温度对机械密封金属波纹管力学性能的影响.pdf

2 0 1 2年 3月 第 3 7卷 第 3期 润滑与密封 LUBRI CATI ON ENGI NEERI NG Ma r 2 01 2 Vo 1 3 7 No 3 D O I 1 0 3 9 6 9 j i s s n 0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 2 0 3 0 1 9 温度对机械 密封金属波纹管力学性 能的影 响 韩燕王淮维 中国石油大学 华东 山东青岛 2 6 6 5 5 5 摘要 为 了研究温度对机械密封金属波纹 管力 学性能的影响 建立高温泵 用机械密封焊接金属 波纹 管计 算模型 利用 A N S Y S软件计算波片 的温度场 并通过 间接耦合法计算不同介质温度下 的热应力与热应变场 得到温度对波纹管 力学性能 的影响规律 计算结果表明 在高温工况下波纹管波片内产 生了较大 的热应力 和热应变 增大 了波纹管断裂 失弹等形式的失效的危险 在设计和使用过程中必须对此引起足够重视 在高温工况下波纹管波片等效热应力 热应变 的最大值均出现在波片波谷处 关键词 波纹管 机械密封 力学性能 中图分类号 T H 1 3 6 文献标识码 A文章编号 0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 2 3 0 8 5 4 Effe c t o f Te mp e r a t ur e o n M e c ha n i c a l Pr o p e r t i e s o f M e t a l Be l l o ws Us e d i n M e c h a n i c a l S e a l Ha n Ya n W a n fl Hu a i wei C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m Q i n g d a o S h a n d o n g 2 6 6 5 5 5 C h i n a Ab s t r a c t Th e e f f e c t o f t e mp e r a t u r e o n me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f me t al b e l l o ws u s e d i n me c h a n i c al s e a l wa s i n v e s t i g a t e d Th e c alc u l a t i o n mo d e l o f we l d me t al b e l l o w u s e d i n t h e me c h a n i c al s e a l o f h i g h t e mp e r a t u r e p u mp wa s b u i l t T h e t e mp e r a t u r e fie l d o f wa v e p l a t e wa s c alc u l a t e d u s i n g ANS YS s o f t wa r e Th e t h e r ma l s t r e s s a n d t h e r ma l s t r a i n fi e l d s we r e c a l c u l a t e d b y i n d i r e c t c o u p l i n g me t h o d a n d t h e i n flu e n c e l a w o f t e mp e r a t u r e t o me c h a n i c al p r o p e r t i e s o f we l d me t al b e l l o w wa s g o t Re s u l t s i n d i c a t e t h a t o b v i o u s t h e r ma l s t r e s s an d t h e r mal s t r a i n a r e g e n e r a t e d i n h i g h t e mp e r a t u r e e n v i r o n me n t a n d t h e r i s k o f f r a c t u r e a n d l o s s o f e l a s t i c i t y i s i n c r e a s e d wh i c h mu s t b e p a i d g r e a t a t t e n t i o n t o d u rin g t h e p r o c e s s o f d e s i g n an d us e Th e ma x i mu m e q u i v ale n t t h e rm al s t r e s s a n d s t r ain a r e all g e n e r a t e d a t t h e t r o u g h p a r t o f wa v e p l a t e s Ke y wo r d s me t al b e l l o w me c h a n i c al s e a l me c h a n i c al p r o p e rti e s 炼油化工装置中存在大量工作温度为 2 0 0 4 0 0 的高温油泵 在高温下泵轴机械密封的失效极易引 发装置区火灾 引发重大安全事故 可见 高温泵 轴密封的安全性和可靠性极为重要 近年来 以焊接金属波纹管作为弹性元件的波纹 管式高温泵用机械密封已经成为高温泵用机械密封的 基本型式 然而 该种形式密封的波纹管与高温 工艺介质直接接触 在实际使用中容易产生波纹管失 弹 断裂等失效现象 影响高温泵用机械密封的安 全性和可靠性 因此 对高温工况下温度对波纹管力 学性能的影响进行研究分析非常有必要 1 研究对象及主要参数 以应用于串联式高温泵用机械密封 o 内侧主密 封的 S型焊接金属波纹管为研究对象 其内径侧与冲 收稿 日期 2 0 1 1 0 9 2 1 作者简介 韩燕 1 9 8 7 一 女 硕士研究生 研究方 向为化工 设备安全技术 E m a i l q h d w h w 1 6 3 c o rn 洗流体接触 外径侧与高温工艺介质接触 波纹管的 结构示意图如图 1 所示 其主要结构参数见表 1 图 1 金属波纹管结构示意图 Fi g 1 S t r u c t u r e o f b e l o w me t a l b e l l o w 表 1 金属波纹管的主要结构参数 T a b l e 1 S t r u c t u r al p ara me t e r s o f me t a l b e l l o w 内径 外径 厚度 波片数 4 0 mm 5 5 mm O 1 3 mm 2 0个 润滑与密封 第 3 7卷 波纹管的材料为 1 C r 1 8 N i 9 T i 其主要物性参数见 表 2 表 2 1 C r l 8 N i 9 T i 的主要物性参数 T a b l e 2 P h y s i c a l p a r a me t e r o f 1 C r l 8 Ni 9 T i 弹性模量 泊松 比 屈服 极 限 导热系数 热膨胀系数 1 9 6 1 0 P a 3 1 0一 2 5 7 1 0 Pa 2 3 2 1 0 W m K 1 1 9 1 0一 K 一 工艺介质和冲洗流体均为蜡油 蜡油的主要物性 参数见表 3 表 3 蜡油的主要物性参数 T a b l e 3 P h y s i c a l p a r a me t e r o f wa x o i l 密度 运动黏度 导热系数 比热容 8 8 8 1 0 k g m 1 1 7 1 0 m s 1 2 1 1 0 W m K 2 1 4 1 0 J k g K 本文中高 温 工艺 介 质 温度 的 计算 区 间为 4 7 3 6 7 3 K 冲洗流体 的温度为 3 7 3 K 泵轴 的转 速为 2 9 7 0 r mi n 2 计算模 型 2 1 几何模 型的建立 由于焊接金属波纹管为若干波片焊接而成 属周 期性结构 因此作者取其 中一片进行分析研究 在 P r o E软件中建立一片波片的三维模型 见图2 并 导入 A N S Y S软件 图2 波片三维模型 F i g 2 3D mo d e l o f wa v e p l a t e 2 2 耦合 分析 方法的选择 本文计算分析过程涉及热 一应力耦合分析 耦合 分析有 间接法 直接法以及在结构应力分析中直接定 义节点温度 3 种方法 在非高度非线性耦合时 间 接法更具有效性和灵活性 因此 作者选用间接耦合 分析法 分析流程见 图 3 进 行热 分析 J L 将 热单 元转 换 为相 应的 结构 单元 读入热分析节点温度 1 设置 参考 温度 L 一 进行 求解 后处 理 图3 间接法耦合分析流程图 Fi g 3 F l o w c h a r t o f i n d i r e c t c o u p l i n g me t h o d 2 3 计算单元的选取 由于波片表面为不规则的曲面 因此选用对不规 则图形具有 良好适用性的S O L I D 8 7 三维十节点四面 体热实体单元 进行计算分析 其对应的等效结构 单元 为 S O L I D 9 2 2 4网格 的划分 由于模 型为不规则 的复杂 图形 故采用 自由网格 划分法进行 网格 的划分 节点总数为 1 5 9 7 6 2 3结果及分析 3 1 对流传热 系数 波片与蜡油之间存在着对流传热 由于波纹管随 泵轴旋转 因此在计算对流传热系数时需考虑介质的 旋转搅拌效应 对流传热系数按下式计算 N u 0 1 3 5 0 5 R e R e P r 1 式中 为反映介质旋转搅拌效应 R e 2 为反映介质的横向绕流 R e v D u D 为直径 此处取波片内 外径的平均直径 为轴的角速 度 为周围介质的轴向平均流速 为流体的运动 黏度 P r 为普朗特常数 经计算 对流传热系数的值为2 6 5 0 W I I l 2 K 3 2 温度 场计算 结果及 分析 将温度载荷加载到计算模 型上并进行有 限元计 算 得到的波片温度分布如 图4所示 以介质温度 为 5 7 3 K时为例 由温度场计算结果可见 温度最高值出现在波谷 处 温度最低值出现在波峰处 这是由于波片弯曲处 两面的传热面积不同造成的 2 0 1 2年第 3期 韩燕等 温度对机械密封金属波纹管力学性能的影响 图 4 波片截面温度分布 F i g 4 Cr o s s s e c t i o n t e mp e r a t u r e fie l d o f wa v e p l a t e 3 3 应 力场计算结果及分析 将 S O L I D 8 7单元转换为 S O L I D 9 2单元 将温度 场计算结果施加到应力场计算模型上 忽略密封端面 和转轴的轴向振动 则波纹管在随轴转动过程中波片 两端轴向无运动 因此在波片的内外径处分别施加轴 向位移约束 经计算得到波片的 V o n M i s e s等效热应 力计算 结果见 图 5 图5 波片截面等效热应力分布 Fi g 5 Cr o s s s e c t i o n e q u i v a l e n t t h e r ma l s t r e s s fie l d o f wa v e p l a t e 由热应力计算结果可知 在高温介质工况下波片 内部产生了较大的热应力 应力峰值出现在波片的波 谷处 与温度最大值所处位置相同 不同介质温度下 波片最高等效热应力的值见图6 4 50 5 0 0 5 5 0 6 0 0 6 5 0 7 0 0 工艺 介质 温 度 T K 图 6 介质温度对波片最高等效热应力的影响 F i g 6 I n f l u e n c e o f t e mp e r a t u r e o n ma x i mu m e q u i v ale n t t h e rm al s t r e s s o f wa v e p l a t e 可见 随着工艺介质温度的升高 波片的最高等 效热应力呈线性增加 且增加速度较快 从等效热应 力数值上看 温度对波片应力的影响较大 在密封运 转过程中 在波片热应力与轴向压缩 周向转矩以及 介质压力引起的波片应力产生的合力作用下 容易造 成波纹管的断裂失效 影响高温泵用机械密封的安全 性和可靠性 因此 在设计和使用时必须对波纹管的 热应力加 以考虑 3 4 应 变场计算结果及分析 波片 V o n M i s e s 等效热应变计算结果见图7 图 7坡 片截 面等效 热应变 分 布 Fi g 7 Cr o s s s e c t i o n e q ui v ale n t t h e rm a l s t r a i n fi e l d o f wa v e p l a t e 由热应变计算结果可知 在高温介质工况下波片 产生了 1 0 数量级的应变 等效热应变峰值同样出 现在波片波谷处 与最大等效热应力相对应 不同介 质温度下波片最高等效热应变的值见图8 4 5 0 5 0 0 5 5 0 6 0 0 6 5 0 7 0 0 工艺介质温度 K 图8 介质温度对波片最高等效热应变的影响 Fi g 8 I n flue n c e o f t e mpe r a t u re o n ma x i mu m e q u i v a l e n t t h e rm a l s t r a i n o f wa v e p l a t e 可知 随着工艺介质温度的升高 波片的最高等 效热应变呈线性增加 过高的应变会造成波纹管的失 弹甚至断裂 因而高温产生的波片应变也必须在波纹 管高温泵用机械 密封的设计和使用时引起足够 的 重视 综合波片的热应力和热应变计算结果 可知工艺 O 9 8 7 6 5 4 3 c 0 l 工 壤 较 s 3 s I目 目 0 A 埔 8 6 4 D 壤较船 0 I 硼口 o A 润滑与密封 第 3 7卷 介质温度对机械密封焊接金属波纹管的力学性 能有着 较大影 响 在波纹管 的设计过程中 应 对热应 力应变 集中的部位进行加强 在密封的使用过程中可采取冲 洗冷却等措施降低波纹管附近高温工艺介质的温度 4结论 1 在高温工况下波纹管波片内产生了较大的 热应力和热应变 增大了波纹管断裂 失弹等形式的 失效的危险 在设计和使用过程中必须对此引起足够 重视 2 在高温工况下波纹管波片等效热应力 热 应变 的最大值均 出现在波片波谷处 3 为了减小高温对波纹管安全性和可靠性 的 影 响 可 以考虑在波纹管的设计过程中对热应 力应变 集中的部位进行加强 或在密封的使用过程中对波纹 管附近的高温工艺介质进行冲洗冷却 参考文献 1 刘军峰 石油化工泵用机械密封的选择 J 化工设备与管 道 2 0 0 7 4 4 8 4 9 Li u J u n f e n g S e l e c t i o n o f me c h a n i c a l s e al u s e d i n pe t r o c h e mi c a l p u m p s J P r o c e s s E q u i p m e n t P i p i n g 2 0 0 7 4 4 8 4 9 2 秦大同 谢里阳 现代机械设计手册 第 8篇 M 北京 化 学工业 出版社 2 0 1 1 2 1 9 3 刘瑜 波纹管机械密封在粗苯热贫油泵上的应用 J 中国 设备工程 2 0 1 0 6 6 0 Hu Yu Me t a l b e l l o w me c h a ni c a l s e a l u s e d i n c r u d e b e n z o l h i g h t e m p e r a t u r e o i l p u m p s J C h i n a P l a n t E n g i n e e ri n g 2 0 1 0 6 6 0 4 梁文元 挤压成型金属波纹管机械密封的优化与系列化研 究 D 北京 北京化工大学 2 0 1 0 2 3 5 郝木明 机械密封技术及应用 M 北京 中国石化出版社 2 01 0 1 8 6 6 王明武 高温泵新型波纹管串联式机械密封的应用 J 润 滑与密封 2 0 1 0 3 5 3 1 2 1 1 2 4 Wa n g Mi n g wu Ap pl i c a t i o n o f ne w t y p e me t a l b e l l o w t a n d e m m e c h a n i c a l s e a l s o n h i g h t e m p e r a t u r e p u m p s J L u b ri c a ti o n E n g i n e e ri n g 2 0 1 0 3 5 3 1 2 1 1 2 4 7 陈晓霞 A N S Y S 7 0高级分析 M 北京 机械工业 出版社 2 0 0 4 3 4 2 8 陈利海 葛培琪 程建辉 机械密封温度场的可视化计算 J 流体机械 2 0 0 1 2 9 5 2 8 3 1 C h e n L i h a i G e P e i q i C h e n g J i a n h u i Vi s u a l c alc u l a t i o n o f t e rn p e r a t u r e fi e l d i n m e c h a n i c al s e a l J F l u i d Ma c h i n e r y 2 0 0 1 2 9 5 2 8 3 1 斯凯孚 S K F 集团收购美国通用轴承有限公司 G B C 斯凯孚 S K F 于近 日在上海宣布签署相关协议 在 现金充足及无债务的基础上以 1 2 5亿美元收购总部位于纽 约州的通用轴承有限公司 G B C 此次交易有待相关法规 和股东 的批准 据了解 通用轴承有限公司建立于 1 9 5 5年 总部坐落 于美国纽约州西奈阿克 We s t N y a c k 共有 1 7 5 0名员工 其中美国1 4 0名 中国 1 6 1 0名 通用轴承有限公司在中国 建有 4家工厂 其中 1 家球轴承工厂 2家圆锥滚子轴承工 厂和 1家精密滚子工厂 通用轴承有限公司 G B C 主要 品牌为 G e n e r al和 H y a t t 2 0 1 1年 G B C的预期销售