2025年现代密封技术试题及答案

2025年现代密封技术试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.下列密封类型中，属于非接触式动密封的是（）A.O型圈密封B.干气密封C.填料密封D.机械密封端面接触副答案：B2.全氟醚橡胶（FFKM）作为密封材料的核心优势是（）A.高弹性模量B.耐超高温（＞300℃）和强腐蚀介质C.低摩擦系数D.优异的抗压缩永久变形性答案：B3.密封系统中“界面泄漏”的主要机理是（）A.介质通过密封材料内部微孔渗透B.密封面微观不平度导致的间隙泄漏C.材料分子链间隙的扩散泄漏D.密封件因热膨胀产生的应力松弛答案：B4.机械密封中“PV值”的定义是（）A.密封端面平均压力与线速度的乘积B.密封腔压力与轴径的乘积C.弹簧比压与转速的乘积D.介质密度与体积流量的乘积答案：A5.气体密封中“气膜刚度”的物理意义是（）A.单位膜厚变化对应的气膜承载力变化B.气膜抗剪切变形的能力C.气膜压力与膜厚的比值D.气膜泄漏量与压力差的关系系数答案：A6.纳米复合密封材料中，纳米颗粒的主要作用是（）A.降低材料密度B.提高材料的耐老化性能和表面光洁度C.增加材料弹性D.降低摩擦系数答案：B7.密封失效模式中，“应力松弛”主要影响（）A.静密封的长期密封性B.动密封的摩擦功耗C.气体密封的泄漏量D.液体密封的液膜稳定性答案：A8.磁流体密封的核心工作原理是（）A.磁场约束磁流体形成液体屏障B.永磁体产生压力差阻挡介质C.磁流体的高粘度阻止泄漏D.电磁场诱导介质极化答案：A9.评价密封材料“压缩永久变形”的试验条件通常是（）A.常温下压缩24小时后测量剩余变形B.高温（如150℃）下压缩24小时后测量剩余变形C.循环压缩1000次后测量变形D.高压（10MPa）下压缩1小时后测量变形答案：B10.下列密封结构中，适用于超高速旋转轴（＞200m/s）的是（）A.普通机械密封B.干气密封（带螺旋槽）C.填料密封D.唇形密封答案：B二、填空题（每空1分，共10分）1.密封的基本原理可分为界面密封、容积变化密封和（反压原理密封）。2.机械密封的四大核心部件包括动环、静环、（弹性元件）和辅助密封圈。3.橡胶密封件的“应力松弛”是指在恒定变形下，（接触压力）随时间逐渐降低的现象。4.气体密封的泄漏途径主要有间隙泄漏、界面泄漏和（扩散泄漏）。5.纳米复合密封材料通常由纳米颗粒（如SiO₂、石墨烯）与（聚合物基体）复合而成。6.干气密封的“开启力”主要来源于密封端面（动压槽）诱导的流体动压效应。7.液膜密封中，液膜的稳定性主要取决于液膜刚度和（阻尼特性）。8.密封系统的“泄漏率”是指单位时间内通过密封界面的（介质体积或质量）。9.金属波纹管机械密封的优势是补偿能力强，适用于（轴向窜动大）的工况。10.密封失效的“三要素”通常指设计缺陷、（材料劣化）和工况异常。三、简答题（每题10分，共40分）1.简述机械密封与干气密封的核心区别。答：机械密封通过动环与静环的接触摩擦实现密封，依赖端面比压和液膜润滑，适用于液体介质，允许少量泄漏（通常＜5mL/h）；干气密封为非接触式密封，端面加工有螺旋槽等动压结构，通过气体动压效应形成气膜（厚度约3-5μm），实现零泄漏或微泄漏（＜100mL/h标准状态），主要用于高压气体或易汽化液体，需配套气源系统维持气膜稳定。2.分析橡胶密封件老化失效的主要原因。答：（1）热氧老化：高温下橡胶分子链发生氧化断裂或交联，导致硬度增加、弹性下降；（2）介质侵蚀：油类、酸碱等介质渗透至橡胶内部，溶胀或溶解分子链，破坏结构；（3）臭氧老化：臭氧与橡胶双键反应提供臭氧化合物，引发表面龟裂；（4）机械疲劳：循环压缩/拉伸应力导致分子链断裂，形成微裂纹；（5）辐射老化：紫外线、γ射线等引发分子链断裂或交联，加速老化进程。3.论述密封系统可靠性设计的关键要点。答：（1）材料匹配性：根据介质（腐蚀性、温度、粘度）、工况（压力、转速、振动）选择耐介质、耐温、耐疲劳的材料（如FFKM用于强腐蚀，碳化硅用于高PV值）；（2）结构优化：避免密封面过度变形（如控制螺栓预紧力均匀性）、减少应力集中（如圆角设计）、优化动压槽型（如干气密封螺旋槽深度与槽数匹配气膜刚度）；（3）工况适应性：考虑温度波动引起的热膨胀差（如金属与非金属密封环的线膨胀系数匹配）、压力脉动对密封比压的影响；（4）失效预测：通过有限元分析（FEA）模拟密封面接触应力、气膜压力分布，结合加速老化试验（如高温高压介质浸泡）预测寿命；（5）辅助系统设计：如机械密封的冲洗冷却系统（防止介质结晶堵塞）、干气密封的过滤系统（去除颗粒杂质）。4.说明“液膜汽化”对机械密封性能的影响。答：液膜汽化会导致密封端面润滑状态恶化，由流体润滑转为混合润滑或边界润滑，摩擦系数增大（从0.01升至0.1以上），磨损加剧；汽化产生的气泡会破坏液膜连续性，降低液膜刚度，导致密封面周期性接触，引发振动和泄漏量增加；此外，汽化过程吸收热量可能导致局部温度骤降，加剧热应力变形（如石墨环热裂）；对于易结晶介质，汽化后介质浓度升高，可能在密封面沉积结垢，进一步破坏密封性能。四、计算题（每题15分，共30分）1.某机械密封用于离心泵，介质为水（密度ρ=1000kg/m³），密封腔压力p=1.5MPa，弹簧比压p_s=0.4MPa，动环内径d1=50mm，外径d2=70mm，面积比K=（d2²-d1²）/（D²-d2²）=0.7（D为轴径），求密封端面比压p_c。解：机械密封端面比压计算公式为：p_c=p_s+K×p其中，K为面积比，p为密封腔介质压力，p_s为弹簧比压。已知：p_s=0.4MPa，p=1.5MPa，K=0.7代入公式得：p_c=0.4+0.7×1.5=0.4+1.05=1.45MPa答：密封端面比压为1.45MPa。2.某干气密封用于压缩天然气（CNG），密封间隙h=3μm，密封坝宽度b=2mm，平均直径D_m=100mm，气体粘度μ=1.8×10^-5Pa·s，密封上下游压力差Δp=4MPa，求泄漏量Q（按层流等温流动计算，忽略周向流动，泄漏量公式Q=πD_mbh³Δp/(12μL)，L为密封坝长度，此处L=b）。解：已知参数：D_m=100mm=0.1m，b=2mm=0.002m，h=3μm=3×10^-6m，Δp=4MPa=4×10^6Pa，μ=1.8×10^-5Pa·s，L=b=0.002m代入公式：Q=π×0.1×0.002×(3×10^-6)^3×4×10^6/(12×1.8×10^-5×0.002)计算分子部分：π×0.1×0.002=6.283×10^-4(3×10^-6)^3=27×10^-18=2.7×10^-174×10^6=4×10^6分子=6.283×10^-4×2.7×10^-17×4×10^6≈6.283×2.7×4×10^-15≈67.85×10^-15=6.785×10^-14分母部分：12×1.8×10^-5×0.002=12×3.6×10^-8=43.2×10^-8=4.32×10^-7Q=6.785×10^-14/4.32×10^-7≈1.57×10^-7m³/s转换为标准状态（25℃，1atm）下的体积流量（假设气体等温，压力为上游压力p1=4MPa+1atm≈4.01MPa，根据理想气体状态方程Q_std=Q×p1/p_std，p_std=0.1013MPa）：Q_std=1.57×10^-7×4.01/0.1013≈6.2×10^-6m³/s≈22.3L/h答：泄漏量约为22.3L/h（标准状态）。五、综合分析题（20分）某石化企业一台输送含颗粒介质（固体颗粒直径约5-20μm，质量分数3%）的离心泵，其机械密封（动环为碳化硅，静环为浸树脂石墨，辅助密封圈为氟橡胶）运行3个月后频繁出现泄漏，试分析可能原因并提出改进措施。答：可能原因分析：（1）颗粒磨损：介质中的固体颗粒进入密封端面，导致磨粒磨损（碳化硅硬度高但脆性大，石墨软易被划伤），端面出现沟痕，破坏密封面平行度；（2）辅助密封圈失效：颗粒嵌入氟橡胶密封圈与轴套的间隙，导致密封圈压缩量不足，或颗粒摩擦导致密封圈表面磨损，失去弹性补偿能力；（3）冲洗系统失效：原密封可能未配置冲洗或冲洗液流量不足，颗粒在密封腔沉积，堵塞端面液膜通道，加剧干摩擦；（4）热变形：颗粒摩擦生热导致端面局部温度升高（石墨热导率低，易热裂），静环出现径向裂纹，泄漏量骤增；（5）安装误差：密封面平行度超差（如安装时动环偏斜），导致局部接触压力过大，加速颗粒磨损。改进措施：（1）优化密封材料：动环改用更耐颗粒磨损的硬质合金（如WC-Co）或双相陶瓷（SiC+Si3N4），静环采用浸金属石墨（提高抗磨性）；辅助密封圈改用全氟醚橡胶（FFKM），增强抗颗粒嵌入能力；（2）强化冲洗系统：增加外冲洗（清洁的除盐水或同介质过滤后），冲洗量≥5L/min，冲洗口正对密封端面，避免颗粒沉积；（3）增设过滤装置：在泵入口或密封冲洗管路中安装高精度过滤器（过滤精度＜3μm），降低介质颗粒含量；