过程装备密封技术

过程装备密封技术SealingTechnologyofProcessEquipments过程装备密封技术过程机械的动密封•接触密封(1)软填料密封(2)往复轴密封(3)旋转轴弹性密封(4)机械密封•非接触转轴密封(1)间隙密封(2)迷宫密封过程机械的动密封(3)气膜密封(4)液膜密封(5)离心密封(6)螺旋密封(7)停车密封(8)磁流体密封•全封闭密封过程机械的动密封4.1接触密封4.1.1软填料密封4.1.1.1引言•软填料密封：压盖填料（GlandPacking)密封、盘根（Packing)密封。•应用场合旋转运动：离心泵、真空泵、搅拌机、反应釜。往复运动：往复泵、往复压缩机的柱塞或活塞杆。螺旋运动：阀门的阀杆与阀座。(1)基本结构(图4-1)(2)软填料的分类、材料和结构•分类和结构按功能：阀门用填料、离心泵用填料、往复压缩机用填料。按材料：橡胶、天然纤维填料、合成纤维填料和金属填料等。按加工方法：绞合填料、编结填料、叠层填料和模压填料。其中的编结填料按编织方式又分为：夹心套层式编结填料、发辫式编结填料、穿心式编结填料。（图4-3）过程机械的动密封(2)软填料的分类、材料和结构•基本材料(表4-1)橡胶：天然橡胶、合成橡胶（NBR、CR、SBR、EPDM）；纤维：矿物类（石棉、柔性石墨）；植物类（棉花、麻）；动物类（皮革、毛发）；合成类（人造丝、各种合成纤维）。辅助材料：金属、润滑剂、防腐蚀剂4.1.1.2软填料密封的原理•流体通过软填料密封泄漏的机理分析(1)泄漏根本原因：①存在动力：即压力差、浓度差，或沿泄漏方向有相对运动；②存在泄漏通道。(2)泄漏途径：①通过填料与静止件界面的泄漏②通过填料本身的泄漏（渗透泄漏）③通过填料与运动界面之间的泄漏•编结填料结构及常见编结填料过程机械的动密封4.1.1.2软填料密封的原理(1)应力特征1122()exp()()()()exp()()()()exp()agriaaroaaxxxKxKxxxKxKxx推导过程过程机械的动密封4.1.1.2软填料密封的原理(1)应力特征121()()exp()()()exp()()exp()exp(2)/riaroaaggLKLLpLKxLpLLpLK过程机械的动密封4.1.1.2软填料密封的原理(1)应力特征介质侧大气侧介质压力轴向分布密封压力轴向分布密封压力不断下降压力p位移x图软填料密封压力分布•为保证密封，理论上，填料底部的径向压力密封介质压力。过程机械的动密封4.1.1.2软填料密封的原理(2)摩擦力和摩擦力矩•填料轴向微元上的摩擦力dFt为：()exp(/)tcrcgdFfdxdxfdKfKxtdx•填料与轴的总摩擦力Ft为：0exp(/)LtcgFfKdfKxtdx•摩擦力矩为：2/2(/2)(/)[1exp(/)]ttgcMFddtfffKLt•实际应用时，上式可改写为：2tMpLd•对回转轴密封：由Mt产生的功率消耗为：/30tPnM过程机械的动密封4.1.1.2软填料密封的原理(3)泄漏率•泄漏率计算公式：•允许泄漏率(4)磨损与润滑•由于填料径向接触应力沿轴向长度分布的不均匀，正常装填的填料在压盖处磨损较大，向内逐渐减小.装填不好，填料和轴在短时间内产生剧烈磨损。•润滑剂的作用：润滑，带走摩擦热，减少填料热磨损(2-43)过程机械的动密封4.1.1.3软填料密封结构的设计(1)软填料密封结构的基本要求过程机械的动密封4.1.1.3软填料密封结构的设计(1)软填料密封结构的基本要求过程机械的动密封4.1.1.3软填料密封结构的设计(2)填料函主要结构尺寸•填料函的结构尺寸主要包括填料厚度、填料高度、填料函总高度，以及压盖和底套尺寸等。•设计填料函尺寸方法(1)相关国家或企业标准(表4-4)；(2)经验公式过程机械的动密封4.1.1.4填料的选择、安装和使用(1)填料材料的正确选择•选择填料材料要考虑的因素(1)设备的种类和运动方式；(2)介质的物理和化学性质；(3)工作温度和压力；(4)运动速度•这些因素的数值特征主要是反映磨损和发热程度的工作温度T和压力与线速度的乘积pv值，以及标志介质腐蚀性强弱的pH值。(2)填料的合理安装•阀杆填料的安装(1)除去填料函中所有的旧填料，彻底洁净填料函和阀杆，检查阀杆表面的磨损和擦伤情况。(2)测量并记录阀杆直径，填料函深度和内孔直径。(3)把成卷连续的填料切割成当个圆环(4)用压盖螺栓进行预加载。过程机械的动密封4.1.1.4填料的选择、安装和使用(2)填料的合理安装•泵用填料的安装(1)清理旧填料和切割安装填料环同上述安装阀门填料的步骤相同。但如果需要安装封液环，应将它安置在接管丝扣孔处。(2)所有的环都安装完成后，把压盖放置填料上，用手指拧紧压盖螺母。开动泵，把螺栓拧紧直至渗漏减小到允许的最小泄漏程度为止；重新安装后的填料在设备开动时发生泄漏是允许的。在设备开动后的1h内将压盖螺栓分步拧紧，以减小到允许的滴漏和发热程度，如此做成使填料在以后的长期运行中具有良好的密封性能。•阀门压盖螺栓载荷的确定两种方法：(1)控制填料压缩量法;(2)控制压盖螺栓转矩法控制填料压缩量法：即预先确定达到密封必须压缩填料的距离，此对不同的填料材料具有不同的数值，且当系统压力提高时，压缩量要相应增加。控制压盖螺栓转矩法：如下式来估算螺栓预紧转矩：过程机械的动密封4.1.1.4填料的选择、安装和使用(3)填料密封失效的原因与正确的使用维护过程机械的动密封4.1.2往复轴密封往复密封是指用于过程机械作往复运动机构处的密封，包括液压密封、气动密封、活塞环密封、柱塞泵密封等。4.1.2.1液压密封(1)对液压密封的基本要求•一般的液压密封指液压缸活塞密封和活塞杆密封。当范围更广、要求更严时，还包括防止灰尘或外界液体进入系统的防尘密封。•对液压密封的基本要求如图4-12(2)弹性体密封的基本原理a.自密封机理•最常见的弹性密封件是橡胶O形圈.•弹性体密封的“自动密封”或称“自密封”是依靠弹性体材料的弹性、并存在初始装配过盈量或预紧加载荷来实现的。过程机械的动密封4.1.2往复轴密封4.1.2.1液压密封(2)弹性体密封的基本原理•在操作过程中，流体压力p作用在密封环暴露于介质的表面，使得密封面的接触应力增加到σp(图4-14)。密封面的接触应力超过了被密封的流体压力p，从而实现了密封。•接触应力σp与介质压力p的关系可通过分析三维应力应变关系获得，其表达式为：•μ为弹性体材料的泊松比，对弹性体材料，μ=0.5，则：•表明弹性体密封的接触应力σp总比介质压力高σ0，因此具有自动适应流体压力变化的能力。过程机械的动密封4.1.2往复轴密封4.1.2.1液压密封(2)弹性体密封的基本原理b.液压往复运动用O形密封圈弹性体O形密封圈用作往复运动密封件时，其预密封作用和自密封作用与用作静密封时一样。但由于活塞杆往复运动时容易将液体带到O形圈和活塞杆之间，导致粘附泄漏，情况比静密封复杂。往复运动中橡胶O形圈的泄漏如图4-16.c.活塞杆密封•活塞杆密封是液压设备最关键的元件•首先保证静态密封效果，但静态密封效果好，往复运动时可能发生泄漏。•往复运动时，密封是依靠密封件与运动活塞杆之间流体膜的弹性流体动压效果实现。过程机械的动密封4.1.2往复轴密封4.1.2.1液压密封•动压密封机理(1)在外行程过程中，密封件应能将大部分液压流体刮离液压杆表面，但不可避免的有液体的密封“间隙”。(2)弹性体密封件与活塞杆之间的径向接触力，由过盈产生的接触预紧力和介质压力作用而产生的附加接触力构成。(3)活塞杆外行程中的准一维流动的雷诺润滑方程为：(4)对上式进行微分得：(5)计算图4-18拐点A处的膜厚：过程机械的动密封4.1.2往复轴密封4.1.2.1液压密封•动压密封机理(6)计算最大液膜压力处的膜厚：(7)根据质量守恒定律，可得空气侧的膜厚为最大压力处的一半：(8)粘附于活塞杆表面移动到空气侧的液压液体的体积流量为：过程机械的动密封4.1.2往复轴密封4.1.2.1液压密封•动压密封机理•流体通过密封处的量仅决定于流体压力分布曲线的最大斜率。•可用如图4-19所示，装满液体的敞口卡车翻越一座小山，最大的斜坡度控制着能被带过小山的液体量。斜坡越陡，所能带过的液体越少。•内行程的液膜压力分布一般不同于其外行程的液膜压力分布，这是因为内行程时腔体液体的压力Pi不同于外行程时的p0，活塞杆的运动速度也可能不同。•内行程带回的液体量取决于两种条件。(1)外行程带到密封外侧的液体量。不管密封如何工作，被带回的液体量不可能超过外行程带出的液体量。(2)压力分布在空气侧拐点E处的最大压力梯度WE=dp/dx。•最大回送液膜厚度：•每一往复循环产生的泄漏量•要减少泄漏，活塞杆密封应具有最大压力点靠近液体侧的三角形接触压力分布。过程机械的动密封4.1.2往复轴密封4.1.2.1液压密封•典型的活塞杆密封.O形圈密封件靠近液体侧的压力梯度小，靠近空气侧的压力梯度大，将液体反向带回的能力弱，使产生和存在泄漏的可能性很大。(1)端面形状如图4-21所示。其前部倒角a是为了容易形成润滑液膜，后部倒角B是为了提高密封的耐压能力，一般均有aB(2)图4-22显示了现代U杯形密封的接触压力分布，并与趋于淘汰的传统U杯形密封圈的压力的接触压力进行了比较..Y形圈密封件具有密封性能好，摩擦阻力小等优点.U杯形密封件过程机械的动密封4.1.2往复轴密封4.1.2.1液压密封•典型的活塞杆密封.阶梯形密封圈(1)由一个截面形状为梯形的青铜填充聚四氟乙烯(PTFE)环和O形橡胶密封圈组合形成。O形圈提供足够的密封预紧力，并对PTFE环的磨损起补偿作用。(2)图4-23为其结构和接触压力分布(3)适用于高压液压系统的活塞杆密封，使用压力为0~60MPa，往复运动线速度为5m/s，温度为-50~225C(4)阶梯形密封圈完全是按弹性流体动压润滑的原理设计的，密封唇边靠近中心平面，并由弹性O形圈加载。(5)图4-24显示了在不同流体压力下的界面形状和接触压力分布，随着压力的增加，靠近空气侧的浅锲逐渐减小，在高压下可能闭合，其接触压力分布仍维持理想的三角形形状。过程机械的动密封4.1.2往复轴密封4.1.2.1液压密封d活塞密封•对于单作用活塞，其密封的原理与活塞杆密封并无太大区别，只不过密封唇口在外侧，以实现活塞与液压缸壁的密封。•有孔用密封圈和轴用密封圈两种形式，孔用密封圈的密封唇口在外侧，用于活塞；轴用密封圈的密封唇口在内侧，用于活塞杆的密封。•对于双作用活塞，要求密封结构对径向平面对称，也可以成对采用单作用活塞密封.•图4-26a密封唇边靠近密封的边缘，而靠近中部有一浅锥。利用浅锥的流体动压作用将中间空间的流体泵出。避免中间流体压力的建立而形成较大的液膜厚度，该类密封的流体膜薄，泄漏量小。•图4-26b结构具有两个靠得很近的密封唇边，中间有一个小空腔，浅锥朝向外侧，在中间空腔内会产生足够的流体动压力来减轻密封面的接触压力，从而减小摩擦。过程机械的动密封4.1.2往复轴密封4.1.2.1液压密封e防尘密封•活塞杆的外伸表面暴露于各种环境条件，在活塞杆的内行程时，粘附于活塞杆表面的灰尘、冰渣、水滴及其他外界杂物必须被除去，因此必须安装防尘密封以避免活塞杆密封被损坏、液压系统被污染。注：防尘密封接触压力分布的最大斜率应当得到适当控制。图4-27显示了一种防尘密封的典型结构，其防尘唇口的接触压力分布，满足了防尘密封的功能要求。过程机械的动密封4.1.2往复轴密封4.1.2.2气动密封气动是“气动技术”或“气体传动与控制”的简称。该技术是以空气压缩机为动力源，以压缩气体为工作介质，进行能量传递或信号传递的工程技术，是实现各种生产控制、自动控制的重要手段之一。与液压密封相比，气动密封的压力较低；气动密封的寿命，按其滑动距离要求达到5000~20000