。测定主要密封 性能参数包括，泄漏量q 、磨损量和密封的功耗( 或总扭矩) 、密封静压、流量、 端面温度、端面流体膜厚度及温升等。并观察有关零件的磨损形态及变形。 2 2 1 机械密封的测量技术 2 3 , 3 3 】 1 转速的测量 采用交流异步电机直接拖动的试验台，其转速基本上是恒定的，一般可以 不测转速，但采用变速电机拖动的试验台则必须测量转速。常用测量仪有转矩 转速测量仪、电磁式转速表和光电式转速表。这些转速测量仪表都可把主轴转 速转换成电信号以利于计算机采集与处理。对于转速特别重要的高速试验台( 例 如高p v 值密封试验台) 为安全可靠起见，往往采用二种转速表同时测量。 2 介质压力的测量 在采用外加泵使密封流体循环和增压的试验台中，一般均直接测量密封腔 第1 1 页共6 4 员 茴华大学硕士学位论文 的平均压力，而在采用自循环泵的试验台中、则必须测量密封腔的进、出口压 力，以便了解自循环泵与管网阻力的特性。在后一种情况下压力表的精度应适 当高些，以提高压差计算精度。试验密封腔内介质压力的测量多采用指针式压 力表，其构造简单、价廉、尺寸小、工作可靠、量程宽、精度也较高，但需人 工读数和记录，目测误差较大，且无法传输采集。为便于计算机采集与处理， 近年来不少试验装置采用压力传感器将压力信号转变为电信号再经放大、a d 转换，最后由计算机存贮和处理。 3 温度的测量 密封腔进、出口流体温度的测量：为了了解密封的发热情况，应尽可能提 高精度，因此，一般采用远传式热电阻温度计和0 1 分度的直读式玻璃棒温度 计，这是因为在一般情况下进、出口温差很小，如果仪表精度不够则温差的计 算精度太低。此外，亦可采用了双金属温度表测量介质温度。孙见君等采用美 国d a l l a s 公司生产的单线数字式温度传感器d s l 8 2 0 ，将温度信号直接转换成串 行数字信号供计算机采集与处理。 4 流量的测量 当密封流体为水时，可推荐采用直读或远传式转子流量计；当密封流体为 油时可推荐采用涡轮式流量计。 5 泄漏量的测量 当密封流体为液体时，采用规定时间内收集的泄漏液体的体积或重量来测 量泄漏量。目前多数试验装置均采用量杯测量泄漏量，目测误差较大且无法传 输采集。电子天平或称重传感器测量泄漏量精度较高，且便于计算机采集与处 理。静压气密性试验时，可以根据气体状态方程通过单位时间内压力的变化来 计算泄漏量。如果进行气膜密封的运转试验，则可用微型气体流量计或“排水 取气法”来测量泄漏量。 6 密封功耗的测量 机械密封功耗的测量有三种方法。第一种是测量电功率。事先标定试验装 置本身的空载功率，然后由密封运转时的总功率减去空载功率即为密封功率。 第二种通过测量转矩m 和转速n 、角速度，利用公式n = 坳来计算功率。 同样，计算中应减去试验装置的空载转动力矩。第三种是热平衡法，即通过测 第1 2 页共6 4 页 西华大学硕士学位论文 量密封流体的循环流量q 和进出口温差t 来计算功耗：n = c q t ，其中c 为密 封流体的比热容。上述三种方法测出的密封功耗既包括端面的摩擦功耗又包括 旋转件的搅拌功耗。李鲲等对机械密封的总功率消耗和搅拌功率进行了试验研 究，结果表明，高转速下密封搅拌功率约占总消耗功率的l 3 左右，在低压情 况下甚至更多。 7 磨损最的澳幔 通常用千分尺测量密封环试验前后的长度之差来测量其磨损量。同样，也 可以用光学测长仪来测量。如果磨损量很小，可以用表面轮廓仪( 泰勒仪) 来测 量摩擦副中较宽端面的磨损量。对于窄环端面，由于磨损后原来的基准面已不 复存在，一般说来不能直接用该法测量，而用“划痕法”或“比较法”来测量； 在不影响泄漏的前提下，在窄环端面上沿周向划2 4 个很浅的划痕。一般在5 1 0 m 左右。用泰勒仪测量试验前后的划痕深度即可测出微量磨损。 8 特殊性能参数的测量啡1 8 - 1 端面温度的测量 机械密封端面温度的测量方法主要有热电阻法、热电偶法和红外测量法等。 热电阻温度传感器测量精度高、响应速度快，因而在铡重端砸温度时能直观地 反映密封面的摩擦发热情况。但是它的体积大、线性差、老化快、对环境温度 敏感性大，难以多点测量。用于测量流体润滑状态下的机械密封端面温度时， 效果较好，在混合摩擦状态下，测试数据稳定性较差。熟电偶温度传感器可以 做得很小，因而可方便地埋设于密封环内，且便于多点测量。该类传感器的最 显著特点是测试精度高、相对稳定性好，但是响应速度不如热电阻温度传感器。 红外测温法是利用红外光谱进行测温的一种方法，能实现端面温度的连续、实 时测试，其主要缺点是红外热像仪价格昂贵，因而难以推广使用。 8 - 2 端面摩擦扭矩的测量 机械密封端面摩擦扭矩的测量目前主要采用的是支反力法和传递法。但前 者测量精度受密封腔旋转支承的摩擦影响。采用传递法测量扭矩的仪器小巧轻 便，扭矩传感器可以直接串接到传动系统中，而无须改变机械系统结构，因而 第1 3 页共6 4 页 西华大学硕士学位论文 测量结果真实。 8 3 连续旋转状态下摩擦面磨损量的测量 机械密封摩擦副的磨损是影响机械密封正常工作寿命的重要原因。通常采 用的拆卸密封摩擦副测量累计磨损量的方法，会破坏摩擦副的摩擦和配合状态， 使变工况磨损量的测试产生较大的误差。因此，不拆卸摩擦副甚至于连续动态 测试磨损量将是研究机械密封磨损过程的理想方法。采用电阻磨损测试法，在 不拆卸摩擦副的情况下测试了不同工况条件下密封环的磨损变化量。其测试原 理是在密封环摩擦端面下嵌入电阻率一定的条形薄电阻片并加以绝缘，摩擦副 工作时，电阻片与摩擦端面一起磨损，电阻片截面积受磨损而减小，引起电阻 值增加。测出电阻变化值便可推算出密封端面的磨损量。 8 - 4 端面流体膜厚的测量 机械密封端面流体膜厚表征了摩擦副的摩擦润滑状态。流体膜厚测量实质 上是位移和振幅测量，目前常用的测量方法有电涡流法和电容法。 电涡流法采用的是一种电感传感器一电涡流传感器，该类传感器具有线性范 围大、灵敏度高、结构简单、可以实现非接触测量等优点，特别是传感器不受 其前流体的影响，比较适合端面流体膜厚的测量。 电容法具有简单易行，灵敏度高，输出线性和热稳定好的特点，但是寄生 电容以及介质介电常数的变化对测量结果将产生不可忽略的影响。特别是常用 动环接地的引线方式受试验装置中轴承流体膜的影响，轴承流体膜厚度的变化 有可能将密封端面流体膜厚的测量结果完全掩盖。李宝彦等采用电容法测量膜 厚，动环引线采用了集流环方式，以消除轴承中流体膜变化带来的影响，同时 测量了动态下寄生电容和介质的介电常数，并对测量结果进行了修正，从而提 高了精确度和可信度。 8 5 端面流体膜压分布的测量 对接触式机械密封而言，端面膜压不仅表征液膜承载能力的大小，而且决 定了端面润滑状态与密封性能。对端面膜压的研究，可为进一步认识机械密封 的密封机理。张家犀等将三个微型压阻式传感器沿静环周向均布安装于三处不 同的径向位置，对端面膜压进行了测量。宋鹏云、张继革等采用在静环上钻通 孔的办法，将流体引至压力传感器，对端面膜压进行了测量。j d i g a r d 在静环 第1 4 页共6 4 页 茴华大学硕士学位论文 上设置个直径为1 6 m m 的微型传感器，以测量端面膜压，静环及其支承可相 对于动环作径向移动，以便测量沿径向宽度的膜压分布。 8 - 6 连续运转状态下弹簧比压的测量 弹簧比压对端面摩擦扭矩和泄漏率有较大的影响，控制好弹簧比压，可使 机械密封在允许泄漏率下保持较长的使用寿命。弹簧比压的测量可通过两种方 法实现：一是静环座设计成一个力传感器，可测得机械密封总的闭合力，减去 介质压力所产生的闭合力即可得到弹簧力；二是采用位移传感器测出机械密封 弹性元件的压缩量，再乘以事先测得的弹性常数便可得出弹簧力。用弹簧力除 以密封环面积便可求得弹簧比压。 8 7 静止补偿环对旋转非补偿环追随性的测量 当机械密封存在跳动、振动和转轴串动时，补偿环对于非补偿环保持贴合 的性能称为机械密封的追随性。如果追随性不良，密封端面将会分离从而导致 较大的泄漏。王春扬等研究了机械密封对其主轴轴向串动的追随性。主轴通过 油压控制可产生轴向位移，以便测量静环对动环的追随性。j d i g a r d 通过等 距固定在面对动环台肩支座上的3 个近测探头测量静环的位移，研究静环对动 环的追随性。试验结果表明，动环和静环的端面均保持接触，静环的偏斜正好 能对轴向位置的每一个角度以相同幅度追随动环的偏摆，且静环的轴向位移随 轴旋转频率呈周期性变化。 8 8 静止状态下密封环变形的测量 由于密封环的变形直接影响机械密封的端面压力分布、泄漏、摩擦、磨损， 导致机械密封的载荷、流体膜承载能力和稳定性均发生变化，因而有必要研究 机械密封的变形规律，并采取相应措施减小或消除变形带来的不利影响。密封 环变形的测量较困难，目前这方面的研究还相对滞后。李鲲等采用动座标系端 面引伸片对机械密封环端面变形进行了测量。 2 - 2 - 2 机械密封试验台及试验系统m 1 1 8 、2 1 】 机械密封的试验系统主要包括试验台架和密封系统。密封系统的主要器件 有：储罐、增压罐、换热器、过滤器、旋液分离器、孔板、节流套、循环轮、 第1 5 页共“页 西华大学硕士学位论文 循环套、泄漏指示器、管道、管件，以及控制仪表等。密封系统的功能在于采 用冲洗、循环、热对流等工作方式，控制机械密封的工况参数，即温度、压力、 润滑、腐蚀、结晶、结垢等，以及防止危险介质正常泄漏对环境的污染。 1 控制温度密封系统的冲洗、循环、热对流等工作方式都可以实现对机械密 封工作环境的温度进行调节的功能。 在常温下采用不同材料制造的密封环，若温度超出常温范围，会因温度升 高，熟膨胀不同而影响使用性能。若温度每升高1 0 c ，材料的腐蚀率将增加一 倍。温度升高，一般会降低密封流体的粘度，使润滑性变差。控制温度对于饱 和蒸汽压高和易结晶、凝固的密封介质特别重要。饱和蒸汽压高的介质在密封 腔接受机械密封的搅拌热和端面摩擦热，引起温度升高，着不及时散热和降温， 很可能导致介质在密封端面汽化，破坏摩擦状态，导致密封失效。易结晶、凝 固的介质，则需要采取保温措施，使介质不结晶、不凝固，特别是正常泄漏出 的介质，不能结晶或凝固，否则会破坏机械密封的补偿功能，使密封失效。再 者，温度高于常温，隔离流体容易变质，缩短使用期。 2 改善润滑密封系统采用冲洗、循环等工作方式改善机械密封工作时的润滑 条件。 通常密封系统是通过将经过过滤和冷却的密封介质引入密封腔，或