工藝技術(shù)_化工裝備密封工藝技術(shù)

化工裝備密封技術(shù) SealingTechnologyforChemicalEngineeringEquipment 主講人 郝木明 實(shí)現(xiàn)以人為本 健康安全環(huán)保經(jīng)濟(jì) 現(xiàn)代化生產(chǎn)新理念 0 1泄漏的主要原因 設(shè)計(jì)制造安裝或維修工藝操作振動(dòng) 沖刷 汽蝕等機(jī)械破壞環(huán)境變化 溫度 壓力 轉(zhuǎn)速及其波動(dòng) 介質(zhì)腐蝕 0 前言 0 2流體密封技術(shù)的重要作用 雖非核心技術(shù) 但有可能是決定性技術(shù) 決定機(jī)器設(shè)備的安全性和可靠性 環(huán)境保護(hù) 能源和物質(zhì)節(jié)約 提高經(jīng)濟(jì)效益 講授內(nèi)容 一 流體密封的基本理論和基本知識(shí)二 流體靜密封技術(shù)三 流體動(dòng)密封的基本原理及知識(shí)四 不停車堵漏技術(shù) 泄漏檢測(cè)技術(shù) 第一部分 流體密封的基本理論和基本知識(shí) 1 密封機(jī)理 方法和分類掌握流體泄漏的機(jī)理 密封的基本方法和流體密封的基本類型 2 密封流體力學(xué)基本知識(shí)了解密封流體力學(xué)基本方程特別體潤滑基本方程的物理意義 密封簡單模型中流體流動(dòng) 縫隙流動(dòng) 孔口與夾縫出流 轉(zhuǎn)盤側(cè)隙流動(dòng)及噴嘴內(nèi)氣體是流等熵流動(dòng) 的特點(diǎn)及分析 3 密封摩擦學(xué)基本知識(shí)了解密封摩擦學(xué)理論中摩擦 磨損與潤滑的基本知識(shí) 1 密封機(jī)理 方法和分類 1 1泄漏機(jī)理1 2密封方法和分類1 3對(duì)密封產(chǎn)品或密封系統(tǒng)的基本要求1 4流體密封技術(shù)的發(fā)展 兩個(gè)隔離的區(qū)域1和2分別包含同種或不同種的流體 和 但它們具有共同的邊界 這些邊界可以是圓柱形的 例如往復(fù)機(jī)械或旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的軸 活塞或閥桿等 也可以是環(huán)形平端面 如法蘭密封面 1 密封機(jī)理 方法和分類 1 1泄漏機(jī)理 若兩個(gè)區(qū)域存在壓力差 濃度差 溫度差 速度差等 流體就會(huì)通過這一界面而泄漏 密封 意味控制這兩個(gè)區(qū)域之間流體的相互交換 使界面處 沒有泄漏 現(xiàn)象 重點(diǎn) 揭示泄漏方式 成因 特點(diǎn)及泄漏量的計(jì)算公式 1 1 1穿漏 Penetration 定義 流體通過密封面間隙的泄漏 成因 流體存在壓力差 p 泄漏縫隙h 特點(diǎn) 單向泄漏 從高壓測(cè) 低壓側(cè) 泄漏量 是衡量密封裝置密封性能的主要指標(biāo) 單向周邊泄漏量 1 1 2滲漏 Percolation 定義 在壓力差 P的作用下 被密封流體通過密封件材料的毛細(xì)管的泄漏稱之為滲漏 特點(diǎn) 單向分子泄漏 成因 壓力差 p 密封件材料毛細(xì)管 氣體重量泄漏量為式中 r 毛細(xì)管或接觸面毛細(xì)通道半徑 1 1 3擴(kuò)散 Proliferation 定義 在濃度差 C的作用下 密封介質(zhì)通過密封間隙或密封材料的毛細(xì)管產(chǎn)生的泄漏 叫做擴(kuò)散 成因 介質(zhì)濃度差 C 密封間隙或密封材料毛細(xì)管 特點(diǎn) 雙向泄漏 泄漏量小 如醚類 滲透性強(qiáng) 采用波紋管密封 1 2密封方法和分類根據(jù)泄漏的成因 阻止或控制流體流動(dòng) 阻流 的方法有5種 降低引起流動(dòng)的推動(dòng)力 p 增大阻止流體流動(dòng)的能量 包括力學(xué)能量 界面摩擦 流體摩擦 熱力學(xué)能量損失等 控制流體流動(dòng)方向 變有害流動(dòng)為無害流動(dòng) 如抽氣密封 浮環(huán)密封等 切斷流道 組合 1 2密封方法和分類密封方式 采用上面一種或多種方法 全封閉或部分封閉將機(jī)器或設(shè)備用機(jī)殼或機(jī)罩全部密閉或部分密閉住如屏蔽泵 磁力偶合器驅(qū)動(dòng)的泵 特點(diǎn) 無軸封和密封室 填塞或阻塞 是一種傳統(tǒng)的密封方法 利用密封件填塞泄漏點(diǎn) 例如密封圈 軟填科密封等 或利用流體阻塞被密封流體 例如氣封 水封 鐵磁流體密封等 分隔或間隔利用密封件將泄漏點(diǎn)與外界分隔開 隔膜密封 機(jī)械密封等 或利用氣體或液體作為中間密封流體 氣墊密封 雙端面機(jī)械密封等 引出或注入將泄漏介質(zhì)引回到吸入室或通常為低壓的吸入側(cè) 抽氣密封 或?qū)?duì)被密封流體無害的流體注入密封室以阻止被密封流體的泄漏 如氮?dú)饷芊?1 2密封方法和分類 流阻或反輸利用密封件狹窄間隙或曲折途徑造成密封所需要的流動(dòng)阻力 迷宮密封 或利用密封件對(duì)泄漏流體造成反壓 使之部分平衡或完全平衡 將流體反輸回上游 以達(dá)到密封的目的 如螺旋密封 上游泵送密封 貼合或粘合利用研合密封面本身的加工質(zhì)量使密封面貼合或利用密封劑使密封面粘合達(dá)到密封 密封劑 密封膏等 焊合或壓合利用焊接或釬接的方法將泄漏點(diǎn)堵塞或加壓使接觸處微觀不平處變形 如墊片密封 軟填料密封等 形成固定的結(jié)合達(dá)到密封 幾種密封方法的組合是密封技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向 流體密封按運(yùn)動(dòng)方式分為 流體靜密封 StaticSeals 用于密封與流體接觸的可拆卸靜設(shè)備 如墊片 gasket 密封膠或密封劑 sealingglue 等 流體動(dòng)密封 DynamicSeals 用于機(jī)器中將兩流體空間隔開并作相對(duì)運(yùn)動(dòng) 旋轉(zhuǎn) 螺旋 往復(fù)擺動(dòng) 的部件之間的密封 分旋轉(zhuǎn)密封 rotatingseals 往復(fù)密封 reciprocatingseals 復(fù)合運(yùn)動(dòng)密封 complexmovingseals 等 偽靜密封或微動(dòng)密封 Pseudo staticSeals 介于靜密封與動(dòng)密封之間的密封形式 表面為靜密封 實(shí)則為動(dòng)密封 如機(jī)械密封中補(bǔ)償環(huán)用輔助密封 secondaryseals 封閉式密封 closedseals 或轉(zhuǎn)化為靜密封的動(dòng)密封 如屏蔽泵 screenedpumps 磁力傳動(dòng)泵 magnetictransmissionpumps 和全封閉式壓縮機(jī) closedcompressors 等將動(dòng)密封轉(zhuǎn)化為靜密封的機(jī)器設(shè)備 流體靜密封分類 墊片密封 按材料和結(jié)構(gòu)分為 非金屬墊片 橡膠 石棉橡膠 柔性石墨 聚四氟乙烯等 截面形狀均為矩形 金屬復(fù)合型墊片 各種金屬包墊 金屬纏繞墊 金屬墊片 金屬平墊 波形墊 環(huán)形墊 齒形墊 透鏡墊 三角墊 雙錐環(huán) C形環(huán) 中空O形環(huán) 按密封分類原則 金屬平墊 波形墊 環(huán)形墊 齒形墊 透鏡墊屬于強(qiáng)制式密封 其余為自緊式或半自緊式密封 膠密封 填料密封 波紋管 流體動(dòng)密封分類 接觸式動(dòng)密封 軟填料密封 成型填料密封 油封 防塵密封 接觸式機(jī)械密封 非接觸式動(dòng)密封 非接觸式機(jī)械密封 氣膜密封 液膜密封等 迷宮密封 浮環(huán)密封 間隙密封 螺旋密封 離心密封 磁流體密封 封閉式密封 組合式密封 1 3對(duì)密封產(chǎn)品或密封系統(tǒng)的要求密封性 實(shí)現(xiàn)密封介質(zhì)的低微泄漏甚至無泄漏 包括液相零泄漏和汽相零逸出 實(shí)現(xiàn)環(huán)保功能 可靠性 使用壽命長 穩(wěn)定性高 抗干擾能力強(qiáng) 經(jīng)濟(jì)性 成本低 能耗和運(yùn)行費(fèi)用少 使用維修方便 性價(jià)比高 適用性 能滿足機(jī)泵具體的工藝條件要求和現(xiàn)場(chǎng)能提供的實(shí)際條件 1 4流體密封技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展 流體密封的使用環(huán)境正在發(fā)生深刻的變化 對(duì)其工況要求更加苛刻 操作條件正向高速 高壓 高溫 低溫 高真空 大尺寸 微尺寸方向發(fā)展 以石油化工為例 石化用機(jī)泵的發(fā)展方向是大型化 高速化 機(jī)電一體化 泵產(chǎn)品成套化 標(biāo)準(zhǔn)化 系列化和通用化 多品種 性能廣 壽命長及可靠性高 使機(jī)泵用密封向大型化和專業(yè)化方向發(fā)展 特別是適用高壓 高速透平 高溫 低溫和超低溫泵 高速泵 耐腐蝕泵 輸送粘稠介質(zhì)和帶固體顆粒介質(zhì)泵的密封技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展很快 電力 冶金等行業(yè)設(shè)備正向著大型化 高度自動(dòng)化 智能化 節(jié)能和綠色環(huán)保的方向發(fā)展 對(duì)于高溫 高壓密封要求越來越高 比如發(fā)電設(shè)備 壓力要求能承受27 28MPa 耐熱溫度要求達(dá)到600 這都需要密封等設(shè)備能夠耐高溫高壓 1 密封理論 技術(shù)和產(chǎn)品不斷創(chuàng)新新技術(shù) 新概念 新結(jié)構(gòu) 新材料 新工藝 結(jié)構(gòu)是先導(dǎo) 材料是基礎(chǔ) 工藝是保證 和新標(biāo)準(zhǔn)不斷涌現(xiàn) 高參數(shù) 如高壓 高速 高溫 大直徑 高性能 如干運(yùn)轉(zhuǎn) 零泄漏 無油潤滑 密封漿液 高含固體顆粒 高可靠性和高水平 如高PV值 大型剖分式 狀態(tài)監(jiān)控 密封產(chǎn)品大量研制 重點(diǎn) 密封失效機(jī)理 如皰疤 熱裂 空化 汽蝕 橡膠密封圈泡脹和老化 失效分析 如可靠性和失效概率 密封失效專家診斷系統(tǒng) 失效監(jiān)控技術(shù) 如流體膜 摩擦狀態(tài)和相態(tài) 的研究和應(yīng)用 2 密封設(shè)計(jì)由簡易的經(jīng)驗(yàn)性設(shè)計(jì)向理論性專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變經(jīng)驗(yàn)性設(shè)計(jì) 以機(jī)械密封為例 傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)性知識(shí) 確立密封的幾何參數(shù)和彈簧壓力 依此計(jì)算出端面接觸壓力Pc 線速度V 摩擦功耗 摩擦熱 沖洗液量 并確定相應(yīng)的輔助系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)主要局限于密封零部件的繪制 理論性專家系統(tǒng)設(shè)計(jì) 先進(jìn)的理論性專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)則是以計(jì)算機(jī)為工具 根據(jù)具體的工藝條件 采用完善的專業(yè)數(shù)據(jù)庫和軟件 對(duì)密封進(jìn)行性能分析 動(dòng)態(tài)仿真 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 參數(shù)化設(shè)計(jì) 盡可能在設(shè)計(jì)階段使密封的使用性能達(dá)到最優(yōu) 實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的合理準(zhǔn)確和快捷高效 滿足密封的規(guī)模化和專業(yè)化生產(chǎn)的需要 3 密封使用范圍不斷拓寬機(jī)械設(shè)備方面 機(jī)械密封不僅機(jī)泵閥采用 而且工藝設(shè)備 如反應(yīng)釜 轉(zhuǎn)盤塔 攪拌機(jī) 離心機(jī)等 都采用 工業(yè)領(lǐng)域方面 石化 石油 化工 造紙 汽車 船舶 家電 機(jī)械制造 冶金 礦業(yè)開采 原子能工業(yè) 航空航天 軍工 電力 醫(yī)藥 食品加工等重要工業(yè)領(lǐng)域 工況參數(shù)方面 高壓 高速 高PV值 高溫 低溫 高真空等 4 重視密封系統(tǒng)的開發(fā) 應(yīng)用和維護(hù)過去只重視單獨(dú)密封件的開發(fā) 使用和維護(hù) 現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到重視整個(gè)密封系統(tǒng) 包括密封件和密封輔助系統(tǒng) 而且已制訂了新的轉(zhuǎn)子泵用密封系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn) API 682 離心泵與轉(zhuǎn)子泵的軸封系統(tǒng) 標(biāo)準(zhǔn) 5 注意安全和環(huán)境保護(hù) 倡導(dǎo)節(jié)能減排過去只注意眼睛可視的 泄漏 不注意眼睛看不見的易揮發(fā)物的氣相 逸出 現(xiàn)在發(fā)展到要求控制易揮發(fā)物的逸出量 也就是說從要求 零泄漏 到要求 零逸出 美國摩擦學(xué)家和潤滑工程師學(xué)會(huì) 簡稱STLE摩潤學(xué)會(huì) 已制訂了SP 30易揮發(fā)物逸出量控制規(guī)定的指南 大力推廣應(yīng)用無危害性泄漏的非接觸式氣膜密封和液膜密封產(chǎn)品 在能夠滿足環(huán)保要求的前提下 可極大提高流體機(jī)械運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性 實(shí)現(xiàn)以人為本的簡況 安全 環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)代化生產(chǎn)的理念 6 密封可靠性不斷提高在石油化工方面 為了延長工藝裝置的檢修周期和裝置的操作周期 要求機(jī)械密封的工作壽命由1年延長到2年 國外由2年延長到3年甚至5年 API682中作了明確規(guī)定 7 開發(fā)出適應(yīng)性強(qiáng)的 個(gè)性化 實(shí)用密封技術(shù)和產(chǎn)品不僅要求不斷研制出高性能新的密封產(chǎn)品 更重要的是要根據(jù)具體的工況條件研制開發(fā)出針對(duì)性很強(qiáng)的密封技術(shù)和產(chǎn)品 并使其得到實(shí)際應(yīng)用 8 實(shí)現(xiàn) 專家型 產(chǎn)品推銷要求市場(chǎng)推銷人員 或銷售工程師 不僅要與用戶建立良好的業(yè)務(wù)關(guān)系 更應(yīng)具備豐富的密封技術(shù)知識(shí) 正確分析解答現(xiàn)場(chǎng)問題 熟知產(chǎn)品特性 9 重視技術(shù)培訓(xùn)和技術(shù)咨詢服務(wù)涉及對(duì)企業(yè)內(nèi)部員工的技術(shù)培訓(xùn)和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝 使用和維護(hù)維修人員的技術(shù)性咨詢服務(wù)兩個(gè)方面 2 密封流體力學(xué)基本知識(shí) 雷諾方程 ReynoldsEquation 密封流動(dòng)模型 縫隙流動(dòng) 機(jī)械密封 填料密封 口環(huán)密封等間隙密封 浮環(huán)密封等 2 密封流體力學(xué)基本知識(shí) 孔口夾縫出流 噴嘴 同心環(huán)縫 迷宮密封等 轉(zhuǎn)盤側(cè)隙旋流 輪盤密封 a 收縮噴管 b 擴(kuò)張噴管 c 縮放 拉瓦爾 噴管 噴管氣流 摩擦學(xué) 研究作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的相互作用表面及其有關(guān)理論與實(shí)踐的一門科學(xué)和技術(shù) 包括摩擦科學(xué)和技術(shù) 是一門多學(xué)科交叉的邊緣學(xué)科 涉及三部分內(nèi)容 摩擦 磨損和潤滑 摩擦 Friction 研究具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的 相互作用的表面間的有關(guān)理論與實(shí)踐問題 兩個(gè)相互接觸物體在外力作用下 發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng) 或著有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì) 時(shí)產(chǎn)生切向阻力的物理現(xiàn)象 磨損 Wear 摩擦產(chǎn)生的重要現(xiàn)象之一 由于表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)而不斷發(fā)生損耗的過程或者產(chǎn)生殘余變形的現(xiàn)象 潤滑 Lubrication 降低磨損和減少磨損的主要措施 3 密封摩擦學(xué)基本知識(shí) 3 1摩擦表面形貌與表面接觸了解和研究摩擦表面形態(tài)和接觸狀態(tài)是分析摩擦磨損和潤滑問題的基礎(chǔ) 任何摩擦表面均由許多不同形狀的微凸峰和凹谷組成 表面幾何特征對(duì)于摩擦磨損和潤滑起著決定性的影響 摩擦表面幾何形狀由表面粗糙度 表面波度和表面形狀誤差 如機(jī)械密封端面平直度 三部分組成 表面幾何形狀 圖3 1 表面粗糙度是最常用的表面形貌參數(shù) 是取表面上某一個(gè)截面的外形輪廓曲線來表示 表面輪廓曲線 圖3 2 3 6 圖3 1固體表面的幾何形狀圖3 2表面輪廓的算術(shù)平均差圖3 3微光不平度十點(diǎn)平均高度 3 2實(shí)際粗糙表面的接觸名義接觸面積An 宏觀幾何尺寸所決定的面積 輪廓接觸面積Ac 兩物體在外載荷作用下相互擠壓時(shí) 接觸斑點(diǎn)將出現(xiàn)在表面的波峰上 輪廓接觸微元面積的總和即為接觸面積 其大小與輪廓形狀及所受載荷有關(guān) 實(shí)際接觸面積Ar 由微突體接觸變形區(qū)域所形成的面積之和 對(duì)機(jī)械密封端面 表面粗糙度為Ra0 05 0 2 實(shí)際接觸面積不到1 3 3各種摩擦狀態(tài)及其特征對(duì)比 3 4磨損的主要形式 磨損是伴隨摩擦而產(chǎn)生的必然結(jié)果 是相互接觸的物體在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí) 表層材料不斷發(fā)生損耗的過程或者產(chǎn)生殘余變形的現(xiàn)象 磨損不僅是材料消耗的主要原因 也是影響機(jī)器使用壽命的主要原因 材料的損耗 最終反映到能源的消耗上 減少磨損是節(jié)約能源不可忽視的一環(huán) 在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化 連續(xù)化的生產(chǎn)中 某一零件的磨損失效 就會(huì)影響全線的生產(chǎn) 為了延長機(jī)械零件的使用壽命 必須探討磨損機(jī)理 磨損規(guī)律 影響因素以及減少磨損的途徑 機(jī)械零件失效的主要原因 磨損 強(qiáng)度 腐蝕 磨損主要形式 粘著磨損 磨料磨損 表面疲勞磨損 腐蝕磨損和微動(dòng)磨損 粘著磨損 相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí) 由于固相焊接 接觸點(diǎn)的材料由一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另個(gè)表面 如 鋁活塞與缸體內(nèi)壁的擦傷 磨料磨損 由硬質(zhì)顆?；蜉^硬材料上的微突體引起表面擦傷或表層材料脫落 最常見 如 球磨機(jī) 破碎機(jī) 機(jī)械密封等 圖二體和三體磨料磨損示意圖 疲勞磨損 在交變周期性載荷的作用下 使摩擦副接觸區(qū)產(chǎn)生很大的變形和應(yīng)力 并形成裂紋而破壞 疲勞裂紋一般是在有缺陷的部位產(chǎn)生 如 滾動(dòng)軸承 齒輪副等 微動(dòng)磨損 兩個(gè)表面之間由于振幅很小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的磨損 如 花鍵 傳動(dòng)銷 螺釘?shù)慕Y(jié)合面上等 腐蝕磨損 在化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)的作用下產(chǎn)生的磨損 如氧化腐蝕磨損 特種介質(zhì)腐蝕磨損 沖蝕和汽蝕等 如 水泵葉輪 水輪機(jī)葉片等 應(yīng)當(dāng)明確 多數(shù)磨損是以復(fù)合形式出現(xiàn)的 如微動(dòng)磨損就是一種復(fù)合磨損形式 在實(shí)際工程中 應(yīng)抓住主要的磨損形式 才能采取有效措施 以減少磨損 延長壽命 磨損規(guī)律及影響因素機(jī)器零件的工作過程分為三個(gè)階段 跑合階段 穩(wěn)定磨損階段 急劇磨損階段 應(yīng)盡可能延長穩(wěn)定磨損階段 磨損的影響因素主要有 材料 表面硬度 滑動(dòng)速度 載荷 表面溫度 表面粗糙度 表面粘附物以及潤滑等 圖磨損量 時(shí)間曲線與磨損速度 時(shí)間曲線 減少磨損的基本措施 材料的選擇 相同金屬材料的磨損率大于不同金屬材料的磨損率 金屬材料配對(duì)摩擦副的磨損率大于金屬材料與非金屬材料配對(duì)的摩擦副 潤滑 使摩擦副在流體潤滑狀態(tài)下工作 表面強(qiáng)化處理 滲碳 滲氮 噴沙等表面處理工藝 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 如采用轉(zhuǎn)移性原則 使一摩擦面磨損而保護(hù)另一摩擦面 如 滑動(dòng)軸承表面油槽的布置 提高其承載能力 使用保養(yǎng) 3 5潤滑 是減少機(jī)械零部件磨損 延長使用壽命的有效措施 為了減少機(jī)器的磨損和發(fā)熱 保證安全運(yùn)轉(zhuǎn) 延長使用壽命和降低能源的消耗 摩擦副表面間進(jìn)行潤滑 主要的潤滑劑為液體潤滑油 據(jù)推算 全世界用于動(dòng)力的能源 約有30 40 消耗在無效摩擦上 因此改善機(jī)械的潤滑 減少摩擦及其損失 是節(jié)約能源的有效措施 潤滑分為流體潤滑和非流體潤滑兩種 當(dāng)工作狀態(tài)為流體潤滑時(shí) 兩摩擦表面不直接接觸 由一層厚度為1 5 2 m以上潤滑油膜完全隔開 依靠潤滑油的壓力來平衡外載荷 由于兩摩擦表面不直接接觸 產(chǎn)生的摩擦為潤滑油分子間的內(nèi)摩擦 因此摩擦系數(shù)很小 通常為0 001 0 008 從而降低了磨損 改變了摩擦副的工作性能 依流體潤滑油膜壓力形成的方式