机械密封焊接金属波纹管波片力学性能分析及结构优化

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1、硕‘Ij学位论文1．1引言第1章绪论机械端面密封(Mechanicalfaceseal)是一种轴向端面密封，也称机械密封，或端面密封，是常用的旋转轴密封，与其它密封相比，它具有泄漏少、摩擦磨损小、使用寿命长、可靠性好、无需日常维护等特点。因此，在现代工业中得到了极为广泛的应用。特别是在石油化工装置中的应用极为普遍，如泵、压缩机、反应釜、搅拌器、转盘塔、离心机和过滤机等设备n，。机械密封最早是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。直到1920年，由

2、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，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得到了广泛的应用以及加工技术中表面粗糙度控制水平得到提高。此外，许多高压、高温、高速、易燃、易爆、易腐蚀性介质等工况下也取得了较好的使用效果乜1。为了防止环境污染和适应现代工艺的要求，世界各国都投入大量的人力物力开发研究新型

3、的机械密封技术。1．2焊接金属波纹管机械密封的工作原理、特点和应用焊接金属波纹管机械密封是近年来在密封结构中较为先进的接触型机械密封装置，焊接金属波纹管机械密封的基本结构如图1．1所示。图1．1焊接金属波纹管机械密封基本结构1一密封腔；2一紧固螺钉；3一锁紧环辅助密封圈：4一波纹管；5一动环；6一静环；7一防转销；8一旋转轴：机械密封焊接<；；=属波纹管波片力学性能分析及结构优化焊接金属波纹管机械密封是机械密封的一个分支。它的出现比推压式弹簧机械密封(以下简称弹簧密封)晚几十年。高温下弹簧密封的辅助密封圈多用聚四氟乙烯(P

4、TFE)制造，最高使用温度在200度左右，满足不了高温泵密封的要求。柔性石墨虽耐高温，但其强度低、易破损，不能适应弹簧密封动环密封圈沿轴向滑动的工况。而波纹管密封则将辅助密封圈的滑动结构改为静密封结构，不仅消除了一个动密封点，同时消除了动环辅助密封圈所产生的迟滞作用，波纹管具有较好的追随性。这种密封是美国一个厂商于1957年为美国航空航天管理局(NASA)研制开发的，两年后应用于工业领域，由于具有良好的浮动性和易于安装的特点，并且在高温、低温和高压下都具有良好的密封性能，使该种机械密封很快在其它工业领域获得了广泛的使用。英

5、、美、西欧一些发达国家以及日本、前苏联等国家开始大批量生产金属波纹管机械密封，以至石油工业的炼油厂、泵站和油轮使用的机械密封中的高低温介质泵大部分是金属波纹管机械密封。为解决高温泵的轴密封问题开辟了一条新路口。41。对美国24家石油化工厂和炼油厂的调查表明：4500F(232℃)以上的高温油泵轴封，94％采用机械密封，而其中的96％为单端面的焊接金属波纹管机械密封∞1。因其结构形式和选用材料的特殊性，其应用范围越来越广，特别随着我国石油化工的生产能力及技术水平的发展，对轴封的要求越来越严格，使用参数也越来越高。对于温度为．

6、200℃至．40℃，或高于200℃的介质以及一些高温高压的介质，及其变工况的情况下国内石化厂中的热油泵、保温夹套泵、溶剂泵等设备中，全部采用了焊接波纹管机械密封，其使用效果较好。另外，在输送低温介质如液化天然气、液氧、液氮泵上，大部分亦采用金属波纹管机械密封。其它设备如搅拌釜轴封中也部分开始采用金属波纹管机械密封【6】。由图1．1可见，焊接金属波纹管机械密封的最大特点就是以焊接金属波纹管替代弹簧作为弹性元件，由于波纹管具有辅助密封作用，这样不但省掉了橡胶制作的动环辅助密封圈，将机械密封的使用温度扩大到．240℃一650℃，

7、而且也减少了密封装置的零件数，使整体结构更加简单。同时还可以通过对金属波纹管材料的选择和处理，调节波纹管的刚度，使波纹管的弹力更趋稳定，保障机封既有稳定的工作性能，又有较长的使用寿命。此外，波纹管具有较好的轴向浮动性，而且在倾斜方向的浮动性也很好，保证了摩擦副能可靠地贴合，提高了密封性能。其应用中有如下特点：①密封可靠，在较长时间使用中不会泄漏；②使用寿命长，比旋转式密封多用半年；③摩擦功率损失小；④适用范围广，能用于低温、高温、高压、各种转速及各种耐腐蚀、易燃、易爆、有毒介质的密封：⑤弹簧强度大，杭震能力强，稳定性好【7

8、1。波纹管弹簧与旋转式弹簧优缺点比较见表1．1。2硕lj学位论文表1．1波纹管弹簧与旋转式弹簧优缺点比较影响因素波纹管弹簧旋转弹簧比压均匀性端面上弹簧比压均匀端面上弹簧比压不均匀摩擦副摩擦副接触面积大，对中性好摩擦副接触面积小，对中性差调整弹簧力弹簧力调整范围大，可利于调节弹簧力弹簧力调整范围小，不利于