过程装备密封技术课件

1、过程装备密封技术讲稿化工学院王启立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：20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

2、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过程机械的动密圭寸（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

3、学时）5.2检测的方法和分类（1学时）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，1988-3 -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立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密圭寸方式与分类1.4摩擦磨损与密封教学目标及基本要

4、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

5、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。(3) 使用方面：安装配合不当，化学介质对密封

6、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、密圭寸度(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(Leak rate)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

7、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a kppm 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

8、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。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

9、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：f 仝乜“=哄 vb/W）m （ 1-1）式中，一密封特性数，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

10、 端面总载荷；m 指数，与动密封型式有关，如旋转端面密封m=0.5。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。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222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

11、.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：zKn二一(2-1)式中，r 泄漏通道当量半r径，r =2A/H，m；气体分子的平均自由程，m；2A 流道的截面积，m ；2H 流道的截面积，m。Kn0.01时，气体分子的平均自由程大于泄漏通道的特征尺寸

12、，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。0.01Kn1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。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

13、 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L/r 100时，流过该流道的pv流率QpV为：Qpv（pi -p2）（2 2）3 % 0 A2L 流道长度，m ;Pi、p2 流道入口和出口处的压力，Pa ；3Qpv pv 流率，Pa m /s ；va 气体分子的平均速度，m / s ；-9 -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立Va可由下式计算:(2-3)Va式中R 通用气体常数；T 气体温度，K ；M 一气体分子质量，kg/kmol ;将(2-3)代入(2-2)得到:QpvA2dL二 M8R!(P1-P2)(2-4)r的均匀横截面的长管有:L2r2L02 dL 3 (2-5)0

14、 二 r二 r对于一个半径为0割=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:4 - P2)(2-6)-10 -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立-# -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立对于一个边长分别为 a和b的矩形截面的长管：LHdL =L2(a+b)d 2(a+b)L0 2 dL - .022 dL -2J L (2 7)0 A 0 a ba b(2-4)有气体流过均匀矩形横截面长管的分子流流率为:2 JQpv 4 ab2-RT3(a b)L： M EE-# -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立-# -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立对于一个长、短半径分别

15、为 a和b均匀椭圆截面的长管:R ：匕晋氓評L(2-9)2 2-2a b(2-4)有气体流过均匀椭圆形横截面长管的分子流流率为:a2b25 _ P2)(2-10)83、,(a2 b2)L例题2 1见教材P10,此处略。Qpv-# -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立-# -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立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p1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P2(P1 ”： P2)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：Qpv1A a ( Pl4P2)瓠 2FM(p

16、i - P2)(2-11)对于半径为r的圆孔，流道截面积为 A =二r2，则上式成为:Qpv =gr2 fMPi - P2）（ 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:(2-13)-12 -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立当L/r =100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L/r : 100，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：(2-14)小 1 r2 J2兀 RT ,、QpV 玄

17、3L M(5 1 -8 r2.3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、圆环隙流动、剪切流动及挤压流动的流率计算及压 力分布计算。教学形式：讲授学时安排：2学时重点难点：二维流动、一维轴对成流动、圆环隙流动、剪切流动及挤压流动的流率计算及压力分布计算。教学内容：2.3.1雷诺数和雷诺方程密封接头的性能取决于密封间隙中流体的流动阻力，密封间隙里的流动主要表现为分子流和粘性流。当粘性流在流体中占主要地位时，流动表现为层流，如果流速很大而流体的粘性很小，局部截面上与主流不平行的流动不会减弱，并且会突然转变成紊流。从层流转变到紊

18、流的现象和判定准则是雷诺数。1、雷诺数和流动状态密度为动力粘度为 的流体以平均速度u流过一特征尺寸为r的流道，其雷诺数为:(2-14)式中，Re 雷诺数；3流体密度，kg / cm ；流体动力粘度，Pa s ；u 流体平均速度， m/s ；v 流体的运动粘度，二，m2/s。Pu2上式也可以写成Re u ，这表明，雷诺数为流体运动的惯性力和粘性力之比。Re(“/2r)小表明流体中粘性力的作用较大，能够消弱与消除引起流体质点发生乱运动的扰动，使流体保持平静的层流状态；Re大表明流体中粘性力相对惯性力较小，惯性力容易使流体质点发生乱运动，使流体呈现紊乱状态，由层流转变为紊流时的临界雷诺数用Rec表示

19、。流体从层流转变为紊流除了取决于雷诺数外，还取决于流动中存在的扰动。扰动小时，容易被流体的粘性所削弱， 流动易处于层流状态；扰动大时，则不容易被流体的粘性所削弱， 流动易处于紊流状态。但当 Re ： Rec时，扰动总会被削弱。对于高度为h的密封间隙来说，其雷诺数可定义为：u2hP u2hRe(2-15)由经验可知，当Re超过临界值：Rec = 20004000时，密封间隙的流动将转变为紊流,如果密封面较为粗糙，特别是当密封面开槽时，在雷诺数小于Rec = 5001000时，密封间隙的流动也会很快转变为紊流；如果密封间隙很小，尤其当间隙小于10m时，通常情况下都将是层流。2、压力梯度、速度分布和

20、雷诺方程从流体力学的角度研究密封，必须解决两个问题:流体在密封间隙中的压力分布，由此可计算出液膜的承载能力； 流体经过密封间隙的流率，即泄漏率。层流状态下，流体在密封间隙中的流动可以通过雷诺方程来描述。图2 1表示一个高度为h的间隙密封，间隙上下固体表面分别以速度U1,V1,W1和U2,V2,W2运动。在流体中取一个微小的单元体，其局部速度为 u,v,w。间隙高度h(x,y) 沿着y方向是改变的，它和密封间隙在x和z方向上的尺寸相比小得多， 假定整个过程的粘 度为常数。-14 -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立-# -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立考虑到作用在(dx,dy,dz )上的粘

21、性力及其压力引起的平衡。在x和y方向上的压力梯度分别为fp/：x和：p/fz，由粘性力产生的局部剪切力分别为：u/fy和fw/fy。如图22所示，作用在微元体上的力在x方向上平衡为：(2-16)dxdydz由此得到x方向上局部压力梯度与剪切力的关系为:(2-17)-# -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立-# -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立同样，在x方向上有:.L、.1-.1-.:pw( )(2-18)h上压力不变，故；:p/= 0。:z:y；y由于密封间隙在y方向的尺寸很小，因此假设在间隙高度 对于粘性流体，由于其粘附作用，下列边界条件成立：y=0,u=U i ,w=W i; y=h,

22、u=Y 2,w=W 2;在方程(2-17)和(2-18)中，分别对流动速度 u和w进行积分，并应用上面的边界条 件，则可得到密封间隙中流体的速度分布：y U 21 p(2-19)u(八(1*)U1寸-厂和)w(y) =(1)W1 yEy(h-y) (2-20)hhex式中，u、w 流体在x方向和z方向的流动速度，m/s ；h 间隙高度，m ；p 压力，Pa ；U1、W1 下固体表面上在 x和z方向上的运动速度，m/s；U2、W2 上固体表面上在 x和z方向上的运动速度，m/s。图2-2作用在微元体上的压力税剪力2.3.2二维流动不可压缩流体必须满足如下连续性条件，如图d V(2-21)x :

23、y :z2 3所示。3V当y=h时，h+0 0a= 0,h :wdy =0( 2-22).:zu=Y2,w=W2,上式进行积分并整理rh nAid龙(2-23)W w dA 二花k严旳一坠頁(2-24)P2-击却(2-25)(Wl + W* 仇k -闵芒(2-26：)联立方程式(2-23)式(2-26),则可得封密封闾隙中二堆流劫的雷诺方程 已弓墙兽)5薯或可写成如下形式旦f星亚 12护工,a +頂邛2 nz J 22饶+理罢-vvo(2切对于任意密封间隙高度，用解析的方法求解上述偏微分方程通常十分困难。对于特定的问题，方程可以进行简化。例如：密封表面时刚性的，且以速度U仁U沿着x轴方向运动，

24、此时V1=0,W1=0 ;另一个刚性密封表面静止不动，即U2=0,V2=0,W2=0。这样，雷诺方程可简化为：(2-28)-16 -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立-# -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立式(2-28)广泛应用于动密封和轴承间隙中的流动分析。-# -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立2.3.3 一维轴对称流动(1) 圆管中的流动一维轴对称流动是工程中常见的流动形式，如流体通过圆形管道的流动、阀门阀杆与填料之间形成间隙中的流动、活塞式压缩机活塞环与气缸壁间隙中的气体的流动、法兰和垫片间环形间隙中的流体的流动等。如图2-5 (a)所示，粘度为 的流体在一直径不变的水平圆管内沿

25、x方向作稳定的层 流运动，x轴为圆管中心线，管道入口处的压力为 p1，管道出口处的压力为 p2，管道长度 为L,半径为R,现在分析圆管中流体的速度分布并计算流过圆管的速率。采用与2.3.1.2节相同方法，考虑作用在微元体上的力在 x方向上的平衡。如图2-5( b) 所示，取一个与圆管同轴线，半径为r的微圆环流体，x方向上局部压力梯度与剪切力的关系为：-2： rd 7 r2dx = 0:T；x上式可简化为：p _ 2:ujxr ：r图2-5圆管中的断动連度分布；(b)禮卿开療休t力的平福由于压力p只是x的函数，而流动关于x轴是对称的，故u仅仅是r的函数。因而，上 式称为微分方程：dp 2耳 du

26、(2-29)dx r dr且等式两端都等于常数时才成立。积分上式得到：C（2-30）现由边界条件确定积分常数C。当r = R时，u=0,则C = dp,代入上式得到:4口 dx丄空(R2_r2)(2-31)4 dx式中dP为沿单位管长的压力变化，则可得到管内层流的速度分布函数:dx1 P1 一 P2 (R2 r2) ( 2-32)由上式可见，管内的速度沿半径方向按抛物线规律分布，其最大流速在管子轴心处， 其值为:Umax 1 Pl_P2(R2) (2-33)-19 -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立-# -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立由（2-32）可计算出流过管子的体积流率:Q = ；

27、u2WTr4 ( 2-34)管内的平均流速为:u=丄R2 (2-35) 比较（2-35）和（2-33）可以看出，管内的平均流速等于管子中心流速的一半。（2）平行圆板的流动两个静止的平行圆板之间有一个高度为h的环状间隙，由于压力差（p1-p2 ）的作用,流体通过间隙由半径为 r1处流至外半径为r2处，如图2- 6所示，流动为稳定的层流流动。由于上下表面是静止的，故U1=U2=0,由公式（2-19）可直接得到流速分布：u =2-乎y(h -y) (2-36)2 dr可见流速沿间隙高度 h为抛物线分布。 流体通过环状间隙的流率为：h二h32 讪 lnEp2)(2-37)-# -过程装备密封技术讲稿化

28、工学院王启立-# -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立27所示。因（3）圆环间隙的流动作往复运动的轴与密封件之间的间隙可以看作轴对称的环形间隙，如图-|L.为环隙高度沿整个圆周方向是固定不变的，则兰=0,2 =0。因此，方程式（2-28）中各Z: Z变量仅与x有关。d(曽d x d xd h-(2-38)d x将上式积分，得到:亘 6Uh C dx假定h*为 空=0处的环隙高度，则由上式可得到C二-6Uh*，这样就可以得到关联dx局部压力梯度、环隙高度 h、壁面运动速度 U,流体粘度 的一维雷诺方程： 嚳6U（h（ 2-39）设Q为体积流率，b为环隙的周向长度，则:Udy竺2-20 -过程装备

29、密封技术讲稿化工学院王启立代入（2-39）得到:Q = b(-h3 dp12 dx(2-40)-# -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立-# -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立上式中的第一项为压力差对总流的贡献，称为压力流；第二项是由于运动表面引起的剪切流对总流的贡献。由压力引起的流动速度沿环隙高度h呈抛物线分布，剪切流引起的流动速度呈线性分布，如图 2-7所示。图芥8环隙中的压力降F面讨论几种特殊形式的泄漏率方程，假定密封是刚性的。（1 ）同轴圆形环隙中的流动如图2-8表示一个同轴圆筒之间的环形间隙，间隙高度为hO,间隙宽度b二二D,间隙在流动方向的长度为 L,间隙出口压力为P2,进口压力

30、为pi，内圆筒的运动速度为 U。压力梯度为：dP P（ 2-41）dx L代入（2-40）求得体积流率为：3phoUh。、Q - ：D（ 00） （ 2-42）12 L 2如两个边界都是静止的，则体积流率为：=ph03Qo 二7 d（1l ）（2-43）式中，Qo 边界禁止时同轴圆形间隙中的体积流率，m3/s ;b 间隙宽度，m；ho 间隙高度，m；D 圆管直径，m; ：p 压力差，Pa。（2）轴线平行的不同轴圆形环隙汇总的流动在这种情况下，间隙沿轴线不变而圆周方向时不断改变的，如果孔的轴线和轴的轴线的径向距离为 e,而平均间隙为 h0=0.5（D-d）,则相对偏心率为；=e/h，相应的体积

31、流率为：2Qe = D（1 1.5 ； ） （2-44）式中，Qe 轴线平行的不同轴圆形环隙中的体积流率，m3/s ；相对偏心率。式中的Q0可由公式（2-43）计算。234轴线倾斜时圆环隙中的流动在这种情况下流动是二维的（x方向和z方向上的分量均存在），方程（2-28）无法直接 积分。当轴的倾斜度增大时，流率减小，在倾斜度最大时，如图所示，其体积流率Qt近似等于同轴圆形环隙中流率 Q0的一半。Qt 0.5Q 0（2-45）从公式（2-44）、（ 2-45）可以看出，轴和孔的轴线是否平行对流动的影响很大，从轴线 完全倾斜到完全平行，其流率增加约5倍，因此，在应用方程（2-43）时要特别注意环形间

32、隙是否同轴。-21 -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立235流道出口处有障碍时的剪切流动-22 -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立-# -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立E 2-11剪切流动引起压力长高如图2- 11,有一个环状间隙ho, 端压力为pi,另一端由一个接触式密封件密封。假设环状间隙h。为10um数量级，而接触式密封的间隙为1um数量级，轴以速度 U向密封件方向作轴向运动。由于剪切力效应，流体向密封件方向运动，但由于密封件的阻碍， 流体无法通过。此时流道中的总流量Q-0。由(2-40)可得到间隙中的压力梯度为：dpdxho2，可见，压力沿间隙线性增加，在密封件处达到最大值Ps

33、。 在整个间隙长UL度L上对上式积分得到：ps - 5工-UL (2-46)ho式中，ps 拖拽压力，Pa。上式表明，剪切流动引起间隙中流体压力增加，其幅度对间隙高度ho比较敏感。-# -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立2.3.6挤压引起的流动考虑两个刚性壁面在 y方向相互接近时壁面间隙中流体的流动情况, 此时，方程(2-27)可简化为：如图2- 12所示,(2-47)对于两个平行的刚性壁面云=。，其相互接近速度保持恒定的简单情况，有:dh 12 V _厂 C dxh3根据对称性，当x= 0时,(2-48)dh -0，因此C=0,积分上式得到压力随时间的分布函数:dxP(x)=(2-49)-

34、23 -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立-# -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立可以看出间隙中的压力 p(x)是与间隙高度h的三次方成反比。2.4可压缩流体的薄膜流动教学目标及基本要求：(1) 掌握亚音速气体流动的流率及压力分布计算;（2）掌握音速气体流动的流率计算。教学形式：讲授学时安排：1学时重点难点：二维流动、一维轴对成流动、圆环隙流动、剪切流动及挤压流动的流率计算及压力分布计算。教学内容：浮环密封和迷宫密封主要用于气体或蒸汽等压缩流体的轴的密封。 气体或蒸汽的流动是 可压缩的，在流动过程中存在压力能和热能的交换， 引起流体温度的变化， 从而改变压力的 分布，进而导致流率的改变。当气

35、体以亚音速流过一个狭窄的缝隙时， 有时可以假定其温度是保持不变的， 即流动是等温的。主要因为：（1 ）认为轴的材料是良好的导热体，密封间隙很小，气体流过整个密封间隙有充分的时间进行热交换，可认为气体的温度和轴的表面温度相同；（2）气体流动中产生的摩擦热近似地补偿了由于气体膨胀造成的热量损失。2.4.1亚音速气体的流动流过一个直径为 D,长度为L,高度为h的环形间隙，当轴处于静止状态时，根据式（2-40） 可得到一维层流状态下流体的质量流率：Dh3 、dp、Qm =Q- = （）（2-50）12口dx对理想流体，有：p /匸二RT/M，因此3二 Dh M12 RTdp、pdx）（2-51）-24

36、 -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立-# -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立当温度不变时，质量流率为:(2-52)二 Dh 3M pj _ P2212 RTL 2引入压力比：二卫2和压差二p2 - P1，则:pi二 Dh3 112 L 2(2-53)式中:?1、 2 进出口气体密度，m3/s ；此时气体的压力降为：p（x） = p（1P2） （2-54）对于流道出口处气体流速为亚音速的紊流流动，其质量流率可用下面的经验公式来估算:Qm =9.9汕（p） h3（i）1/7（2-55）m 1“L2.4.2音速气体的流动如果压力pi逐渐增加，当它达到临界压力比九=（旦）c时，在出口处气体将达到音

37、速Pi-26 -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立-# -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立Us二RT，这里 二Cp/Cv为质量热容比，如空气的咐-1.4，如果出口处达到音速后压力pi继续上升，那么质量流量将会继续增加，但气体仍以音速流处密封间隙。出口压力Pe将随进口压力增加而增加，以保持临界压力比为一恒定值。临界压力比c的大小主要由流体的摩擦特性决定的，间隙的流动阻力越大，-c越小,I实际上是 与雷诺数Re的函数。层流时气体流过圆环形间隙的临界压力可以按如下公式计算。 气体在圆环形间隙出口处的质量流率、流速和密度之间有如下关系:Qm.一二二 Dhu2（2-57）：2气体在间隙出口处的速度为:

38、U2P2h2 1212 L 2 ：2(2-58)当出口处速度U2等于当地音速Us时，压力比达到临界值，定义系数K为:Us24 LF2h2(2-59)-# -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立-# -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立则临界压力比为:(2-60)-# -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立-# -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立对于1020um的间隙里的空气流动，其临界压力比：c约在0.10.2之间。对于圆环形间隙中的气体流动，当间隙高度较小时，其质量流率可以按照下面的公式来计算：Qm“Dh；f.p11（2-61） 式中，；f表示流动系数。 流动系数和压力比的关系曲线见教材 P2

39、2，图2 14。 压力比在临界压力比范围内，流动系数可用如下公式计算：式中，Cr为流动阻力系数，根据层流和紊流按照下面两式计算:48L层流时 Cr- (2-63)Reh紊流时 CR 二 0.16- (2-64)h VRe3过程设备和管道的静密圭寸本章框架: 3.1垫片密封3.1.1前沿3.1.2中低压设备和管道的垫片密封3.1.3高压设备的法兰连接3.2胶密封3.2.1带压注剂密封技术3.2.2带压粘接密封技术3.1垫片密封教学目标及基本要求：(1) 了解垫片的定义、垫片密封的泄漏形式及密封机理;(2) 了解法兰连接标准、垫片的力学性能和密封性能；(3) 了解高压设备密封结构的特点与选用；(4

40、) 掌握中低压设备和管道的垫片密封的螺栓载荷计算;(5) 掌握典型高压设备密封结构设计计算。教学形式：讲授学时安排：7学时 重点难点：(1)垫片的力学性能和密封性能;(2)螺栓载荷计算;(3) 典型高压容器密封设计计算。教学内容：3.1.1前言垫片密封时过程工业装置中压力容器、工艺设备、动力机器和连接管道等可拆连接处最主要的静密封型式。(1) 垫片的定义垫片是一种夹持在两个独立的连接件之间的材料或材料的组合，其作用是在预定的使用 寿命内，保持两个连接件间的密封。如图31所示的垫片密封的法兰连接。图3-1垫片嘉栓法兰连接图示垫片密封一般由连接件(如法兰)、垫片和紧固件(如螺栓、螺母等)等组成。(

41、2) 垫片密封的泄漏方式图3-2垫片泄漏的形式一泄一渗透；一吹出 界面泄漏：两连接表面，即密封面存在粗糙度和变形，与垫片之间存在泄漏通道，由此产生的流体泄漏称为界面泄漏，约占总泄漏量的80%90%。 渗透泄漏：对非金属材质垫片，材料的微观结构存在微小缝隙或细微毛细管，具有一定压力的流体容易通过它们渗漏出来，称为渗透泄漏，占总泄漏量的10%20%。 吹出泄漏：夹紧垫片的总载荷较少到几乎等于作用在接头端部的流体静压力，导致了密封面的分离。这时若增加流体压力，由可能在沿垫片径向作用的流体压力会将垫片撕裂，引起密封流体的大量泄漏，称为吹出泄漏，属于事故泄漏。(3) 密封机理a初始密封即垫片用于对两个连

42、接件密封面产生初始装配密封和保持工作密封。产生初始密封的基本要求是压缩垫片， 使其与密封面间产生足够的压力，称为预紧力，以防止介质通过材料本身的渗透，同时保证垫片对连接件有足够的顺应性，在受压缩后的弹性变形能构填塞密封面的变形和表面粗糙度，以堵塞界面泄漏的通道。以螺栓为例，垫片应力取决于螺栓的数量、拧紧螺栓的转矩、螺栓系统的恶魔擦状况和垫片的压缩面积，即：M=KFd (3- 1)或 F=M/Kd二gj =FN / Ag (3 2)式中，M 转矩，N m ；d 螺栓的名义直径，m；K 系数，一般取 0.160.2 ;F 紧固力，N ;二gi垫片预紧应力，MPa ；N 螺栓数目；2Ag 垫片压缩面

43、积，mm。b、工作密封当初始垫片应力加在垫片上之后,它必须在装置的设计寿命内保持足够的应力，以维持-30 -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立-# -过程装备密封技术讲稿化工学院王启立允许的密封度。工作垫片应力可用下式计算:匚=(讥 5)5 (3 3)式中，二go 工作垫片应力，MPa ；p 密封介质压力，MPa ； 应力衰减系数，1 ；B介质静压力作用面积mm2。-0和：R分别教材图3-3的曲线表示上述两个过程中垫片的应力与变形的关系。图中 对应预紧至Cgi时的压缩量和工作时 Cgo下的弹回量。3.1.2中低压设备和管道的垫片密封一、法兰连接设计的一般考虑法兰连接是过程装备中低压设备、管道和

44、阀门中应用最广泛的可拆连接。设计法兰的 密封系统要满足下面要求。完整性一整个结构的机械或热应力必须在材料允许范围内；密封性-垫片应力必须使整个接头的泄漏率在允许范围内。上述条件须满足下列载荷条件： 初始拧紧螺栓时的装配或预紧载荷； 1.25或1.5倍设计压力的腋芽实验载荷； 正常操作载荷(例如压力和温度载荷)。根据应用场合，还必须考虑到： 其它外载荷，如轴向或弯曲载荷； 螺栓预紧力的不确定性； 瞬时热冲击，如骤然加热或冷却； 因循环载荷引起的疲劳； 腐蚀将减小材料的有效厚度； 蠕变，包括法兰、螺栓和垫片的蠕变，所有都将减少垫片应力。二、法兰连接标准法兰是通用的机械零件，对常用的法兰已经标准化。

45、(1) 法兰类型按用途分为容器法兰和管道法兰；按密封面宽窄分为款面法兰和窄面法兰；按制造材料分为金属法兰和非金属法兰； 根据形式分为圆形、矩形、椭圆形； 按与容器或管道的连接方式分为焊接法兰和非焊接法兰。按照国际标准化将法兰分为 11类，如下表：非烬接站掏焊接貉构平坪评蹩奪袪工析式平蝗崔兰 味边那错煤松套械兰带颈肇It焊法竖翻边环松廷挂兰Ml蚊法金整体绘兰对焊环松彗法芝带颈平焊法兰典型法兰结构如图 3-4所示。()f)图3/典型法兰类型瞥颈对焊哉岂；(b)带報平嫦巻兰；c)带颈术箱牌搖兰* (d)板式平埠法苣;(c)翻边环柚宾注岂；(f)螺纹试兰i (叮平焊环松套法兰；(h)葩兰盖(2) 法兰密封面型式法兰密封面的型式与大小和垫片的型式、使用场合和工作条件有关。根据相关标准，将法兰密封面分为 9种，按着垫片外周边是否受到约束，分为约束、半约束、无约束和自 紧式类型，如表 3-2，常用的几种结构间图 3-5所示。无约束指紧固螺栓时，垫片在法兰密封面间可自由向内或向外移动。半约束的凹凸密封面形式，使垫片免于遭受吹出的危险。有约束的环连接面适用于压力、温度有波动，对介质密封性要求较高的场合。自紧式的密封面，主要用于金属或弹性体0形环的密封，依靠工作时的压力挤压