機械封閉相變半徑和溫度的研究

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1、機械封閉相變半徑和溫度的研究第一章緒論1.1課題、研究的目的及意義本課題于國家十二五科技支撐計劃重點項目高參數(shù)粟機械密封裝置關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用，編號2011BAF09B05。機械端面密封(MechanicalEndFaceSeal)簡稱為機械密封，是依靠彈性元件對動靜環(huán)的壓緊以及被密封介質(zhì)的壓力而密封的軸向端面密封裝置⑴。普通的機械密封大多為接觸式機械密封，其動靜環(huán)端面由微凸體接觸。由于結(jié)構(gòu)簡單，泄漏量較小，所以機械密封使用廣泛，尤其在石油化工行業(yè)發(fā)揮了重要的作用[2]。機械密封在工作中，動靜密封環(huán)相接觸，在工作時由于滑動摩擦?xí)诮佑|摩擦端面產(chǎn)生大量的

2、熱量，其次，密封件的旋轉(zhuǎn)攪拌產(chǎn)生攪拌熱，這些熱量對其密封性能有很大的影響，密封溫度升高可能使得密封環(huán)由于熱應(yīng)力而產(chǎn)生熱變形，甚至龜裂。密封動靜環(huán)的相對運動產(chǎn)生摩擦熱，會使兩環(huán)接觸間隙中的被密封介質(zhì)發(fā)生相變。相變的發(fā)生原因除了介質(zhì)溫度高，還受到其他操作參數(shù)以及機械密封自身幾何因素的影響。密封發(fā)生相變會對其工作穩(wěn)定性、密封效率以及設(shè)備使用壽命等產(chǎn)生影響。本課題旨在對石化設(shè)備典型栗的密封在其工作環(huán)境下進行穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)分析和熱分析，進而計算出密封端面間被密封介質(zhì)相變半徑并分析影響其大小的因素，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合API682標(biāo)準(zhǔn)，分析改善密封溫度場的措施，以提高密封工

3、作穩(wěn)定性。1.2機械密封相變研究現(xiàn)狀1.2.1機械密封相變的國內(nèi)研究狀況機械密封的出現(xiàn)解決了轉(zhuǎn)軸式機械的密封問題。機械密封同填料密封相比，由于自身的結(jié)構(gòu)特點有很大的優(yōu)越性。然而早期由于低下的技術(shù)加工水平以及缺乏合適的材料，機械密封并沒有發(fā)揮其應(yīng)有的功效，因而沒有得到廣泛的應(yīng)用。第二次世界大戰(zhàn)以后，出現(xiàn)用硬質(zhì)合金、碳石墨等材料出現(xiàn)的何結(jié)構(gòu)以及密封的外界冷卻輔助裝置。馬久波在1986年介紹了機械密封動靜環(huán)間被密封介質(zhì)不同相態(tài)流體膜層的簡化相變模型，并在此基礎(chǔ)上介紹了各種模型的膜壓系數(shù)，著重提出內(nèi)流型機械密封的膜壓系數(shù)計算方法[5]。陳震在1989年提出汽液

4、兩相密封的承載能力要大于單相密封的承載能力，并且摩擦系數(shù)前者也較后者低。在距機械密封間隙中介質(zhì)相變的臨界溫度之前，密封會發(fā)生大量泄漏，因此需要密封在工作中需要避免在此溫度下運轉(zhuǎn)[6]。1996年劉錄通過流體膜的相變理論，計算了在變工況情況下機械密封的端面膜壓，并做了變工況情況下機械密封端面運動的實驗以驗證理論計算結(jié)果的可靠性，結(jié)果顯示，汽液兩相機械密封的膜壓系數(shù)與沸騰區(qū)的壓力和汽化半徑的變化幅度有直接關(guān)系。在設(shè)備工作條件發(fā)生變化時，減小被密封介質(zhì)壓力的變化是提高密封設(shè)備抗變能力的有效措施[7]。1998年張繼革推導(dǎo)兩相機械密封的端面膜壓和開啟力公式，并

5、結(jié)合實例利用計算機進行了計算分析，結(jié)果顯示，全氣相機械密封的開啟力大于全液相機械密封的幵啟力，而汽液混相的機械密封開啟力大于全氣相機械密封的開啟力。機械密封主軸的轉(zhuǎn)速對于密封的穩(wěn)定工作有著一定影響，密封在高轉(zhuǎn)速下容易失穩(wěn)[8]。隨著研究的不斷進行，很多研究者發(fā)現(xiàn)理論研究對于密封環(huán)端面間的相變需要實驗的論證，更多人將機械密封相變研究的重點放在實驗測量和實際工況中。2006年劉錄通過實驗測量方法，提出熱油菜機械密封在工況變化時(被密封介質(zhì)壓力、溫度的改變)其動靜環(huán)端面間介質(zhì)壓力會因為閃蒸發(fā)生改變，進而使得密封發(fā)生失效情況，相變半徑的變化是影響其相態(tài)穩(wěn)定的關(guān)

6、鍵原因[9]。同年，劉銀軍通過實驗分析，對釆用螺旋增壓的抗變機械密封和普通機械密封進行對比，證實了前者在變工況情況下，相對后者，由于出口端壓力較大，所以相變半徑得到改善，使得設(shè)備具有較大的抗變能力2008年蘇金華針對輕烴粟在正壓抽空和負(fù)壓抽空狀態(tài)下，密封端面介質(zhì)發(fā)生閃蒸現(xiàn)象而出現(xiàn)氣噴振動，因此，密封需要在合適的載荷系數(shù)和彈簧比壓下工作[11]。2011年耿鵬照提出可以從端面介質(zhì)膜態(tài)的角度來解決機械密封的泄漏問題，介質(zhì)膜的反壓力會因為膜態(tài)發(fā)生變化而發(fā)生較大改變，進而使得密封端面貼合不牢，從而使得密封發(fā)生泄漏[12]。同年，李京浩通過使用透明材料制作一個密

7、封環(huán)，另一個密封環(huán)為端面開槽，觀察機械密封在工作中的相變現(xiàn)象，通過觀察可知，與滑動軸承相似，在密封相變區(qū)域的內(nèi)部有條狀分布的介質(zhì)，該介質(zhì)在上游的長度大，下游的長度小[13]。第二章機械密封相變的研究機械密封的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計以及密封運轉(zhuǎn)中工作狀態(tài)的改變，會引起密封端面間被密封介質(zhì)發(fā)生相變。介質(zhì)發(fā)生相變后，密封工作易從穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)，加速密封環(huán)的磨損，進而影響密封的壽命。因此，有必要計算機械密封的相變半徑。通過計算得到機械密封的膜壓系數(shù)，對應(yīng)于不同的工作狀態(tài)，應(yīng)該小于噴霧泄漏時的膜壓系數(shù)，這樣才能使機械密封在穩(wěn)定工作狀態(tài)下運轉(zhuǎn)。然而從上文可知，該方

8、法需要知道機械密封的相變半徑r。，否則不能計算機械密封的膜壓系數(shù)。該方法使用范圍較窄，只適用于