课程总结1流体密封的基本理论和基本知识.ppt

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1、化工装备密封技术(Sealing Technology for Chemical Engineering Equipment),实现以人为本健康安全环保经济现代化生产新理念,0.1 泄漏的主要原因,设计 制造安装或维修 工艺操作振动、冲刷、汽蚀等机械破坏环境变化（温度、压力、转速及其波动）介质腐蚀,0.前 言,0.2 流体密封技术的重要作用.虽非核心技术，但有可能是决定性技术.决定机器设备的安全性和可靠性.环境保护.能源和物质节约、提高经济效益,讲授内容,一流体密封的基本理论和基本知识 二流体静密封技术 三流体动密封的基本原理及知识 四不停车堵漏技术、泄漏检测技术,第一部分:流体密封的基本理论

2、和基本知识,1密封机理、方法和分类掌握流体泄漏的机理、密封的基本方法和流体密封的基本类型。2密封流体力学基本知识了解密封流体力学基本方程特别体润滑基本方程的物理意义、密封简单模型中流体流动（缝隙流动、孔口与夹缝出流、转盘侧隙流动及喷嘴内气体是流等熵流动）的特点及分析。3密封摩擦学基本知识了解密封摩擦学理论中摩擦、磨损与润滑的基本知识。,1.密封机理、方法和分类,1.1 泄漏机理1.2 密封方法和分类1.3 对密封产品或密封系统的基本要求1.4 流体密封技术的发展,两个隔离的区域1和2分别包含同种或不同种的流体和，但它们具有共同的边界，这些边界可以是圆柱形的，例如往复机械或旋转机械中的轴、活塞或

3、阀杆等，也可以是环形平端面，如法兰密封面。,1.密封机理、方法和分类,1.1 泄漏机理,若两个区域存在压力差、浓度差、温度差、速度差等，流体就会通过这一界面而泄漏。“密封”意味控制这两个区域之间流体的相互交换，使界面处“没有泄漏”现象。,重点：揭示泄漏方式、成因、特点及泄漏量的计算公式。,1.1.1穿漏（Penetration）定义：流体通过密封面间隙的泄漏；成因：、流体存在压力差p；、泄漏缝隙h。特点：单向泄漏，从高压测低压侧；泄漏量：是衡量密封装置密封性能的主要指标。单向周边泄漏量：,1.1.2渗漏(Percolation)定义：在压力差P的作用下，被密封流体通过密封件材料的毛细管的泄漏称

4、之为渗漏。特点：单向分子泄漏。成因：、压力差p；、密封件材料毛细管。气体重量泄漏量为 式中，r：毛细管或接触面毛细通道半径。,1.1.3扩散(Proliferation)定义：在浓度差C的作用下，密封介质通过密封间隙或密封材料的毛细管产生的泄漏，叫做扩散。成因：、介质浓度差C；、密封间隙或密封材料毛细管。特点：双向泄漏，泄漏量小。如醚类，渗透性强；采用波纹管密封。,1.2 密封方法和分类根据泄漏的成因，阻止或控制流体流动（阻流）的方法有5种：降低引起流动的推动力，p。增大阻止流体流动的能量（包括力学能量、界面摩擦、流体摩擦、热力学能量损失等）。控制流体流动方向（变有害流动为无害流动，如抽气密封

5、、浮环密封等）。切断流道。组合。,1.2 密封方法和分类密封方式（采用上面一种或多种方法）：全封闭或部分封闭将机器或设备用机壳或机罩全部密闭或部分密闭住如屏蔽泵、磁力偶合器驱动的泵。特点：无轴封和密封室。填塞或阻塞（是一种传统的密封方法）利用密封件填塞泄漏点(例如密封圈、软填科密封等)或利用流体阻塞被密封流体(例如气封、水封、铁磁流体密封等)。分隔或间隔利用密封件将泄漏点与外界分隔开（隔膜密封、机械密封等）或利用气体或液体作为中间密封流体(气垫密封、双端面机械密封等)。引出或注入将泄漏介质引回到吸入室或通常为低压的吸入侧(抽气密封)或将对被密封流体无害的流体注入密封室以阻止被密封流体的泄漏(如

6、氮气密封)。,1.2 密封方法和分类流阻或反输利用密封件狭窄间隙或曲折途径造成密封所需要的流动阻力(迷宫密封)或利用密封件对泄漏流体造成反压，使之部分平衡或完全平衡，将流体反输回上游，以达到密封的目的（如螺旋密封、上游泵送密封）。贴合或粘合利用研合密封面本身的加工质量使密封面贴合或利用密封剂使密封面粘合达到密封（密封剂、密封膏等）。焊合或压合利用焊接或钎接的方法将泄漏点堵塞或加压使接触处微观不平处变形(如垫片密封、软填料密封等)，形成固定的结合达到密封。几种密封方法的组合是密封技术的一个发展方向。,流体密封按运动方式分为：流体静密封(Static Seals)：用于密封与流体接触的可拆卸静设备

7、。如垫片(gasket)、密封胶或密封剂(sealing glue)等。流体动密封（Dynamic Seals)：用于机器中将两流体空间隔开并作相对运动（旋转、螺旋、往复摆动）的部件之间的密封。分旋转密封(rotating seals)、往复密封(reciprocating seals)、复合运动密封(complex moving seals)等。伪静密封或微动密封（Pseudo-static Seals):介于静密封与动密封之间的密封形式，表面为静密封，实则为动密封，如机械密封中补偿环用辅助密封(secondary seals)。封闭式密封(closed seals)或转化为静密封的动密封：

8、如屏蔽泵(screened pumps)、磁力传动泵(magnetic transmission pumps)和全封闭式压缩机(closed compressors)等将动密封转化为静密封的机器设备。,流体静密封分类,垫片密封。按材料和结构分为：非金属垫片：橡胶、石棉橡胶、柔性石墨、聚四氟乙烯等，截面形状均为矩形。金属复合型垫片：各种金属包垫、金属缠绕垫。金属垫片：金属平垫、波形垫、环形垫、齿形垫、透镜垫、三角垫、双锥环、C形环、中空O形环。按密封分类原则：金属平垫、波形垫、环形垫、齿形垫、透镜垫属于强制式密封，其余为自紧式或半自紧式密封。胶密封。填料密封。波纹管。,流体动密封分类,接触式动密

9、封。软填料密封。成型填料密封。油封。防尘密封。接触式机械密封。非接触式动密封。非接触式机械密封（气膜密封、液膜密封等）。迷宫密封。浮环密封。间隙密封。螺旋密封。离心密封。磁流体密封。封闭式密封。组合式密封。,1.3 对密封产品或密封系统的要求密封性：实现密封介质的低微泄漏甚至无泄漏（包括液相零泄漏和汽相零逸出），实现环保功能。可靠性：使用寿命长、稳定性高、抗干扰能力强。经济性：成本低、能耗和运行费用少、使用维修方便性价比高。适用性：能满足机泵具体的工艺条件要求和现场能提供的实际条件。,1.4 流体密封技术的发展趋势,随着现代工业的迅速发展，流体密封的使用环境正在发生深刻的变化，对其工况要求更加

10、苛刻，操作条件正向高速、高压、高温、低温、高真空、大尺寸、微尺寸方向发展。以石油化工为例，石化用机泵的发展方向是大型化、高速化、机电一体化，泵产品成套化、标准化、系列化和通用化，多品种、性能广、寿命长及可靠性高；使机泵用密封向大型化和专业化方向发展，特别是适用高压、高速透平，高温、低温和超低温泵，高速泵，耐腐蚀泵，输送粘稠介质和带固体颗粒介质泵的密封技术和产品发展很快。电力、冶金等行业设备正向着大型化、高度自动化、智能化、节能和绿色环保的方向发展，对于高温、高压密封要求越来越高。比如发电设备，压力要求能承受2728MPa，耐热温度要求达到600，这都需要密封等设备能够耐高温高压。,(1)密封理

11、论、技术和产品不断创新 新技术、新概念、新结构、新材料、新工艺（结构是先导，材料是基础，工艺是保证）和新标准不断涌现；高参数(如高压、高速、高温、大直径)；高性能(如干运转、零泄漏、无油润滑、密封浆液、高含固体颗粒)；高可靠性和高水平(如高PV值、大型剖分式、状态监控)密封产品大量研制。重点：密封失效机理(如疱疤、热裂、空化-汽蚀、橡胶密封圈泡胀和老化)、失效分析(如可靠性和失效概率)、密封失效专家诊断系统、失效监控技术(如流体膜、摩擦状态和相态)的研究和应用。,(2)密封设计由简易的经验性设计向理论性专家系统设计转变经验性设计：以机械密封为例，传统的设计方法是根据经验性知识，确立密封的几何参

12、数和弹簧压力，依此计算出端面接触压力Pc、线速度V、摩擦功耗、摩擦热、冲洗液量，并确定相应的辅助系统；计算机辅助设计主要局限于密封零部件的绘制。理论性专家系统设计：先进的理论性专家系统设计则是以计算机为工具，根据具体的工艺条件，采用完善的专业数据库和软件，对密封进行性能分析、动态仿真、结构优化、参数化设计，尽可能在设计阶段使密封的使用性能达到最优，实现设计的合理准确和快捷高效，满足密封的规模化和专业化生产的需要。,(3)密封使用范围不断拓宽机械设备方面：机械密封不仅机泵阀采用，而且工艺设备(如反应釜、转盘塔、搅拌机、离心机等)都采用。工业领域方面：石化、石油、化工、造纸、汽车、船舶、家电、机械

13、制造、冶金、矿业开采、原子能工业、航空航天、军工、电力、医药、食品加工等重要工业领域。工况参数方面：高压、高速、高PV值、高温、低温、高真空等。(4)重视密封系统的开发、应用和维护过去只重视单独密封件的开发、使用和维护，现在已经发展到重视整个密封系统（包括密封件和密封辅助系统），而且已制订了新的转子泵用密封系统标准(API-682“离心泵与转子泵的轴封系统”标准)。,(5)注意安全和环境保护、倡导节能减排过去只注意眼睛可视的“泄漏”，不注意眼睛看不见的易挥发物的气相“逸出”；现在发展到要求控制易挥发物的逸出量，也就是说从要求“零泄漏”到要求“零逸出”。美国摩擦学家和润滑工程师学会(简称STLE

14、摩润学会)已制订了SP-30易挥发物逸出量控制规定的指南。大力推广应用无危害性泄漏的非接触式气膜密封和液膜密封产品，在能够满足环保要求的前提下，可极大提高流体机械运行的可靠性和经济性，实现以人为本的简况、安全、环保和经济的现代化生产的理念。(6)密封可靠性不断提高在石油化工方面，为了延长工艺装置的检修周期和装置的操作周期，要求机械密封的工作寿命由1年延长到2年，国外由2年延长到3年甚至5年(API682中作了明确规定)。,(7)开发出适应性强的“个性化”实用密封技术和产品不仅要求不断研制出高性能新的密封产品，更重要的是要根据具体的工况条件研制开发出针对性很强的密封技术和产品，并使其得到实际应用

15、。(8)实现“专家型”产品推销要求市场推销人员（或销售工程师）不仅要与用户建立良好的业务关系，更应具备丰富的密封技术知识，正确分析解答现场问题，熟知产品特性。(9)重视技术培训和技术咨询服务涉及对企业内部员工的技术培训和对现场安装、使用和维护维修人员的技术性咨询服务两个方面。,2.密封流体力学基本知识,雷诺方程（Reynolds Equation）,密封流动模型,缝隙流动（机械密封、填料密封、口环密封等间隙 密封、浮环密封等）,2.密封流体力学基本知识,孔口夹缝出流（喷嘴、同心环缝、迷宫密封等）,转盘侧隙旋流（轮盘密封）,(a)收缩喷管；(b)扩张喷管；(c)缩放(拉瓦尔)喷管,喷管气流,摩擦

16、学：研究作相对运动的相互作用表面及其有关理论与实践的一门科学和技术，包括摩擦科学和技术。是一门多学科交叉的边缘学科。涉及三部分内容：摩擦、磨损和润滑。摩擦（Friction）：研究具有相对运动的、相互作用的表面间的有关理论与实践问题；两个相互接触物体在外力作用下，发生相对运动（或着有相对运动趋势）时产生切向阻力的物理现象。磨损（Wear）：摩擦产生的重要现象之一，由于表面相对运动而不断发生损耗的过程或者产生残余变形的现象。润滑（Lubrication）:降低磨损和减少磨损的主要措施。,3.密封摩擦学基本知识,3.1 摩擦表面形貌与表面接触了解和研究摩擦表面形态和接触状态是分析摩擦磨损和润滑问题

17、的基础。任何摩擦表面均由许多不同形状的微凸峰和凹谷组成。表面几何特征对于摩擦磨损和润滑起着决定性的影响。摩擦表面几何形状由表面粗糙度、表面波度和表面形状误差（如机械密封端面平直度）三部分组成（表面几何形状：图3-1）表面粗糙度是最常用的表面形貌参数，是取表面上某一个截面的外形轮廓曲线来表示（表面轮廓曲线：图3-23-6）。,图3-1 固体表面的几何形状图3-2 表面轮廓的算术平均差 图3-3 微光不平度十点平均高度,3.2 实际粗糙表面的接触名义接触面积An：宏观几何尺寸所决定的面积。轮廓接触面积Ac：两物体在外载荷作用下相互挤压时，接触斑点将出现在表面的波峰上，轮廓接触微元面积的总和即为接触

18、面积，其大小与轮廓形状及所受载荷有关。实际接触面积Ar：由微突体接触变形区域所形成的面积之和。对机械密封端面，表面粗糙度为Ra0.050.2，实际接触面积不到1%。,3.3 各种摩擦状态及其特征对比,3.4磨损的主要形式,磨损是伴随摩擦而产生的必然结果，是相互接触的物体在相对运动时，表层材料不断发生损耗的过程或者产生残余变形的现象。磨损不仅是材料消耗的主要原因，也是影响机器使用寿命的主要原因。材料的损耗，最终反映到能源的消耗上，减少磨损是节约能源不可忽视的一环。在现代工业自动化、连续化的生产中，某一零件的磨损失效，就会影响全线的生产。为了延长机械零件的使用寿命，必须探讨磨损机理、磨损规律、影响

19、因素以及减少磨损的途径。机械零件失效的主要原因：磨损、强度、腐蚀。,磨损主要形式：粘着磨损、磨料磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损。粘着磨损：相对运动时，由于固相焊接，接触点的材料由一个表面转移到另个表面。如：铝活塞与缸体内壁的擦伤。磨料磨损：由硬质颗粒或较硬材料上的微突体引起表面擦伤或表层材料脱落。最常见。如：球磨机、破碎机、机械密封等。,图 二体和三体磨料磨损示意图,疲劳磨损：在交变周期性载荷的作用下，使摩擦副接触区产生很大的变形和应力，并形成裂纹而破坏。疲劳裂纹一般是在有缺陷的部位产生。如：滚动轴承、齿轮副等。微动磨损：两个表面之间由于振幅很小的相对运动而产生的磨损。如：花键、传动销

20、、螺钉的结合面上等。腐蚀磨损：在化学或电化学反应的作用下产生的磨损，如氧化腐蚀磨损、特种介质腐蚀磨损、冲蚀和汽蚀等。如：水泵叶轮、水轮机叶片等。,应当明确：多数磨损是以复合形式出现的，如微动磨损就是一种复合磨损形式。在实际工程中，应抓住主要的磨损形式，才能采取有效措施，以减少磨损，延长寿命。磨损规律及影响因素机器零件的工作过程分为三个阶段：跑合阶段、稳定磨损阶段、急剧磨损阶段。应尽可能延长稳定磨损阶段。磨损的影响因素主要有：材料、表面硬度、滑动速度、载荷、表面温度、表面粗糙度、表面粘附物以及润滑等。,图 磨损量-时间曲线与磨损速度-时间曲线,减少磨损的基本措施材料的选择：相同金属材料的磨损率大

21、于不同金属材料的磨损率，金属材料配对摩擦副的磨损率大于金属材料与非金属材料配对的摩擦副。润滑：使摩擦副在流体润滑状态下工作。表面强化处理：渗碳、渗氮、喷沙等表面处理工艺。结构设计：如采用转移性原则，使一摩擦面磨损而保护另一摩擦面。如：滑动轴承表面油槽的布置，提高其承载能力。使用保养。,3.5 润滑,是减少机械零部件磨损、延长使用寿命的有效措施。为了减少机器的磨损和发热,保证安全运转,延长使用寿命和降低能源的消耗,摩擦副表面间进行润滑。主要的润滑剂为液体润滑油。据推算,全世界用于动力的能源,约有30%40%消耗在无效摩擦上。因此改善机械的润滑,减少摩擦及其损失,是节约能源的有效措施。,润滑分为流

22、体润滑和非流体润滑两种。当工作状态为流体润滑时，两摩擦表面不直接接触，由一层厚度为1.52m以上润滑油膜完全隔开，依靠润滑油的压力来平衡外载荷。由于两摩擦表面不直接接触，产生的摩擦为润滑油分子间的内摩擦，因此摩擦系数很小，通常为0.0010.008，从而降低了磨损，改变了摩擦副的工作性能。依流体润滑油膜压力形成的方式不同，将流体润滑分为流体动压润滑、流体静压润滑和弹性流体动压润滑三大类。,流体动压润滑由摩擦表面间形成的收敛油楔和相对运动，由粘性流体形成压力以平衡外载荷。（图3-37，图3-38）。,流体动压型；(b)流体静压型；(c)挤压模型；(d)流体动、静压混合型图3-37 流体膜润滑效应

23、,图3-38 各种密封面、流槽形状及对中误差,图3-38 各种密封面、流槽形状及对中误差（续）,理论依据：流体润滑理论的基本方程雷诺方程。动压流体润滑三个必备条件：摩擦面间存在收敛间隙、粘性流体、相对运动。举例：滑动轴承、浮环密封、干气密封、上游泵送机械密封等,压差流,剪切流,挤压流,流体静压润滑在外部压力源的作用下，由内部压差流动引起的，与配合面的相对运动无关（图3-42）。如：流体静压滑动轴承、流体静压型机械密封等。(a)径向波度；(b)凹槽；(c)台阶；(d)节流孔；(e)毛细管；(f)过平衡型；(g)汽化；(h)平行面（表面张力）；(i)收敛凹面；(j)收敛图面；(k)扩散面；(l)收敛锥面图3-42 产生密封流体静压效应的密封面形状,弹性流体动压润滑型特征：摩擦副材料发生变形、润滑介质粘度随压力（及温度）变化。如：重载滚动轴承（图3-48），唇型油封（图3-54），热流体动压机械密封（图3-55）。,图3-48 弹流压力分布及变形,重点内容,泄漏的主要原因及其危害；流体密封技术的重要作用；泄漏方式及其特点；密封的基本方法和分类；密封产品或密封系统的基本要求；流体密封技术的发展趋势；雷诺方程的推导及各项的物理意义；密封模型中流体流动特点分析；四种摩擦状态及其特点；磨损的主要形式及其特征；磨损规律及其影响因素；流体动压润滑、流体静压润滑和弹性流体动压润滑的原理及特点。,