化工流体动密封压制

1 第三章流体动密封 3 1填料函密封结构及密封原理1 密封结构 2 2 填料的形式 3 3 密封原理 1 现象 1 填料被轴向压紧 产生径向压力 2 填料与轴贴合不均匀 环向有接触有间隙 3 轴表面存在漏出的液体 液膜 2 密封原理 1 填料被压紧 提高了填料的强度 对轴产生径向压力 如图 b 4 2 填料与轴面贴合不匀 形成漏液的节流环 迷宫效应 使漏液压力逐渐下降 见图 c 径向压力 迷宫效应 轴承效应 填料密封 3 轴表面漏出液体 液膜有支撑 润滑和冷却作用 轴承效应 5 3 填料的径向压力分布 旋转轴 往复泵轴 轴发生磨损 6 4 适用环境 介质压力 旋转轴 0 001 3 4MPa往复轴 0 001 22MPa 温度 50 600 线速度 20m s 二 填料函结构形式 1 单填料函 适于低温 低压 低真空度的情况 7 2 夹套填料函 夹套通以冷却水或蒸汽 以改善填料工作条件 8 封液压力大于介质压力0 05 0 1MPa 便可阻止介质外漏 当设备内为负压时 只需通入0 05 0 1MPa封液 便可阻止空气进入设备内部 3 带液环填料函 9 4 带节流套填料函 节流套内通以高于介质压力0 05 0 1MPa的洁净介质 防止含有固体颗粒介质进入填料 节流套与低压端连通 填料内的高压介质被降压 填料处于低压状态工作 10 5 双填料函 两密封函之间可通入液封 以冷却 润滑 收集漏液 适于易燃 易爆 有毒 高压介质 11 6 锥形填料函 用于动力密封 工作时 无须填料函起密封作用 停车时 利用轴的轴向窜动 使填料与轴接触 起到密封作用 12 7 旋转填料函 轴为静止 壳体旋转 13 8 浮动填料函 适于轴 壳不同心或在转动时摆动 跳动较大的场合 利用弹性或柔性良好的材料作过渡体 使函或轴处于浮动状态 14 3 2机械密封基础 一 基本结构及其工作原理1 机械密封的基本结构 1 端面密封副 静环 动环 2 补偿缓冲机构 弹性元件或磁性元件 3 辅助密封圈 静密封胶圈 4 传动机构 弹簧座 定位螺钉 防转销等 15 2 密封工作原理动 静环接触处的端面在流体压力及补偿外弹力作用下 保持贴合并相对滑动 在辅助密封的配合下 阻止了系统内流体的泄漏 密封端面内形成一微小间隙 介质或外加润滑冷却液在间隙内形成极薄的液膜 从而起到阻止介质泄漏 使端面得以润滑的目的 3 平衡型及非平衡型机械密封 16 外置式 动环 传动机构置于大气中 内置式 动环 传动机构置于介质中 17 平衡型 动 静环密封面的压力不受 或很少受 介质压力的影响 非平衡型 端面压力受介质压力的影响 过大会压坏端面间隙的润滑膜 18 二 机械密封的有关要素 要保证 1 密封性能 2 使用寿命 密封端面液膜要存在 材料要耐磨损 1 PV值 主要工作性能指标1 定义 端面比压 P 与端面平均周速 V 的乘积 设计 制造和使用者共同考虑的要素 PV 端面摩擦热和端面磨损率 PV被视作耐热性和耐磨性指标 19 2 常用摩擦副材料组合的允许PV值 20 3 极限PV值 运转摩擦生热 端面温度升高 端面热裂 泄漏量增大 端面磨损加剧 密封破坏 摩擦副产生热裂时的PV值为极限PV值 2 密封端面上的液膜压力粘度直接影响液膜 一般厚度0 1 3 m P膜的影响因素很多 介质粘度 端面几何形状 转速 介质中的杂质等等 21 端面比压 作用于密封端面单位面积的力称为密封比压 要求 端面比压必须是正值 保证密封端面紧密贴合 大于物料在密封端面上的蒸汽压 保证液膜存在 端面比压不宜过大 以免液膜蒸发使磨损加剧 也不能过小 以免密封性能变差 泵用内置式 一般取0 3 0 5MPa 外置式 0 15 0 4MPa 粘度大者 适当增加 一般0 5 0 7MPa 润滑性差 易挥发物料 比压较小 一般0 25 0 45MPa 反应釜外置式 比压比泵用稍大 22 弹簧比压 弹簧作用于密封端面单位面积的力 作用 当介质压力很小或波动时 仍能维持一定的端面比压 使介质不致泄漏 选择依据 端面平均线速度 高速机械密封 平均线速度 30m s 取 0 5 2 0 9 8 104Pa 中速 平均线速度10 30m s 取 1 5 3 9 8 104Pa 低俗 平均线速度 10m s 取 1 5 6 9 8 104Pa 釜用 取0 22MPa 转速低 气相 轴摆动较大 操作压力 温度 相态不稳定 取值较大 23 三 机械密封的一般结构形式 1 单端面密封润滑剂 工艺介质 1 内置式 F密 F介 F弹 F膜 密封头固定 密封头旋转 24 外置式 密封头固定 密封头旋转 F密 F弹 F膜避免传动机构受磨损 25 2 双端面密封 26 27 3 波纹管式机械密封 用于强腐蚀 有毒介质场合 波纹管 橡胶波纹管 聚四氟乙烯波纹管 金属波纹管 28 四 特殊工况下的机械密封 1 高温条件下T 80 出现 1 润滑条件恶化 热裂 液膜汽化 密封环磨损 2 密封环变形 间隙量变化 3 介质腐蚀性加剧 须注意 1 选材要适应温度上限 相配合的材料的热膨胀系数应相近 2 按热态考虑零件配合 3 采用外置式结构 4 应强化冷却 29 2 高速条件下 线速度 30m s 出现 1 磨擦热增加 磨损量增大 2 零件离心力加大 振动增强 注意 1 加强磨擦副的润滑与冷却 2 选用许用PV值高的材料组对 3 采用密封头 传动机构 为静态结构 30 3 低温条件下出现 1 端面变形 配合件松动 脱离 2 材料发生冷脆现象 3 密封件与大气接触时会出现水蒸气冷凝 冻结在密封面上 加速磨损 密封恶化 注意 1 控制系统不出现突然的和过大的温差 2 材料选择注意良好的低温性能 31 4 高压条件下 P工 5MPa 出现 1 端面比压过大 液膜遭破坏 加速磨损 发热 2 零件变形 损坏 应注意 1 选用平衡性机械密封 2 磨擦副的动静环要有足够的刚度 不可变形过大 3 支撑结构牢靠 32 5 腐蚀性介质条件下腐蚀 化学腐蚀 电化学腐蚀 磨蚀 磨蚀速率 10 50倍无摩擦腐蚀速率 应 1 磨擦副材料既耐腐蚀又耐磨 如陶瓷 聚四氟乙烯 2 保护辅助密封 聚四氟乙烯波纹管 内装式 或采用外装饰结构 或采用双端面结构 引入隔离液 33 3 3非接触密封 使被密封的流体产生压力降 来达到密封 允许产生一最小的泄漏量 不影响系统中运动件的旋转运动 特点 运动部件之间 固定密封件与运动密封件之间均无摩擦 无磨损 无须维修 结构简单 耐用 运行可靠 分类 流阻型 间隙节流产生阻力 如浮环密封 迷宫密封等 动力型 轴功率产生反压头 抵消介质泄漏压头 如螺旋密封 叶轮密封 干气密封等 34 2 工作原理在弹簧力作用下 内浮环及外浮环分别与隔离环及挡环端面贴合 内浮环及外浮环因有防转销不能转动 但能滑动 向浮环引密封液 冷却 润滑 将气相密封转为液相密封 压力高于工艺气 不能外漏 少量内漏液 混合于工艺介质中 引出进行分离 再循环使用 大量外漏 引回邮箱循环使用 一 浮环密封 1 密封结构 35 浮环特性 浮升性 轴停止转动时 形成偏心间隙 轴转动时 密封液被牵连旋转 环浮动抬升 动压效应 浮升性的作用 1 使浮环自动对中 适应轴的偏摆运动 2 避免轴与环间出现固相摩擦 3 使环与轴间隙变小 增强节流阻力 改善密封性 36 3 密封特点 1 密封参数范围宽广 如离心机中 线速度约为40 90m s 工作压力可达32MPa 工作温度为 100 200 2 动密封中 具有最高的工况PV值 可达2500 2800MPa m s 3 浮环利用自身的密封系统 将气相密封转换为液相密封 因而特别适用于气相介质 4 浮环密封对大气环境为 零漏泄 密封 适于各种易燃 易爆 有毒 贵重介质 5 性能稳定 工作可靠 寿命达一年以上 6 浮环密封为非接触式工况 内漏泄量约为200升 天 外漏泄量约为15 200升 min 当然 此泄漏量应视为循环量 不同于机械密封 37 二 螺旋密封 38 1 工作原理 轴的旋转动能转换成粘性流体的压力能 获得泵送压头 泵送效应 粘性流体得泵送压头与介质压力向平衡 阻止介质泄漏 螺旋迷宫密封做功元件包括轴螺旋和孔螺旋 泵送压头高于普通螺旋密封 但产生涡流摩擦 只适用于粘度较低的流体 不适用于高粘度流体 2 特点 1 属非接触型密封 允许有较大的密封间隙 无固相摩擦 工作寿命可长达数年 容易维护保养 2 属动力型密封 消耗轴功率建立密封状态 3 螺旋间隙充满粘性液体 可将气相条件转化为液相条件 39 4 适于在低压下工作 压力低于2MPa 封液不需要循环冷却 结构简单 5 不适于高转速 线速度高于30m s 工作 因封液受到剧烈搅动 容易出现气液乳化现象 6 没有停车密封性能 7 要求封液有一定粘度 并且温度变化对封液的粘度影响不大 若工艺流体粘度高 本身可以作为封液用 40 3 类型与结构 单向回流式 41 双向增压式 两段螺旋结合带形成 液体密封圈 阻漏 42 双向抽空式 两螺旋结合带形成真空屏障 阻漏 43 三 磁流体密封 1 磁流体简介 1 磁流体的组成 1 磁粉微粒 磁性材料 如稀土磁性材料 磁铁矿 Fe3O4 赤铁矿 Fe2O3 氧化铬 CrO2 等 直径小于300A 球形为好 2 载体 液态 如水 汽油 碳氢化合物 聚苯醚等 也可是水印 镓 銦 锡等液态金属 3 分散剂 表面活性剂 具有亲液性和憎液性性质 防凝聚 布朗运动 亲液基可与载体混合 憎液基与磁粉亲和并吸附在磁粉微粒表面 形成单分子包附层 1 磁粉微粒2 载体3 分散剂 44 2 磁流体的性能1 磁性 外磁场作用下显示磁性 2 有冰点 一定温度下转变为固体 丧失流动能力 3 有一定寿命 影响寿命原因 饱和蒸汽压饱和蒸汽压越高 蒸发量越大 干固 丧失密封能力 应 选取低饱和蒸汽压的载体和分散剂 降低磁流体工作温度 阻止磁粉微粒凝聚的能力 从如下方面考虑 选用分散剂 分散剂的包袱程度 磁粉微粒的形状和粒度 球形为好 45 4 润滑性 5 粘度 影响粘度的因素 磁粉微粒的浓度 浓度增加 粘度也增加 分散剂的加入量 如图 温度 温度升高 粘度下降 6 饱和磁化强度取决于 磁性材料的饱和磁化强度 磁粉的浓度 温度 2 磁流体密封的结构 47 48 3 磁流体的密封原理 静止部件与旋转部件之间的间隙中形成了外加磁场 将磁流体吸聚在其间 形成0形液体环 磁流体本身具有表面张力和磁场力 液体环阻止介质通过 起到密封作用 密封特性 自愈合性能 49 p p 时 磁环被吹断后仍可以自行恢复 自愈合性能 多级密封时 密封总压力pn n p p 单级压差 磁流体经长期使用会有损失 需要补加足够的磁流体 4 提高磁流体密封能力的主要途径 1 提高外磁场强度和磁流体的饱和磁化强度 p Ms H式中Ms 磁流体饱和磁化强度 H 密封间隙中的磁场强度 即a 选用导磁性能好的材料 b 间隙要小 c 提高外加磁场强度 50 2 适当提高磁流体粘度粘度高 表面张力大 有利于磁流体环的强度 发热量大 粘度降低 3 选用合理的级数 5 磁流体密封的优缺点 优点 1 对大气可实现零泄漏 2 无固体摩擦 3 只要磁流体量够 使用寿命很长 4 结构简单 净度低 5 磁流体有排他性 可用于含固体颗粒介质的密封 51 缺点 1 耐温度范围小 取决于载体及分散剂 2 耐压力低 0 2 0 3MPa 3 耐腐蚀性差 6 可用于往复运动密封 7 轴 孔的同心度要求不高 8 适应高速旋转 9 有自愈合能力 52 四 迷宫密封 1 结构形式 53 2 密封原理 理想的迷宫流道 在间隙入口处气体状态为P0 T0和速度为0 气体越接近入口 气流越加收缩和加速 在间隙最小处的后面不远处 气流获得最大的速度 当进入空腔 流束界面突然扩大 并在空腔内形成强烈的漩涡 54 能量观点看 在间隙前后 气流的压力能转变为动能 到空腔后 一小部分动能又转变为压力能 强烈的漩涡 大部分动能转变为热能而耗损 热力学效应总压头总是下降的 能量散损越多 压头下降越多 泄漏量也随之降低 达到阻漏目的 55 用焓熵图表示这一过程 气流通过第一个缝口后 压力由0点下降到1点 然后在膨胀室内作等压恒温恢复 压力由1点升到1 点 如此下去 每个迷宫室内进行一次 最后把整个迷宫室内气体的理想状态变化用折线0 1 1 2 n n 表示之 理想迷宫 等温过程 范诺曲线 56 在实际迷宫中 除了热力学效应 流体收缩效应和摩阻效应外 还应考虑越载效应 直通 在一般直通型迷宫密封中 通过缝口后的气流只能向一侧扩散 在膨胀室内不能充分地实现将速度能转变为热能的能量转换 而有一部分气流速度不减少或者略微减少 直接越过各个齿顶流向低压侧 直通效应 越载效应 57 常见迷宫密封的结构形式 a 直通型 b 复合直通型 c 错列型 d 阶梯型 e 斜齿阶梯型 f 蜂窝与直通组合式 g 承磨密封 58 3 影响迷宫密封的因素综合考虑流束收缩及流速降低 流量系数 影响迷宫密封效果 影响流量系数的主要因素有 1 疏齿边缘 影响流束收缩效应 59 2 齿形 60 3 尺宽与间隙比 A 松散区B 死区C 涡流区D 松扩