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密封技术介绍及进展.docx

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资源描述

1、一、机械密封技术作为旋转设备中不可缺少的密封装置 , 机械密封因其工作可靠、泄漏量小、使用寿命长、功率消耗少等特点 , 在泵、压缩机、反应釜、搅拌器、转盘塔、离心机和过滤机等工艺设备上得到了广泛应用。据统计,为阻止动力输入轴与壳体间介质的泄漏 ,国外化工流程中 95 %左右的旋转设备采用了机械密封。典型结构一般如下:一般由动环、静环、动环密封圈、静环密封圈、弹簧、弹簧座、紧定螺钉、防转销等组成。机械密封一般有四个密封点,如图中 1、2 、3、4 所示,其中 3 为静环与压盖端面之间的密封点,2 为动环与轴或轴套之间的密封点, 4 为压盖与泵壳或其它设备之间的密封点,1 为端面相对旋转的密封点,

2、 2、3、4 是静密封,一般采用 O 形、V 形密封圈等垫圈密封。其工作原理为:机械密封工作时,由密封流体的压力和弹性元件的弹力等引起的轴向力使动环和静环互相贴合并相对运动,由于两个密封端面的紧密配合,使密封端面之间的交界(密封界面)形成一微小间隙,当有压介质通过此间隙时,形成极薄的液膜,产生阻力,阻止介质泄漏,同时液膜又使得端面得以润滑,获得长期密封效果。随着工业的发展以及环境保护的需要 , 人们对机械密封性能又提出了更高的要求。长寿命、低泄漏率、高参数的机械密封产品需要新理论、新技术的支持。了解机械密封的发展背景 , 对于创造新型机械密封技术具有重要的现实意义 , 了解机械密封研究动向 ,

3、 为工程技术人员投身研究指明了方向。 机械密封的产生及其发展背景:机械密封最早 1885 年在英国以专利形式出现 的 , 1900 年开始应用。首次出现的简单的端面机械密封, 解决了机器制造业中转轴密封问题。同惯用的填料密封相比, 无论在功能上还是构成原理上, 机械密封都有着明显的先进性。然而 , 由于当时缺乏合适的材料和加工机床, 尽管这种密封结构有很多优点, 还是没有发挥其效用。直 1920 年, 由于新工艺和新材料的出现 , 在提高了使用可靠性和寿命,降低了制造成本之后 ,机械密封才逐步在许多冷冻装置上得到较多的使用。1930 年以后, 机械密封用于内燃机水泵的轴封, 此时 psv 值达

4、到了 311MPa m/ s。在这一 阶段, 机械密封发展的动力主要是机械加工和材料方面的技术进步。 第二次世界大战之后,机械密封在美国得到了迅 速普及。1939 1945 年由于石油化学工业的发展 , 石墨、陶瓷、硬质合金等材料在机械密封动静环制造中的应用以及加工技术中表面粗糙度控制水平的提高, psv 值达到了 15MPa m/ s; 1956 年在结构上出现了平衡型机械密封和中间环密封 , psv 值达到了 30MPa m/ s , 1959 年达 80MPa m/ s。在这一阶段 , 机械密封发展的动力主要是工业发展速度和生产过程的需求。 19611963 年由于原子能工业的要求, 在

5、结构上 出现了流体动压密封和流体静压密封,使 psv 值迅速 提高到 167MPa m/ s , 1969 年达到 266MPa m/ s。在这 一阶段,主要发展动力是密封端面间不同润滑机理的出现和与之相适应的新型结构的探索与开发。 19711974 年由于宇航和核电方面的特殊要求 , 在结构上出现了多级密封 , 在材料上出现了碳化硅和 优质的不同浸渍材料的碳石墨 , 使 psv 值达到了 360MPa m/ s , 1977 年由于核电等特殊需要采用螺旋 - 机械密封组合的密封、改进的中间浮动环密封等、浮 环 - 机械密封组合密封等 , 使最高 psv 值达到了 500MPa m/ s。这一

6、阶段 , 发展的主要动力是结构重组和新材料的研发。机械密封的研究动向: 综上所述 , 我们可以看出机械密封的产生及其发 展应用有着特定的历史条件。随着石油化工、宇航、 材料科学及制造技术的迅猛发展 , 机械密封研究开发主要趋向二个方面 , 即机械密封的基础理论和试验研究进一步向纵深发展 , 以及机械密封应用技术研究特别是机械密封失效分析研究倍受人们的关注。 机械密封的基础理论研究主要有端面摩擦工况及其机理、端面的机械变形和热变形及其对摩擦工况的影响、密封组件的动力学特性即“追随性”问题等。 机械密封的应用研究主要包括如何根据不同的使用场 合和工况条件来选择密封的型式和材料或进行特殊结构设计,如

7、何为保证密封处于良好工作环境而采取冷却,过滤 ,冲洗,隔离,阻封等技术措施 ,以及如何根据对密封失效原因的分析而提出相应的改进措施。为了揭示机械密封有关规律,提高机械密封端面参数测试的可靠性与研究是关键。尽管可控机械密封研究已取得一定成果, 然而这么多年来工业应用仍寥 寥无几 , 这表明可控机械密封实践仍存在不少难点 ,包括最佳工况点的求取、控制参数的选择与测量反馈执行机构的研制等; 纳米材料的特殊性能有助于改善机械密封端面间润滑状态 , 开发纳米材料机械密封 和应用纳米冲洗液将是机械密封研究的近期目标。二、气膜密封技术气膜密封是一种新型的、依靠微米级的气体薄膜 润滑的非接触式机械密封,目前工

8、程上广泛称之为干 气密封。干气密封的概念是 20 世纪 60 年代末在气体润滑轴承的基础上发展起来的,其中以 螺旋槽密封最为典型。第一个干气密封的专利 1968 年在英国出现,经数年的研究,美国 John Crane 率先推出干气密封产品并投入工业使用,并于 20 世 纪 80 年代中期成功应用于高速透平压缩机上。经过在压缩机上成功应用的经验积累,人们开始尝试把 干气密封应用到转子泵上,取得了预期的效果。20 世纪 90 年代国外开始在中低速旋转机械如离心泵、搅拌釜中采用干气密封。在国外,无论是理论研究 还是实际应用,干气密封均已达到较为成熟的地步, 克兰公司的 28 系列干气密封产品已经在离

9、心压缩机、汽轮机和工业泵上获得广泛应用,并于 2003 年又开 发出能够双向旋转的干气密封系列产品。 国内从 20 世纪 90 年代中期开始引进干气密封技术,并在石化行业的压缩机、泵等旋转设备上得到广泛应用。在工业开发方面,国内进展较为缓慢,近来主要有天津鼎名密封有限公司和四川日机密封件股份有限公司开发出了部分产品。同国外产品相比,国 内干气密封产品存在较大差距,特别是在高压领域 里。从运行的结果来看,国内干气密封在中低压领域的应用是较为可靠的,无故障运行周期长,维护工作量小。气膜密封作用机制:气膜密封即干气密封是一种流体动静压结合型密封,流体静力在密封静止或旋转时都存在,而流体动 力只存在于

10、密封旋转时。流体动压力只在密封 环旋转的情况下发生,此时密封面所开的浅槽将所密 封气体周向吸入,由外径朝向中心,径向分量朝着密 封坝流动,而密封坝节制气体流向中心。于是气体被 压缩引起压力升高,压力升高后就造成弹性安装面脱开形成要求的气膜,稳定气膜既起到对工作介质的密 封作用,又起到对摩擦副的润滑作用,使得气体密封 在流体润滑的非接触状态下实现无磨损运转。 图 4 所示为螺旋槽气膜机械密封的端面开槽情况,可以看出,密封端面分为槽区和坝区 两部分,其目的是为了使气膜密封在静止时的接触状态和工作时的非接触状态下都能以最小的泄漏率实现 对介质的密封。没有开槽的坝区起密封作用,限制气 体向低压侧泄漏,

11、而开槽的区域产生非接触运转时所 必须的流体动压力,使密封端面分开。气膜密封的技术特征( 1) 可以实现被密封介质的零逸出,从而避免 对环境和工艺产品的污染;( 2) 密封稳定性和可靠性明显提高;( 3) 对工艺气体无污染 ; ( 4) 密封辅助系统大大简化 ;( 5) 运行维护费用显著下降。气膜密封的选择 ( 1) 密封工艺流体具有易燃、易爆、剧毒、污 染严重等特点,要求被密封介质零逸出;( 2) 被密封介质对摩擦升温敏感;( 3) 要求工艺产品高纯度无污染、泵易抽空而 使密封发生干运转; ( 4) 要求密封辅助系统简易可靠; ( 5) 要求密封运行维护费用低。三、液膜密封技术 液膜密封一般指

12、全液膜润滑非接触式机械密封, 可减少或消除被密封介质的泄漏,同时可改善密封端 面的润滑状况和操作稳定性。在液膜密封中,上游泵 送机械密封及深槽动压型非接触式密封是其典型代表。 “上游泵送”的概念是 20 世纪 80 年代中期提出 来的,90 年代后对上游泵送机械密封的研究逐渐增 多,并在工业中得到成功应用。主要用在输送饱和 蒸汽压低于环境大气压的各种介质的旋转机械轴封 上,采用零逸出上游泵送机械密封可以有效地解决介质易汽化的密封问题。端面开深槽是指在机械密封端面上开深度达到毫 米量级的各种形式的槽,利用流体产生的静压效应和 流体动压效应改善密封面的润滑状况。对机械密封端 面开深槽的研究始于 1

13、961 年,Mayer 首先对端面具 有径向深槽的机械密封进行了研究,发现这种机械密 封的磨损量、摩擦功率非常小。但由于液体循环不 足,槽边缘冷却不足,且滞留在槽内的颗粒易进入摩 擦副缝隙中去。为克服以上缺点,1969 年, Mayer 进一步提出了端面具有圆弧深槽的机械密封,由于圆 弧深槽能吸收液体,因而密封环边缘得到良好冷却, 且具有排出杂质能力和与转向无关,工作十分可靠。液膜密封的技术特征 ( 1) 与气膜密封一样,可以实现被密封介质的零逸出或零泄漏消除环境污染;( 2) 由于密封摩擦副处于非接触状态,端面之间不存在直接的固体摩擦磨损,使用寿命大大延长;( 3) 端面摩擦功耗约降低 5/

14、6,而且用于降低端面温升的密封冲洗液量和冷却水量大大减少,提高了运行效率; ( 4) 无需复杂的封油供给循环系统及与之相配的调控系统,对带缓冲液的零逸出上游泵送密封, 缓冲液的压力远远低于被密封介质的压力,且无须循环,消耗量也小,因此,相对简单且对辅助系统可靠性的要求不高; ( 5) 可以在更高 pv 值、高含固体颗粒介质等条 件下使用。四、螺旋槽密封技术螺旋槽密封技术是一项源于滑动轴承的润滑理论的新型密封技术在 1925 年,L.Gumber 就提出了螺旋槽轴承概念,从 20 世纪 70 年代开始,随着计算机技术的飞速发 展, 人们能够比较精确地模拟密封端面间气膜的流场, 这为螺旋槽干气密封

15、的开发、 设计提供了重要手段。 1974 年螺旋槽干气密封首次成功地应用炼油厂的透平 膨胀机上, 标志着其工业应用的开始 33。 在此基础上 Shapiro 等在研究高速液氧透平泵的螺旋槽气体端面机械密封中考虑了惯性力的影响。由于该方法的简洁实用 而获得广泛的应用,一直沿用至今。20 世纪 80 年代中期以后,国外螺旋槽干气密封已基本成熟,被广泛应用 于离心压缩机等高速旋转机械上。2001 年,Brad 等对螺 旋槽气体端面密封进行动态分析并推导了适用的数学 公式。国内主要通过数值分析及计算机仿真对螺旋槽也 进行大量的分析计算,得出的结果与国外基本一致。螺旋槽密封的操作原理即是流体静力和流体动

16、力之间的平衡原理 。 当密封腔有气体 压 力时 . 作用在密封上的力是流体静力 , 不管密封的旋转件是静止的还是旋 转 的 , 这个静力都存在。而流体动力只有当密封旋转件旋转时才能产生。要产生这个流体动力从 而形成一定的密封间隙 . 螺旋槽起着非常重要的作用。图 3 表示一个螺旋槽沿顺时针方向旋转 ,气体沿槽进入并被压缩,压力的增加使得静环沿轴向提升而形成密封间隙。螺旋槽的尺寸和数量以及密封屏障的直径都要影响密封的力平衡,调整这些参数便可决定在一定压力下低转速,静环是否能提升。这对经常启动和停车的机器的密封特别重要 。螺旋槽密封的技术特征(1 )低能耗; (2 )运行磨损很少密封寿命高;(3 )不需要密封油系统油; (4 )没有压力、速度极限;(5 )没有油、气污染 ;(6 )运行费用低;

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