机械封闭相变半径和温度的研究

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1、机械封闭相变半径和温度的研究第一章绪论1.1课题、研究的目的及意义本课题于国家十二五科技支撑计划重点项目高参数粟机械密封装置关键技术研究与应用，编号2011BAF09B05。机械端面密封(MechanicalEndFaceSeal)简称为机械密封，是依靠弹性元件对动静环的压紧以及被密封介质的压力而密封的轴向端面密封装置⑴。普通的机械密封大多为接触式机械密封，其动静环端面由微凸体接触。由于结构简单，泄漏量较小，所以机械密封使用广泛，尤其在石油化工行业发挥了重要的作用[2]。机械密封在工作中，动静密封环相接触，在工作时由于滑动摩擦会在接触摩擦端面产生大量的

2、热量，其次，密封件的旋转搅拌产生搅拌热，这些热量对其密封性能有很大的影响，密封温度升高可能使得密封环由于热应力而产生热变形，甚至龟裂。密封动静环的相对运动产生摩擦热，会使两环接触间隙中的被密封介质发生相变。相变的发生原因除了介质温度高，还受到其他操作参数以及机械密封自身几何因素的影响。密封发生相变会对其工作稳定性、密封效率以及设备使用寿命等产生影响。本课题旨在对石化设备典型栗的密封在其工作环境下进行稳态结构分析和热分析，进而计算出密封端面间被密封介质相变半径并分析影响其大小的因素，在此基础上，结合API682标准，分析改善密封温度场的措施，以提高密封工

3、作稳定性。1.2机械密封相变研究现状1.2.1机械密封相变的国内研究状况机械密封的出现解决了转轴式机械的密封问题。机械密封同填料密封相比，由于自身的结构特点有很大的优越性。然而早期由于低下的技术加工水平以及缺乏合适的材料，机械密封并没有发挥其应有的功效，因而没有得到广泛的应用。第二次世界大战以后，出现用硬质合金、碳石墨等材料出现的何结构以及密封的外界冷却辅助装置。马久波在1986年介绍了机械密封动静环间被密封介质不同相态流体膜层的简化相变模型，并在此基础上介绍了各种模型的膜压系数，着重提出内流型机械密封的膜压系数计算方法[5]。陈震在1989年提出汽液

4、两相密封的承载能力要大于单相密封的承载能力，并且摩擦系数前者也较后者低。在距机械密封间隙中介质相变的临界温度之前，密封会发生大量泄漏，因此需要密封在工作中需要避免在此温度下运转[6]。1996年刘录通过流体膜的相变理论，计算了在变工况情况下机械密封的端面膜压，并做了变工况情况下机械密封端面运动的实验以验证理论计算结果的可靠性，结果显示，汽液两相机械密封的膜压系数与沸腾区的压力和汽化半径的变化幅度有直接关系。在设备工作条件发生变化时，减小被密封介质压力的变化是提高密封设备抗变能力的有效措施[7]。1998年张继革推导两相机械密封的端面膜压和开启力公式，并

5、结合实例利用计算机进行了计算分析，结果显示，全气相机械密封的开启力大于全液相机械密封的幵启力，而汽液混相的机械密封开启力大于全气相机械密封的开启力。机械密封主轴的转速对于密封的稳定工作有着一定影响，密封在高转速下容易失稳[8]。随着研究的不断进行，很多研究者发现理论研究对于密封环端面间的相变需要实验的论证，更多人将机械密封相变研究的重点放在实验测量和实际工况中。2006年刘录通过实验测量方法，提出热油菜机械密封在工况变化时(被密封介质压力、温度的改变)其动静环端面间介质压力会因为闪蒸发生改变，进而使得密封发生失效情况，相变半径的变化是影响其相态稳定的关

6、键原因[9]。同年，刘银军通过实验分析，对釆用螺旋增压的抗变机械密封和普通机械密封进行对比，证实了前者在变工况情况下，相对后者，由于出口端压力较大，所以相变半径得到改善，使得设备具有较大的抗变能力2008年苏金华针对轻烃粟在正压抽空和负压抽空状态下，密封端面介质发生闪蒸现象而出现气喷振动，因此，密封需要在合适的载荷系数和弹簧比压下工作[11]。2011年耿鹏照提出可以从端面介质膜态的角度来解决机械密封的泄漏问题，介质膜的反压力会因为膜态发生变化而发生较大改变，进而使得密封端面贴合不牢，从而使得密封发生泄漏[12]。同年，李京浩通过使用透明材料制作一个密

7、封环，另一个密封环为端面开槽，观察机械密封在工作中的相变现象，通过观察可知，与滑动轴承相似，在密封相变区域的内部有条状分布的介质，该介质在上游的长度大，下游的长度小[13]。第二章机械密封相变的研究机械密封的几何结构设计以及密封运转中工作状态的改变，会引起密封端面间被密封介质发生相变。介质发生相变后，密封工作易从稳定状态转变为不稳定状态，加速密封环的磨损，进而影响密封的寿命。因此，有必要计算机械密封的相变半径。通过计算得到机械密封的膜压系数，对应于不同的工作状态，应该小于喷雾泄漏时的膜压系数，这样才能使机械密封在稳定工作状态下运转。然而从上文可知，该方

8、法需要知道机械密封的相变半径r。，否则不能计算机械密封的膜压系数。该方法使用范围较窄，只适用于