过程装备密封技术课件

《过程装备密封技术》讲稿化工学院王启立-1-《过程装备密封技术》蔡仁良等主编化学工业出版社出版讲课教师：王启立学时：32学分：2《过程装备密封技术》讲稿化工学院王启立-2-0本课程简介：一、课程的性质、任务：《过程装备密封技术》是作为过程装备与控制工程专业的选修课而开设的一门课程，其任务是研究工业部分的过程装备和机械设备的密封技术。二、教学目的：根据本课程教学大纲要求，本课程的教学目的是培养学生运用基本的理论知识来理解和掌握各种流体密封装置的原理、结构特点、设计方法和选用原则，了解密封控制的新技术。三、教材本教材由过程装备与控制工程专业教材编写委员会编写，由蔡仁良主编，化学工业出版社出版。四、内容本课程系统全面地介绍过程工业装置中流体静、动密封的主要内容和最新进展。重点阐述密封的基本概念、流体密封理论、动、静密封技术以及泄漏检测技术。五、课程框架及学时安排：课程内容分为5章，32学时，内容框架及学时分布如下：1概论（2学时）1.1过程装备的密封问题1.2泄露与逸出1.3密封方式与分类1.4摩擦磨损与密封2流体在密封间隙中的流动（4学时）2.1引言2.2分子流（1学时）2.3不可压缩流体的层流（2学时）2.4可压缩流体的薄膜流动（1学时）3过程设备和管道的静密封（10学时）3.1垫片密封（6学时）3.2胶密封（4学时）4过程机械的动密封（10学时）4.1接触密封（6学时）4.2非接触转轴密封（4学时）5泄漏监测技术（6学时）5.1引言（1学时）5.2检测的方法和分类（1学时）《过程装备密封技术》讲稿化工学院王启立-3-5.3压力检测法（2学时）5.4真空检测法（2学时）六、考试及成绩评定考试为闭卷考试。成绩计算方法：平时成绩占20％，期末考试卷面成绩占80％。七、参考文献：1胡国祯等，《化工密封技术》，化学工业出版社，19902顾永泉，《流体动密封》，石油大学出版社，19903张向钊等，《密封垫片与填料》，机械工业出版社，19944顾永泉，《机械端面密封》，石油大学出版社，19945李继和，《机械密封技术》，化学工业出版社，1988《过程装备密封技术》讲稿化工学院王启立-4-1概论本章框架：1.1过程装备的密封问题1.2泄露与逸出1.3密封方式与分类1.4摩擦磨损与密封教学目标及基本要求：(1)了解过程装备密封问题的重要性、特点及发生泄漏问题的主要原因；(2)了解过程装备密封的分类，摩擦与磨损的概念。教学形式：讲授学时安排：2学时重点难点：无教学内容：1.1过程装备的密封问题一、过程装备的密封过程工程中，大部分过程是在相体和气相中并在一定的压力和温度下进行的，因此机器和设备本身以及它们之间的连接系统都存在一个流体（气体、液体或粉体）的密封（闭）问题，设备或机器内的工作流体可由内部向外部泄漏，或者外界的气体或其它物质进入负压设备或机器内部，这就是过程装备的密封问题。二、过程装备泄漏的危害密封不好将引起工作介质的跑、冒、滴、漏引起物质流失和能量损失、造成环境污染、生产不能正常进行、危急人体健康及生命安全。三、过程装备密封的重要性密封装置的工作性能是评价机械产品品质的重要指标，是决定工厂安全、经济生产的重要因素。四、化学及石油工业中的密封特点（1）、广泛性：化工设备机器复杂、管路众多，密封点多。（2）、危害性：化工厂处理的多是易燃、易爆、有毒或腐蚀性产品，并且具有一定的温度和压力，如果发生事故，危害性大。五、过程装备发生泄露的主要原因（1）设计方面：如设备或机器连接部位包括密封件、连接件和辅助装置的形式、结构或材料选择不当引起泄漏失效。（2）制造安装方面：制造过程中存在渗透性缺陷，如焊接过程中的裂纹、气孔等缺陷。《过程装备密封技术》讲稿化工学院王启立-5-（3）使用方面：安装配合不当，化学介质对密封的腐蚀、摩擦副端面的磨损，工作温度和压力的波动，机械振动或冲击，密封材料材料的高温退化或蠕变疲劳，误操作引起的泄漏。1.2泄漏与溢出一、泄漏（Leak）：设备或机器内的工作流体通过机械设备的接合面存在的间隙由内部向外流出，或者外界的气体通过间隙进入负压设备或机器内部。二、密封度（Tightness）：用来评价密封的有效性，用被密封的流体在单位时间内通过接合面的体积或质量的泄漏量，即泄漏率（Leakrate）来表示，密封度是一个相对的概念。零泄漏，即泄漏量为零，理论上静密封可以做到零泄漏，但实际上很难做到。三、允许泄漏率：密封或密封装置应满足设计要求或生产所允许的泄漏率，单位为。不同情况的允许泄漏率根据行业和装置具体情况而定。四、泄漏的分级与定义：泄漏级别定义0无泄漏迹象。1可目视或手感湿气、冒汗，但没有形成滴珠。2局部有滴珠出现。3沿整个垫片周围有滴珠形成。4形成滴珠且沿垫片以5min或更长的时间滴漏1滴。5以5min或更短的时间滴漏1滴。6形成流线状滴珠。五、溢出（Emission）在化工厂中，存在大量只凭听、看直觉不能发现的易挥发有机化合物从接头处溢出。因泄漏量比较小，通常用敏感的气体检测仪器测量溢出气体的体积浓度，一般以百万分率，即“ppm”表示。1.3密封方式与分类一、分类1、静密封：没有相对运动或相对静止的接合面间的密封称为静密封。如：容器、管道的法兰接合面间的密封、阀体以及机器机壳接合面的密封。静密封可分为三类：无垫密封、垫片密封、胶密封。2、动密封：彼此有相对运动的接合面间的密封称为动密封。如：泵、压缩机的螺旋杆、旋转轴或往复杆与机壳之间的密封。《过程装备密封技术》讲稿化工学院王启立-6-动密封主要分为两类：往复轴密封和旋转轴密封。往复轴密封包括填料密封、隔膜密封、唇型密封和活塞环密封；旋转轴密封包括接触密封和非接触密封。过程装备的密封分类见图教材P5图1-3所示。二、阻止流体在机器设备接合面发生泄漏的方法（1）接合表面的精密配合（2）接合的两表面中，加入容易变形的弹性或塑性元件，可以在一定压力下实现两表面与外加元件的之间的紧密配合。（3）利用流体动压或静压力、磁场等作用，在接合间隙处形成阻碍流体泄漏的阻力。1.4摩擦磨损和密封一、摩擦:在动密封中，两个相对运动的接触表面，由于机械加工的结构，必然存在不均匀的接触表面，当接触表面作相对运动时，必然伴随摩擦，摩擦会导致摩擦副零件的生热和磨损，这就是引起泄漏和密封件损坏的主要原因。对动密封而言，摩擦、磨损和密封都与固体的表面性质和密封摩擦相对运动的摩擦状态有关。允许一定量的泄漏，是为了移走摩擦热，改善密封面润滑，减少摩擦副磨损。实验得到的密封准数和摩擦系数的关系如下：(/)mmfGvbW（1-1）式中，－密封特性数，由密封型式决定；－密封流体的动力粘度；v－端面的平均线速度；b－端面宽度；W－端面总载荷；m－指数，与动密封型式有关，如旋转端面密封0.5m。二、磨损引起磨损的原因：磨损是由摩擦引起的。（2）磨损的危害：磨损降低密封性能，缩短机器的使用寿命。（3）磨损是一个多阶段的过程，是时间的函数，磨损与密封寿命有直接关系。（4）磨损的形式：粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损和微动磨损等。（5）减磨和抗磨措施：应用减磨和耐磨措施；改变材料表面性能；采取冷、润滑、冲洗等辅助措施；设计合理非接触密封等。《过程装备密封技术》讲稿化工学院王启立-7-2流体在密封间隙中的流动本章框架：2.1引言2.2分子流2.2.1长泄漏管道中的分子流2.2.2小孔和泄漏管道中的分子流2.3不可压缩流体的层流2.3.1雷诺数和雷诺方程2.3.2二维流动2.3.3一维轴对称流动2.3.4轴线倾斜时圆环隙中的流动2.3.5流道出口处有障碍时的剪切流动2.3.6挤压引起的流动2.4可压缩流体的薄膜流动2.4.1亚音速气体的流动2.4.2音速气体的流动2.1引言流体密封中,许多性能都取决于流体流过密封(面)间隙的流动状态和流动阻力。流体在狭窄间隙中的流动主要表现维分子流和粘性流,对气体介质来说,其流动特征可用克努森数来描述,即:nKr（2-1）式中,r－泄漏通道当量半径,2/rAH,m;－气体分子的平均自由程,m;A－流道的截面积,2m;H－流道的截面积,2m。nK0.01时，气体分子的平均自由程远小于泄漏通道的特征尺寸，气体分子之间的碰撞远远多于气体分子与流道壁面之间的碰撞，气体流动为粘性流动。nK0.01时，气体分子的平均自由程大于泄漏通道的特征尺寸，流动阻力主要时气体分子与流道壁面之间的碰撞，气体分子的运动可认为是独立的，这种流动称为分子流。0.01nK1时，气体分子的平均自由程与泄漏通道的特征尺寸有相同的数量级，流动特征与气体分子间的运动、气体分子与流道壁面之间的碰撞都有关系，气体传动处于过渡流区域，对流动的分析为半经验的。《过程装备密封技术》讲稿化工学院王启立-8-2.2分子流教学目标及基本要求：(1)了解流体在狭窄空间的流动情况分类及判别；(2)掌握长泄漏通道、短泄漏通道及小孔泄漏中的分子流。教学形式：讲授学时安排：2学时重点难点：(1)长泄漏通道、短泄漏通道及小孔泄漏中的分子流。教学内容：2.2.1长泄漏管道中的分子流对于长度为L、流道横截面积为A、流道横截面周长为H的任意横截面形状的泄漏通道，当其长度与横截面当量半径之比/100Lr时，流过该流道的pV流率pVQ为：12204()3apVLvQppHdLA（2－2）L－流道长度，m；1p、2p－流道入口和出口处的压力，Pa；pVQ－pV流率，3/Pams；av－气体分子的平均速度，/ms；av可由下式计算：8aRTvM(2-3)式中R－通用气体常数；T－气体温度，K；M－气体分子质量，/kgkmol；将(2-3)代入(2-2)得到：1220418()3pVLRTQppHMdLA(2-4)对于一个半径为r的均匀横截面的长管有：2230022LLHrLdLdLArr(2-5)将(2-5)代入(2-4)得到气体流过均匀圆管横截面长管的分子流流率为：《过程装备密封技术》讲稿化工学院王启立-9-31242()3pVrRTQppLM(2-6)对于一个边长分别为a和b的矩形截面的长管：22222002()2()LLHababdLdLLAabab(2-7)(2-4)有气体流过均匀矩形横截面长管的分子流流率为：221242()3()pVabRTQppabLM(2-8)对于一个长、短半径分别为a和b均匀椭圆截面的长管：2222222222002()/22()/2LLababHdLdLLAabab(2-9)(2-4)有气体流过均匀椭圆形横截面长管的分子流流率为：22122282()3()pVabRTQppMabL(2-10)例题2－1见教材P10，此处略。2.2.2小孔和泄漏管道中的分子流考虑一个等温容器，其中有压力为1p的低压气体，容器上有一个穿透小孔，容器中的气体通过该小孔流入压力为2p12()pp的一相邻容器中。由于分子流状态下气体的压力较低，可看作理想气体，因而其流率可用下式计算：1212112()()42pVaRTQAppAppM（2-11）对于半径为r的圆孔，流道截面积为2Ar，则上式成为：21212()2pVRTQrppM（2-12）比较式（2-12）和（2-6）可以看出，流过圆孔和长管的流率比为：21231212()32842()3pVpVRTQrppLMrrRTQppLM（2-13）当/100Lr时，流过圆孔的流率是流过圆管的流率的37.5倍。由此可以得到下面的结论：对于短圆管，即/100Lr，由长圆管计算得到的流率偏小，由圆孔计算得到的流率偏大，即上述（2-12）和（2-6）不适合用于短圆管的流率计算的。短圆管的流率计算通常采用下面的近似公式：《过程装备密封技术》讲稿化工学院王启立-10-21212()3218pVrRTQppLMr（2-14）2.3不可压缩流体的层流教学目标及基本要求：(1)掌握雷诺数的计算及流动状态的判断；(2)掌握二维流动、一维轴对成流动、圆环隙