流体密封的基本理论和基本知识

HH化工装备密封技术(SealingTechnologyforChemicalEngineeringEquipment)主讲人:郝木明实现以人为本—健康安全环保经济—现代化生产新理念中国石油大学密封技术研究所山东省东营市东营区北二路271号,电话:[phone](传真),13505462368E-mail:[e-mail]，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HH0.2流体密封技术的重要作用①.虽非核心技术，但有可能是决定性技术②.决定机器设备的安全性和可靠性③.环境保护④.能源和物质节约、提高经济效益HH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HH第一部分:流体密封的基本理论和基本知识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。HH1.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HH•两个隔离的区域1和2分别包含同种或不同种的流体Ⅰ和Ⅱ，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、活塞或阀杆等，也可以是环形平端面，如法兰密封面。1—Ⅰ2—Ⅱ边界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。HH•1.1.1穿漏（Penetration）•定义：流体通过密封面间隙的泄漏；•成因：①、流体存在压力差Δp；②、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：l/ψΔphQ3HH•1.1.2渗漏(Percolation)•定义：在压力差ΔP的作用下，被密封流体通过密封件材料的毛细管的泄漏称之为渗漏。•特点：单向分子泄漏。•成因：①、压力差Δp；②、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。plrRT2M38G3HH•1.1.3扩散(Proliferation)•定义：在浓度差ΔC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：①、介质浓度差ΔC；②、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。HH1.2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：①降低引起流动的推动力，Δp↓。②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）。③控制流体流动方向（变有害流动为无害流动，如抽气密封、浮环密封等）。④切断流道。⑤组合。HH1.2密封方法和分类•密封方式（采用上面一种或多种方法）：•①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。•②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)。•③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)。•④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(如氮气密封)。HH1.2密封方法和分类•⑤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）。•⑥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）。•⑦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。•⑧几种密封方法的组合•是密封技术的一个发展方向。HH流体密封按运动方式分为：•①流体静密封(StaticSeals)：用于密封与流体接触的可拆卸静设备。如垫片(gasket)、密封胶或密封剂(sealingglue)等。•②流体动密封（DynamicSeals)：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(rotatingseals)、往复密封(reciprocatingseals)、复合运动密封(complexmovingseals)等。•③伪静密封或微动密封（Pseudo-staticSeals):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(secondaryseals)。•④封闭式密封(closedseals)或转化为静密封的动密封：如屏蔽泵(screenedpumps)、磁力传动泵(magnetictransmissionpumps)和全封闭式压缩机(closedcompressors)等将动密封转化为静密封的机器设备。HH流体静密封分类•垫片密封。按材料和结构分为：①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。②金属复合型垫片：各种金属包垫、金属缠绕垫。③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。HH流体动密封分类•接触式动密封。①软填料密封。②成型填料密封。③油封。④防尘密封。⑤接触式机械密封。•非接触式动密封。①非接触式机械密封（气膜密封、液膜密封等）。②迷宫密封。③浮环密封。④间隙密封。⑤螺旋密封。⑥离心密封。⑦磁流体密封。•封闭式密封。•组合式密封。HH1.3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。HH1.4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27～28MPa，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。HH(1)密封理论、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；①高参数(如高压、高速、高温、大直径)；②高性能(如干运转、零泄漏、无油润滑、密封浆液、高含固体颗粒)；③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。HH(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。HH(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)。HH(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)。HH(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。(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。HHthhUxyphyxphx21212033压差流剪切流挤压流2.密封流体力学基本知识⑴雷诺方程（ReynoldsEquation）HH⑵密封流动模型①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HH②孔口夹缝出流（喷嘴、同心环缝、迷宫密封等）HH③转盘侧隙旋流（轮盘密封）HH(a)收缩喷管；(b)扩张喷管；(c)缩放(拉瓦尔)喷管④喷管气流HH•摩擦学：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