流体密封技术和发展

HH化工装备密封技术(SealingTechnologyforChemicalEngineeringEquipment)主讲人:郝木明，孙鑫晖实现以人为本—健康安全环保经济—现代化生产新理念HH姓名：郝木明单位：化学工程学院化工装备与控制工程系办公室：东营校区：机械馆1204（密封研究所）青岛校区：工科D楼608电话：135054623680546-8392752（东营校区）0532-86980257（青岛校区）邮箱：[e-mail]网址：自我介绍欢迎大家！！！HH姓名：孙鑫晖单位：化学工程学院化工装备与控制工程系办公室：工科D楼511电话：[phone]邮箱：[e-mail]自我介绍欢迎大家！！！HH课程目标本课程作为“过程装备与控制工程”专业选修专业课之一，其目的在于使高年级学生了解相关专业领域内常用的流体密封技术（包括流体静密封、流体动密封等）及其最新进展。通过本课程的学习和有关密封实验，使学生能够掌握流体密封技术的基本理论和基本知识，培养理论联系实际，提高分析与解决工程实际问题的能力，进而得以开拓视野、提高科学研究及工程开发能力。HH0.前言0.1泄漏及其危害•0.1.1泄漏与密封•泄漏是自然界常见的现象：日常生活中如自来水、煤气的泄漏常常给人们带来不便甚至危害；工业中如压力容器、管道、反应器、阀门、液压设备、运输工具一旦发生泄漏，轻则造成能源和原材料的大量浪费、设备不能正常工作，重则导致设备报废、整个工厂或系统陷于瘫痪、人员伤亡和严重的环境污染。•在生产实践中千方百计地设法防止和消除泄漏。•泄漏：是指介质，如气体、液体、固体或它们的混合物，从一个空间进入另一个空间的不希望发生的现象。单位时间内泄漏的介质量称为“泄漏率”。HH0.前言0.1泄漏及其危害•2010年4月20日，美国墨西哥湾英国石油公司租赁的“深水地平线”石油钻井平台因爆炸起火而致原油泄漏。•这起持续时间长达百日的漏油事件，造成的损失可能创下了有史以来类似灾难的最高纪录：致使11名钻井平台工作人员死亡，近500万桶原油泄漏，引发了美国历史上最严重的漏油事件，为应对漏油事故英国石油公司的支出已升至80亿美元。HH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HH•机械产品的表面必然存在各种缺陷以及形状和尺寸偏差。机械零件的接触处不可避免地会产生微小的间隙；当存在压力差或浓度差时，工作介质就会通过间隙而泄漏。•密封：防止或限制流体从机器、设备中泄漏(外漏)或被污染(内漏)。•密封件：能起密封作用的零部件。•密封系统或密封装置：较复杂的密封装置（如带辅助系统等）。•密封件或密封装置是工业设备中最广泛使用的零部件。HH密封表面的几何形状特征度波度高度糙粗粗糙度波距峰距刀痕（主要纹理方向）缺陷度高度波形状偏差HH配合面之间的密封间隙HH•泄漏的危害泄漏是密封装置的主要失效形式。危害：机器设备若不能保证密封，因工作介质跑、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，增加非计划停产和维修，甚至危及人体健康和生命安全。密封装置的性能是评价机械产品品质的重要指标，也是决定工厂安全、经济生产的重要因素。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•例如：原子能发电站中的循环泵．高压苯乙烯中的高压压缩机．铂重整装置的无油润滑压缩机．聚乙烯的反应釜、超高压容器、石油钻采设备中的泥浆泵等许多机器设备中的方案就取决于密封技术。•如：“神舟六号”宇宙飞船检漏间是飞船技术的飞跃。“神舟六号”9002飞船检漏间的作用是为卫星、飞船各舱等进行密封性检查，目前全世界在这个领域还处在探索阶段。神舟载人飞船总设计师王永志评定：“这个飞船检漏间使我国载人飞船技术迈进了一大步，为载人飞船成功发射作出了很大的贡献”。HHHH采油树主体部分密封油管挂出油孔处上下密封高压井口处密封输送流体管口与连接器密封堵塞器处密封法兰密封主要密封点油管挂台肩处密封HH•②．决定机器设备的安全性和可靠性•石油化工企业中，工业介质大多易燃．易爆．剧毒和腐蚀性，密封失效而外漏，将造成环境污染，人体健康及产品质量受影响。★1984年12月3日：印度博帕尔市UCC所属一家化工厂因用水清洗管道，未关通向异氰甲酸脂储罐阀门，水进入罐内与之反应，温度压力急剧升高导致40TMIC毒气泄漏，造成2500人死亡，12万人中毒，其中5万人失明。★1986年4月26日子夜：前苏联切尔诺贝利核电站4号反应堆发生核泄漏，死31人，伤300人，20个国家四亿人遭核辐射污染。★1998年3月5日16:38西安市煤气公司液化气站储罐区发生液化气泄漏燃爆。两座400m3球罐爆裂，3台100m3燃烧。3月6日6:00得到控制，13人亡，30多人伤，损失477万元。原因：排污阀石棉橡胶垫片受液化气中水热冷作用失效泄漏。HH按事故发生的行业分类（日本1965——1975年624起事故调查）化工装置34.3%炼油12.7%机械5.0%电力3.2%冶金11.5%其它33.3%（210件）HH210起化工装置泄漏引发事故分类（表现为泄漏形式的事故115件，占55%）HH密封在日常机泵釜等维修工作量中占50%。统计表明化工企业的非计划停车与密封故障有关。离心泵的维修费约70%是因密封故障。泵失效分布（JohnCraneFlexiboxSeals）其他25%联轴器7%轴承16%密封52%！HH•1986.1.28，美国航天飞机“挑战者”号升空1分钟因右侧火箭助推器机械接头处O形密封圈失效失事，机上七名宇航员无一生还!•“挑战者”号失事的技术原因:•右部火箭发动机上的两个零件联接处出现了问题，具体的讲就是旨在防止喷气燃料的热气从联接处泄漏的密封圈遭到了破坏。•在航天飞机设计准则明确规定了推进器运作的温度范围，即40°F——90°F，而在实际运行时，整个航天飞机系统周围温度却是处于31°F—99°F的范围。HH美国航天飞机“挑战者”号失事！HH•③．环境保护•实现健康、安全、环保（HSE:health,safetyandenvironment）现代化生产。•④．能源和物质节约,提高经济效益•可见，应重视机器设备的密封技术，加强科学管理，以提高设备的可靠性．稳定性及效率，能耗和原材料，加强环境保护，促进新设备的开发。HH0.3流体密封学的性质•①．密封学定义•流体密封作为一门新兴的工程技术学科，其相关体系还在不断的完善之中。•密封学（最早是前苏联学者Кондаков于1972年在其专著中提出的——“Герметизация”）主要研究密封机理、密封技术及其应用，与工业技术和科学的发展分不开的（以机械端面密封为例）。HH•②．密封学是一门涉及多学科的边缘性工程技术学科•必须借助其它学科如流体力学(fluidmechanics)、固体力学(solidmechanics)、热力学(thermodynamics)、传热传质(heatandmasstransfer)、转子动力学(rotordynamics)、粘弹性理论(viscoelasticity)、振动理论(vibrationtheory)、摩擦学(tribology)、物理与化学（physics&chemistry)、测量与控制(monitoring&control)等理论以及优化设计(optimizationdesign)、可靠性分析(reliabilityanalysis)、故障诊断(faultdiagnosis)、现代数值计算方法(numericalcalculationmethods)、工程分析软件(engineeringanalysissoftware)、机械CAD设计软件(mechanicalCAD)等去分析研究密封的问题。HH冷却气体的流动产生流体动压并带走热量旋转及轴向窜动力、热变形热量交换图气膜密封的系统性分析HH•针对特定的工艺条件，选择合理的密封材料——物理、化学、材料学等；•密封元件特别是动静环在力、温度的作用下的强度、变形及其控制措施——固体力学等；•密封端面之间气体流动状态、压力分布及热量交换——流体力学、热力学及传热学等；•密封及周边环境温度场分布和密封热变形分析——摩擦学、流体力学、热力学及传热学等；•密封及周边环境温度场分布和密封热变形分析——摩擦学、流体力学、热力学及传热学等；•密封环端面流体动压槽的优化设计及加工——优化设计理论、特种精密加工技术等；•密封动态稳定性分析、密封—转子—轴承系统动力学特性分析——振动理论、转子动力学等；•密封动态稳定性分析、密封—转子—轴承系统动力学特性分析——振动理论、转子动力学等；•密封性能测试和产品出厂实验——试验技术等；•密封气体压力、流量的控制及密封运行状态的实时监控——测量及控制理论和技术等；•密封的失效分析——故障诊断学及技术等。•另外，在密封的分析设计过程中，必然应用到多种现代数值计算方法、工程分析软件、机械CAD设计软件等。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：•（1-1）•式中，h：缝隙高度；l：缝长；μ—液体动力粘度（Pa·S）；ψ：无因次形状系数，ψ=0.1～0.2。•对于气体来说，采用单位宽度质量泄漏量：•(1-2)式中，B：缝宽；：气体平均密度，；•M，R，T，p1及p2：分别为气体的分子量（g/mol）、气体常数（J/（mol·K））、温度（K）和缝隙进出口气体压力（MPa）。l/ψΔphQ3l/ρΔphG/BG3ρ)M/(RT)p0.5(pG/Q)/2ρ(ρρ2121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•（1-3）•式中，r：毛细管或接触面毛细通道半径。38MrGp32RTl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。介质通过隔板的扩散泄漏可分成三个阶段：•①密封件吸收液（气）体——吸附；•②介质通过隔板的扩散；•③介质从密封件的另一侧析出。•根据菲克（