化工裝備密封技術課件

化工裝備密封技術(SealingTechnologyforChemicalEngineeringEquipment

)主講人:郝木明實現(xiàn)以人為本—健康安全環(huán)保經(jīng)濟—現(xiàn)代化生產(chǎn)新理念化工裝備密封技術主講人:郝木明實現(xiàn)以人為本—

0.1泄漏的主要原因

設計制造安裝或維修工藝操作振動、沖刷、汽蝕等機械破壞環(huán)境變化（溫度、壓力、轉速及其波動）介質腐蝕0.前言0.1泄漏的主要原因設計0.

0.2流體密封技術的重要作用①.雖非核心技術，但有可能是決定性技術②.決定機器設備的安全性和可靠性③.環(huán)境保護④.能源和物質節(jié)約、提高經(jīng)濟效益

0.2流體密封技術的重要作用講授內(nèi)容一．流體密封的基本理論和基本知識

二．流體靜密封技術

三．流體動密封的基本原理及知識

四．不停車堵漏技術、泄漏檢測技術講授內(nèi)容一．流體密封的基本理論和基本知識第一部分:流體密封的基本理論和基本知識

1．密封機理、方法和分類掌握流體泄漏的機理、密封的基本方法和流體密封的基本類型。2．密封流體力學基本知識了解密封流體力學基本方程特別體潤滑基本方程的物理意義、密封簡單模型中流體流動（縫隙流動、孔口與夾縫出流、轉盤側隙流動及噴嘴內(nèi)氣體是流等熵流動）的特點及分析。3．密封摩擦學基本知識了解密封摩擦學理論中摩擦、磨損與潤滑的基本知識。第一部分:流體密封的基本理論和基本知識1．密封機理、方法和1.密封機理、方法和分類1.1泄漏機理1.2密封方法和分類1.3對密封產(chǎn)品或密封系統(tǒng)的基本要求1.4流體密封技術的發(fā)展1.密封機理、方法和分類1.1泄漏機理兩個隔離的區(qū)域1和2分別包含同種或不同種的流體Ⅰ和Ⅱ，但它們具有共同的邊界，這些邊界可以是圓柱形的，例如往復機械或旋轉機械中的軸、活塞或閥桿等，也可以是環(huán)形平端面，如法蘭密封面。1—Ⅰ2—Ⅱ邊界1.密封機理、方法和分類1.1泄漏機理若兩個區(qū)域存在壓力差、濃度差、溫度差、速度差等，流體就會通過這一界面而泄漏?！懊芊狻币馕犊刂七@兩個區(qū)域之間流體的相互交換，使界面處“沒有泄漏”現(xiàn)象。

重點：揭示泄漏方式、成因、特點及泄漏量的計算公式。兩個隔離的區(qū)域1和2分別包含同種或不同種的流體Ⅰ和Ⅱ，但它們1.1.1穿漏（Penetration）定義：流體通過密封面間隙的泄漏；成因：①、流體存在壓力差Δp；②、泄漏縫隙h。特點：單向泄漏，從高壓測→低壓側；泄漏量：是衡量密封裝置密封性能的主要指標。單向周邊泄漏量：1.1.1穿漏（Penetration）1.1.2滲漏

(Percolation)定義：在壓力差ΔP的作用下，被密封流體通過密封件材料的毛細管的泄漏稱之為滲漏。特點：單向分子泄漏。成因：①、壓力差Δp；②、密封件材料毛細管。氣體重量泄漏量為

式中，r：毛細管或接觸面毛細通道半徑。1.1.2滲漏(Percolation)1.1.3擴散(Proliferation)定義：在濃度差ΔC的作用下，密封介質通過密封間隙或密封材料的毛細管產(chǎn)生的泄漏，叫做擴散。成因：①、介質濃度差ΔC；②、密封間隙或密封材料毛細管。特點：雙向泄漏，泄漏量小。如醚類，滲透性強；采用波紋管密封。1.1.3擴散(Proliferation)1.2密封方法和分類根據(jù)泄漏的成因，阻止或控制流體流動（阻流）的方法有5種：①降低引起流動的推動力，Δp↓。②增大阻止流體流動的能量（包括力學能量、界面摩擦、流體摩擦、熱力學能量損失等）。③控制流體流動方向（變有害流動為無害流動，如抽氣密封、浮環(huán)密封等）。④切斷流道。⑤組合。1.2密封方法和分類1.2密封方法和分類密封方式（采用上面一種或多種方法）：①全封閉或部分封閉將機器或設備用機殼或機罩全部密閉或部分密閉住如屏蔽泵、磁力偶合器驅動的泵。特點：無軸封和密封室。②填塞或阻塞（是一種傳統(tǒng)的密封方法）利用密封件填塞泄漏點(例如密封圈、軟填科密封等)或利用流體阻塞被密封流體(例如氣封、水封、鐵磁流體密封等)。③分隔或間隔利用密封件將泄漏點與外界分隔開（隔膜密封、機械密封等）或利用氣體或液體作為中間密封流體(氣墊密封、雙端面機械密封等)。④引出或注入將泄漏介質引回到吸入室或通常為低壓的吸入側(抽氣密封)或將對被密封流體無害的流體注入密封室以阻止被密封流體的泄漏(如氮氣密封)。1.2密封方法和分類1.2密封方法和分類⑤流阻或反輸利用密封件狹窄間隙或曲折途徑造成密封所需要的流動阻力(迷宮密封)或利用密封件對泄漏流體造成反壓，使之部分平衡或完全平衡，將流體反輸回上游，以達到密封的目的（如螺旋密封、上游泵送密封）。⑥貼合或粘合利用研合密封面本身的加工質量使密封面貼合或利用密封劑使密封面粘合達到密封（密封劑、密封膏等）。⑦焊合或壓合利用焊接或釬接的方法將泄漏點堵塞或加壓使接觸處微觀不平處變形(如墊片密封、軟填料密封等)，形成固定的結合達到密封。⑧幾種密封方法的組合是密封技術的一個發(fā)展方向。1.2密封方法和分類

流體密封按運動方式分為：①流體靜密封(StaticSeals)：用于密封與流體接觸的可拆卸靜設備。如墊片(gasket)、密封膠或密封劑(sealingglue)等。②流體動密封（DynamicSeals)：用于機器中將兩流體空間隔開并作相對運動（旋轉、螺旋、往復擺動）的部件之間的密封。分旋轉密封(rotatingseals)、往復密封(reciprocatingseals)、復合運動密封(complexmovingseals)等。③偽靜密封或微動密封（Pseudo-staticSeals):介于靜密封與動密封之間的密封形式，表面為靜密封，實則為動密封，如機械密封中補償環(huán)用輔助密封(secondaryseals)。④封閉式密封(closedseals)或轉化為靜密封的動密封：如屏蔽泵(screenedpumps)、磁力傳動泵(magnetictransmissionpumps)和全封閉式壓縮機(closedcompressors)等將動密封轉化為靜密封的機器設備。流體密封按運動方式分為：流體靜密封分類墊片密封。按材料和結構分為：①非金屬墊片：橡膠、石棉橡膠、柔性石墨、聚四氟乙烯等，截面形狀均為矩形。②金屬復合型墊片：各種金屬包墊、金屬纏繞墊。③金屬墊片：金屬平墊、波形墊、環(huán)形墊、齒形墊、透鏡墊、三角墊、雙錐環(huán)、C形環(huán)、中空O形環(huán)。

按密封分類原則：金屬平墊、波形墊、環(huán)形墊、齒形墊、透鏡墊屬于強制式密封，其余為自緊式或半自緊式密封。膠密封。填料密封。波紋管。流體靜密封分類墊片密封。按材料和結構分為：流體動密封分類接觸式動密封。①軟填料密封。②成型填料密封。③油封。④防塵密封。⑤接觸式機械密封。非接觸式動密封。①非接觸式機械密封（氣膜密封、液膜密封等）。②迷宮密封。③浮環(huán)密封。④間隙密封。⑤螺旋密封。⑥離心密封。⑦磁流體密封。封閉式密封。組合式密封。流體動密封分類接觸式動密封。1.3對密封產(chǎn)品或密封系統(tǒng)的要求密封性：實現(xiàn)密封介質的低微泄漏甚至無泄漏（包括液相零泄漏和汽相零逸出），實現(xiàn)環(huán)保功能?？煽啃裕菏褂脡勖L、穩(wěn)定性高、抗干擾能力強。經(jīng)濟性：成本低、能耗和運行費用少、使用維修方便——性價比高。適用性：能滿足機泵具體的工藝條件要求和現(xiàn)場能提供的實際條件。1.3對密封產(chǎn)品或密封系統(tǒng)的要求1.4流體密封技術的發(fā)展趨勢隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，流體密封的使用環(huán)境正在發(fā)生深刻的變化，對其工況要求更加苛刻，操作條件正向高速、高壓、高溫、低溫、高真空、大尺寸、微尺寸方向發(fā)展。以石油化工為例，石化用機泵的發(fā)展方向是大型化、高速化、機電一體化，泵產(chǎn)品成套化、標準化、系列化和通用化，多品種、性能廣、壽命長及可靠性高；使機泵用密封向大型化和專業(yè)化方向發(fā)展，特別是適用高壓、高速透平，高溫、低溫和超低溫泵，高速泵，耐腐蝕泵，輸送粘稠介質和帶固體顆粒介質泵的密封技術和產(chǎn)品發(fā)展很快。電力、冶金等行業(yè)設備正向著大型化、高度自動化、智能化、節(jié)能和綠色環(huán)保的方向發(fā)展，對于高溫、高壓密封要求越來越高。比如發(fā)電設備，壓力要求能承受27～28MPa，耐熱溫度要求達到600℃，這都需要密封等設備能夠耐高溫高壓。1.4流體密封技術的發(fā)展趨勢隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，流體密(1)密封理論、技術和產(chǎn)品不斷創(chuàng)新

新技術、新概念、新結構、新材料、新工藝（結構是先導，材料是基礎，工藝是保證）和新標準不斷涌現(xiàn)；①高參數(shù)(如高壓、高速、高溫、大直徑)；②高性能(如干運轉、零泄漏、無油潤滑、密封漿液、高含固體顆粒)；③高可靠性和高水平(如高PV值、大型剖分式、狀態(tài)監(jiān)控)密封產(chǎn)品大量研制。重點：密封失效機理(如皰疤、熱裂、空化-汽蝕、橡膠密封圈泡脹和老化)、失效分析(如可靠性和失效概率)、密封失效專家診斷系統(tǒng)、失效監(jiān)控技術(如流體膜、摩擦狀態(tài)和相態(tài))的研究和應用。(1)密封理論、技術和產(chǎn)品不斷創(chuàng)新(2)密封設計由簡易的經(jīng)驗性設計向理論性專家系統(tǒng)設計轉變經(jīng)驗性設計：以機械密封為例，傳統(tǒng)的設計方法是根據(jù)經(jīng)驗性知識，確立密封的幾何參數(shù)和彈簧壓力，依此計算出端面接觸壓力Pc、線速度V、摩擦功耗、摩擦熱、沖洗液量，并確定相應的輔助系統(tǒng)；計算機輔助設計主要局限于密封零部件的繪制。理論性專家系統(tǒng)設計：先進的理論性專家系統(tǒng)設計則是以計算機為工具，根據(jù)具體的工藝條件，采用完善的專業(yè)數(shù)據(jù)庫和軟件，對密封進行性能分析、動態(tài)仿真、結構優(yōu)化、參數(shù)化設計，盡可能在設計階段使密封的使用性能達到最優(yōu)，實現(xiàn)設計的合理準確和快捷高效，滿足密封的規(guī)?；蛯I(yè)化生產(chǎn)的需要。(2)密封設計由簡易的經(jīng)驗性設計向理論性專家系統(tǒng)設計轉變(3)密封使用范圍不斷拓寬機械設備方面：機械密封不僅機泵閥采用，而且工藝設備(如反應釜、轉盤塔、攪拌機、離心機等)都采用。工業(yè)領域方面：石化、石油、化工、造紙、汽車、船舶、家電、機械制造、冶金、礦業(yè)開采、原子能工業(yè)、航空航天、軍工、電力、醫(yī)藥、食品加工等重要工業(yè)領域。工況參數(shù)方面：高壓、高速、高PV值、高溫、低溫、高真空等。(4)重視密封系統(tǒng)的開發(fā)、應用和維護過去只重視單獨密封件的開發(fā)、使用和維護，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到重視整個密封系統(tǒng)（包括密封件和密封輔助系統(tǒng)），而且已制訂了新的轉子泵用密封系統(tǒng)標準(API-682“離心泵與轉子泵的軸封系統(tǒng)”標準)。(3)密封使用范圍不斷拓寬(5)注意安全和環(huán)境保護、倡導節(jié)能減排過去只注意眼睛可視的“泄漏”，不注意眼睛看不見的易揮發(fā)物的氣相“逸出”；現(xiàn)在發(fā)展到要求控制易揮發(fā)物的逸出量，也就是說從要求“零泄漏”到要求“零逸出”。美國摩擦學家和潤滑工程師學會(簡稱STLE摩潤學會)已制訂了SP-30易揮發(fā)物逸出量控制規(guī)定的指南。大力推廣應用無危害性泄漏的非接觸式氣膜密封和液膜密封產(chǎn)品，在能夠滿足環(huán)保要求的前提下，可極大提高流體機械運行的可靠性和經(jīng)濟性，實現(xiàn)以人為本的簡況、安全、環(huán)保和經(jīng)濟的現(xiàn)代化生產(chǎn)的理念。(6)密封可靠性不斷提高在石油化工方面，為了延長工藝裝置的檢修周期和裝置的操作周期，要求機械密封的工作壽命由1年延長到2年，國外由2年延長到3年甚至5年(API682中作了明確規(guī)定)。(5)注意安全和環(huán)境保護、倡導節(jié)能減排(7)開發(fā)出適應性強的“個性化”實用密封技術和產(chǎn)品不僅要求不斷研制出高性能新的密封產(chǎn)品，更重要的是要根據(jù)具體的工況條件研制開發(fā)出針對性很強的密封技術和產(chǎn)品，并使其得到實際應用。(8)實現(xiàn)“專家型”產(chǎn)品推銷要求市場推銷人員（或銷售工程師）不僅要與用戶建立良好的業(yè)務關系，更應具備豐富的密封技術知識，正確分析解答現(xiàn)場問題，熟知產(chǎn)品特性。(9)重視技術培訓和技術咨詢服務涉及對企業(yè)內(nèi)部員工的技術培訓和對現(xiàn)場安裝、使用和維護維修人員的技術性咨詢服務兩個方面。(7)開發(fā)出適應性強的“個性化”實用密封技術和產(chǎn)品壓差流剪切流擠壓流2.密封流體力學基本知識⑴雷諾方程（ReynoldsEquation）壓差流剪切流擠壓流2.密封流體力學基本知識⑴雷諾方程（Rey⑵密封流動模型①縫隙流動（機械密封、填料密封、口環(huán)密封等間隙密封、浮環(huán)密封等）2.密封流體力學基本知識⑵密封流動模型①縫隙流動（機械密封、填料密封、口環(huán)密封等間隙②孔口夾縫出流（噴嘴、同心環(huán)縫、迷宮密封等）②孔口夾縫出流（噴嘴、同心環(huán)縫、迷宮密封等）③轉盤側隙旋流（輪盤密封）③轉盤側隙旋流（輪盤密封）(a)

收縮噴管；(b)

擴張噴管；(c)

縮放(拉瓦爾)噴管④噴管氣流(a)收縮噴管；(b)擴張噴管；(c)縮放(拉瓦摩擦學：研究作相對運動的相互作用表面及其有關理論與實踐的一門科學和技術，包括摩擦科學和技術。是一門多學科交叉的邊緣學科。涉及三部分內(nèi)容：摩擦、磨損和潤滑。摩擦（Friction）：研究具有相對運動的、相互作用的表面間的有關理論與實踐問題；兩個相互接觸物體在外力作用下，發(fā)生相對運動（或著有相對運動趨勢）時產(chǎn)生切向阻力的物理現(xiàn)象。磨損（Wear）：摩擦產(chǎn)生的重要現(xiàn)象之一，由于表面相對運動而不斷發(fā)生損耗的過程或者產(chǎn)生殘余變形的現(xiàn)象。潤滑（Lubrication）:降低磨損和減少磨損的主要措施。3.密封摩擦學基本知識摩擦學：研究作相對運動的相互作用表面及其有關理論與實踐的一門3.1摩擦表面形貌與表面接觸了解和研究摩擦表面形態(tài)和接觸狀態(tài)是分析摩擦磨損和潤滑問題的基礎。任何摩擦表面均由許多不同形狀的微凸峰和凹谷組成。表面幾何特征對于摩擦磨損和潤滑起著決定性的影響。摩擦表面幾何形狀由表面粗糙度、表面波度和表面形狀誤差（如機械密封端面平直度）三部分組成（表面幾何形狀：圖3-1）表面粗糙度是最常用的表面形貌參數(shù)，是取表面上某一個截面的外形輪廓曲線來表示（表面輪廓曲線：圖3-2～3-6）。3.1摩擦表面形貌與表面接觸圖3-1固體表面的幾何形狀圖3-2表面輪廓的算術平均差圖3-3微光不平度十點平均高度化工裝備密封技術課件3.2實際粗糙表面的接觸名義接觸面積An：宏觀幾何尺寸所決定的面積。輪廓接觸面積Ac：兩物體在外載荷作用下相互擠壓時，接觸斑點將出現(xiàn)在表面的波峰上，輪廓接觸微元面積的總和即為接觸面積，其大小與輪廓形狀及所受載荷有關。實際接觸面積Ar：由微突體接觸變形區(qū)域所形成的面積之和。對機械密封端面，表面粗糙度為Ra0.05～0.2，實際接觸面積不到1%。3.2實際粗糙表面的接觸摩擦工況干摩擦邊界摩擦混合摩擦流體摩擦潤滑狀態(tài)無分子吸附膜部分全部粘度影響（μ）無無部分起決定作用過程特征微凸起接觸分子層、分子機械作用混合流體動靜壓效應摩擦系數(shù)大小0.1～0.60.05～0.150.005～0.10.001～0.05膜厚比λ＜0.4≤1≤33～5流體膜承載比000＜xf＜113.3各種摩擦狀態(tài)及其特征對比摩擦工況干摩擦邊界摩擦混合摩擦流體摩擦潤滑狀態(tài)無分子吸附膜部3.4磨損的主要形式磨損是伴隨摩擦而產(chǎn)生的必然結果，是相互接觸的物體在相對運動時，表層材料不斷發(fā)生損耗的過程或者產(chǎn)生殘余變形的現(xiàn)象。磨損不僅是材料消耗的主要原因，也是影響機器使用壽命的主要原因。材料的損耗，最終反映到能源的消耗上，減少磨損是節(jié)約能源不可忽視的一環(huán)。在現(xiàn)代工業(yè)自動化、連續(xù)化的生產(chǎn)中，某一零件的磨損失效，就會影響全線的生產(chǎn)。為了延長機械零件的使用壽命，必須探討磨損機理、磨損規(guī)律、影響因素以及減少磨損的途徑。機械零件失效的主要原因：磨損、強度、腐蝕。

3.4磨損的主要形式磨損是伴隨摩擦而產(chǎn)生的必然結果，是相互接磨損主要形式：粘著磨損、磨料磨損、表面疲勞磨損、腐蝕磨損和微動磨損。①．粘著磨損：相對運動時，由于固相焊接，接觸點的材料由一個表面轉移到另個表面。如：鋁活塞與缸體內(nèi)壁的擦傷。②．磨料磨損：由硬質顆?；蜉^硬材料上的微突體引起表面擦傷或表層材料脫落。最常見。如：球磨機、破碎機、機械密封等。圖

二體和三體磨料磨損示意圖磨損主要形式：粘著磨損、磨料磨損、表面疲勞磨損、腐蝕磨損和微③．疲勞磨損：在交變周期性載荷的作用下，使摩擦副接觸區(qū)產(chǎn)生很大的變形和應力，并形成裂紋而破壞。疲勞裂紋一般是在有缺陷的部位產(chǎn)生。如：滾動軸承、齒輪副等。④．微動磨損：兩個表面之間由于振幅很小的相對運動而產(chǎn)生的磨損。如：花鍵、傳動銷、螺釘?shù)慕Y合面上等。⑤．腐蝕磨損：在化學或電化學反應的作用下產(chǎn)生的磨損，如氧化腐蝕磨損、特種介質腐蝕磨損、沖蝕和汽蝕等。如：水泵葉輪、水輪機葉片等。③．疲勞磨損：在交變周期性載荷的作用下，使摩擦副接觸區(qū)產(chǎn)生很應當明確：多數(shù)磨損是以復合形式出現(xiàn)的，如微動磨損就是一種復合磨損形式。在實際工程中，應抓住主要的磨損形式，才能采取有效措施，以減少磨損，延長壽命。磨損規(guī)律及影響因素機器零件的工作過程分為三個階段：跑合階段、穩(wěn)定磨損階段、急劇磨損階段。應盡可能延長穩(wěn)定磨損階段。磨損的影響因素主要有：材料、表面硬度、滑動速度、載荷、表面溫度、表面粗糙度、表面粘附物以及潤滑等。應當明確：多數(shù)磨損是以復合形式出現(xiàn)的，如微動磨損就是一種復合圖磨損量-時間曲線與磨損速度-時間曲線圖磨損量-時間曲線與磨損速度-時間曲線減少磨損的基本措施①．材料的選擇：相同金屬材料的磨損率大于不同金屬材料的磨損率，金屬材料配對摩擦副的磨損率大于金屬材料與非金屬材料配對的摩擦副。②．潤滑：使摩擦副在流體潤滑狀態(tài)下工作。③．表面強化處理：滲碳、滲氮、噴沙等表面處理工藝。④．結構設計：如采用轉移性原則，使一摩擦面磨損而保護另一摩擦面。如：滑動軸承表面油槽的布置，提高其承載能力。⑤．使用保養(yǎng)。減少磨損的基本措施3.5潤滑是減少機械零部件磨損、延長使用壽命的有效措施。為了減少機器的磨損和發(fā)熱,保證安全運轉,延長使用壽命和降低能源的消耗,摩擦副表面間進行潤滑。主要的潤滑劑為液體潤滑油。據(jù)推算,全世界用于動力的能源,約有30%～40%消耗在無效摩擦上。因此改善機械的潤滑,減少摩擦及其損失,是節(jié)約能源的有效措施。3.5潤滑是減少機械零部件磨損、延長使用壽命的有效措施。潤滑分為流體潤滑和非流體潤滑兩種。當工作狀態(tài)為流體潤滑時，兩摩擦表面不直接接觸，由一層厚度為1