化工装备密封技术

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

0.1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

0.2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

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。1.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。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：1.1.2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。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。1.2密封方方法和和分类类根据泄泄漏的的成因因，阻止或或控制制流体体流动动（阻阻流））的方法法有5种：①降降低引引起流流动的的推动动力，，Δp↓↓。②增增大阻阻止流流体流流动的的能量量（包包括力力学能能量、、界面面摩擦擦、流流体摩摩擦、、热力力学能能量损损失等等）。。③控控制流流体流流动方方向（（变有有害流流动为为无害害流动动，如如抽气气密封封、浮浮环密密封等等）。。④切切断流流道。。⑤组组合。。1.2密封方方法和和分类类密封方方式（（采用用上面面一种种或多多种方方法））：①全封闭闭或部部分封封闭将机器器或设设备用用机壳壳或机机罩全全部密密闭或或部分分密闭闭住如屏蔽蔽泵、、磁力力偶合合器驱驱动的的泵。。特点：：无轴轴封和和密封封室。。②填塞或或阻塞塞（是是一种种传统统的密密封方方法））利用密密封件件填塞塞泄漏漏点(例如密密封圈圈、软软填科科密封封等)或利用用流体体阻塞塞被密密封流流体(例如气气封、、水封封、铁铁磁流流体密密封等等)。③分隔或或间隔隔利用密密封件件将泄泄漏点点与外外界分分隔开开（隔隔膜密密封、、机械械密封封等））或利利用气气体或或液体体作为为中间间密封封流体体(气垫密密封、、双端端面机机械密密封等等)。④引出或或注入入将泄漏漏介质质引回回到吸吸入室室或通通常为为低压压的吸吸入侧侧(抽气密密封)或将对对被密密封流流体无无害的的流体体注入入密封封室以以阻止止被密密封流流体的的泄漏漏(如氮气气密封封)。1.2密封方方法和和分类类⑤流阻或或反输输利用密密封件件狭窄窄间隙隙或曲曲折途途径造造成密密封所所需要要的流流动阻阻力(迷宫密密封)或利用用密封封件对对泄漏漏流体体造成成反压压，使使之部部分平平衡或或完全全平衡衡，将将流体体反输输回上上游，，以达达到密密封的的目的的（如如螺旋旋密封封、上上游泵泵送密密封））。⑥贴合合或或粘粘合合利用用研研合合密密封封面面本本身身的的加加工工质质量量使使密密封封面面贴贴合合或或利利用用密密封封剂剂使使密密封封面面粘粘合合达达到到密密封封（（密密封封剂剂、、密密封封膏膏等等））。。⑦焊合合或或压压合合利用用焊焊接接或或钎钎接接的的方方法法将将泄泄漏漏点点堵堵塞塞或或加加压压使使接接触触处处微微观观不不平平处处变变形形(如垫垫片片密密封封、、软软填填料料密密封封等等)，形形成成固固定定的的结结合合达达到到密密封封。。⑧几种种密密封封方方法法的的组组合合是密密封封技技术术的的一一个个发发展展方方向向。。流体体密密封封按按运运动动方方式式分分为为：：①流体体静静密密封封(StaticSeals)：用用于于密密封封与与流流体体接接触触的的可可拆拆卸卸静静设设备备。。如如垫垫片片(gasket)、密密封封胶胶或或密密封封剂剂(sealingglue)等。。②流体体动动密密封封（DynamicSeals)：用用于于机机器器中中将将两两流流体体空空间间隔隔开开并并作作相相对对运运动动（（旋旋转转、、螺螺旋旋、、往往复复摆摆动动））的的部部件件之之间间的的密密封封。。分分旋旋转转密密封封(rotatingseals)、往往复复密密封封(reciprocatingseals)、复复合合运运动动密密封封(complexmovingseals)等。。③伪静静密密封封或或微微动动密密封封（Pseudo-staticSeals):介于于静静密密封封与与动动密密封封之之间间的的密密封封形形式式，，表表面面为为静静密密封封，，实实则则为为动动密密封封，，如如机机械械密密封封中中补补偿偿环环用用辅辅助助密密封封(secondaryseals)。④封闭闭式式密密封封(closedseals)或转转化化为为静静密密封封的的动动密密封封：如屏屏蔽蔽泵泵(screenedpumps)、磁磁力力传传动动泵泵(magnetictransmissionpumps)和全全封封闭闭式式压压缩缩机机(closedcompressors)等将将动动密密封封转转化化为为静静密密封封的的机机器器设设备备。。流体静密密封分类类垫片密封封。按材料和结结构分为：①非金金属垫片片：橡胶胶、石棉棉橡胶、、柔性石石墨、聚聚四氟乙乙烯等，，截面形形状均为为矩形。。②金属属复合型型垫片：：各种金金属包垫垫、金属属缠绕垫垫。③金属属垫片：：金属平平垫、波波形垫、、环形垫垫、齿形形垫、透透镜垫、、三角垫垫、双锥锥环、C形环、中中空O形环。按密封分分类原则则：金属平平垫、波波形垫、、环形垫垫、齿形形垫、透透镜垫属属于强制制式密封封，其余余为自紧紧式或半半自紧式式密封。。胶密封。填料密封封。波纹管。流体动密密封分类类接触式动动密封。①软填填料密封封。②成型型填料密密封。③油封封。④防尘尘密封。。⑤接触触式机械械密封。。非接触式式动密封封。①非接接触式机机械密封封（气膜膜密封、、液膜密密封等））。②迷宫宫密封。。③浮环环密封。。④间隙隙密封。。⑤螺旋旋密封。。⑥离心心密封。。⑦磁流流体密封封。封闭式密密封。组合式密密封。1.3对密封产产品或密密封系统统的要求求密封性：实现密密封介质质的低微微泄漏甚甚至无泄泄漏（包包括液相相零泄漏漏和汽相相零逸出出），实实现环保保功能。。可靠性：使用寿寿命长、、稳定性性高、抗抗干扰能能力强。。经济性：成本低低、能耗耗和运行行费用少少、使用用维修方方便——性价比高高。适用性：能满足足机泵具具体的工工艺条件件要求和和现场能能提供的的实际条条件。1.4流体密封封技术的的发展趋趋势随着现代代工业的的迅速发发展，流流体密封封的使用用环境正正在发生生深刻的的变化，，对其工工况要求求更加苛苛刻，操操作条件件正向高速、高高压、高高温、低低温、高高真空、、大尺寸寸、微尺尺寸方向发展展。以石油化化工为例例，石化化用机泵泵的发展展方向是是大型化、、高速化化、机电电一体化化，泵产产品成套套化、标标准化、、系列化化和通用用化，多品种、、性能广广、寿命命长及可可靠性高高；使机机泵用密密封向大大型化和和专业化化方向发发展，特特别是适适用高压、高高速透平平，高温温、低温温和超低低温泵，高速泵，，耐腐蚀蚀泵，输输送粘稠稠介质和和带固体体颗粒介介质泵的密封技技术和产产品发展展很快。。电力、冶冶金等行行业设备备正向着着大型化、、高度自自动化、、智能化化、节能能和绿色色环保的方向发发展，对对于高温、高高压密封封要求越来来越高。。比如发发电设备备，压力力要求能能承受27～28MPa，耐热温温度要求求达到600℃，这都都需要密密封等设设备能够够耐高温温高压。。(1)密密封理论论、技术术和产品品不断创创新新技术、、新概念念、新结结构、新新材料、、新工艺艺（结构是先先导，材材料是基基础，工工艺是保保证）和新标标准不断断涌现；；①高参参数(如如高压、、高速、、高温、、大直径径)；②高性性能(如如干运转转、零泄泄漏、无无油润滑滑、密封封浆液、、高含固固体颗粒粒)；③高可可靠性和和高水平平(如高高PV值、大型型剖分式式、状态态监控)密封产产品大量量研制。。重点：密封失失效机理理(如疱疱疤、热热裂、空空化-汽汽蚀、橡橡胶密封封圈泡胀胀和老化化)、失失效分析析(如可可靠性和和失效概概率)、、密封失失效专家家诊断系系统、失失效监控控技术(如流体体膜、摩摩擦状态态和相态态)的研研究和应应用。(2)密封设设计由简易的的经验性设计计向理论性专专家系统设计计转变经验性设计：：以机械密封为为例，传统的的设计方法是是根据经验性性知识，确立立密封的几何何参数和弹簧簧压力，依此此计算出端面面接触压力Pc、线速度V、摩擦功耗、、摩擦热、冲冲洗液量，并并确定相应的的辅助系统；；计算机辅助助设计主要局局限于密封零零部件的绘制制。理论性专家系系统设计：先进的理论性性专家系统设设计则是以计计算机为工具具，根据具体体的工艺条件件，采用完善善的专业数据据库和软件，，对密封进行行性能分析、、动态仿真、、结构优化、、参数化设计计，尽可能在在设计阶段使使密封的使用用性能达到最最优，实现设设计的合理准准确和快捷高高效，满足密密封的规模化化和专业化生生产的需要。。(3)密封使用用范围不断拓拓宽机械设备方面面：机械密封封不仅机泵阀阀采用，而且且工艺设备(如反应釜、、转盘塔、搅搅拌机、离心心机等)都采采用。工业领域方面面：石化、石石油、化工、、造纸、汽车车、船舶、家家电、机械制制造、冶金、、矿业开采、、原子能工业业、航空航天天、军工、电电力、医药、、食品加工等等重要工业领领域。工况参数方面面：高压、高高速、高PV值、高温、低低温、高真空空等。(4)重视密封系统统的开发、应应用和维护过去只重视单单独密封件的的开发、使用用和维护，现现在已经发展展到重视整个个密封系统（（包括密封件件和密封辅助助系统），而而且已制订了了新的转子泵泵用密封系统统标准(API-682“离心泵与转子子泵的轴封系系统”标准)。(5)注意安全和环环境保护、倡倡导节能减排排过去只注意眼眼睛可视的“泄漏”，不注意眼睛睛看不见的易易挥发物的气气相“逸出”；现在发展到到要求控制易易挥发物的逸逸出量，也就就是说从要求求“零泄漏”到要求“零逸出”。美国摩擦学学家和润滑工工程师学会(简称STLE摩润学会)已已制订了SP-30易挥发物逸出出量控制规定定的指南。大力推广应用用无危害性泄泄漏的非接触触式气膜密封封和液膜密封封产品，在能能够满足环保保要求的前提提下，可极大大提高流体机机械运行的可可靠性和经济济性，实现以以人为本的简简况、安全、、环保和经济济的现代化生生产的理念。。(6)密封可靠性不不断提高在石油化工方方面，为了延延长工艺装置置的检修周期期和装置的操操作周期，要要求机械密封封的工作寿命命由1年延长长到2年，国国外由2年延延长到3年甚甚至5年(API682中作了明确规规定)。(7)开发出适应性性强的“个性化”实用密封技术术和产品不仅要求不断断研制出高性性能新的密封封产品，更重重要的是要根根据具体的工工况条件研制制开发出针对对性很强的密密封技术和产产品，并使其其得到实际应应用。(8)实现“专家型”产品推销要求市场推销销人员（或销销售工程师））不仅要与用用户建立良好好的业务关系系，更应具备备丰富的密封封技术知识，，正确分析解解答现场问题题，熟知产品品特性。(9)重视技术培训训和技术咨询询服务涉及对企业内内部员工的技技术培训和对对现场安装、、使用和维护护维修人员的的技术性咨询询服务两个方方面。压差流剪切流挤压流2.密封流体力学学基本知识⑴雷诺方程（ReynoldsEquation）⑵密封流动模型①缝隙流动（机械密封、、填料密封、、口环密封等等间隙密封、浮环密密封等）2.密封流体力学学基本知识②孔口夹缝出流流（喷嘴、同心心环缝、迷宫宫密封等）③转盘侧隙旋流流（轮盘密封））(a)收缩喷管；(b)扩张喷管；(c)缩放(拉瓦尔)喷管④喷管气流摩擦学：研究作相对运运动的相互作作用表面及其其有关理论与与实践的一门门科学和技术术，包括摩擦擦科学和技术。是一门门多学学科交交叉的的边缘缘学科科。涉及三三部分分内容容：摩摩擦、、磨损损和润润滑。。摩擦（（Friction）：研究究具有有相对对运动动的、、相互互作用用的表表面间间的有有关理理论与与实践践问题题；两两个相相互接接触物物体在在外力力作用用下，，发生生相对对运动动（或或着有有相对对运动动趋势势）时时产生生切向向阻力力的物物理现现象。。磨损（（Wear）：摩擦擦产生生的重重要现现象之之一，，由于于表面面相对对运动动而不不断发发生损损耗的的过程程或者者产生生残余余变形形的现现象。。润滑（（Lubrication）:降低磨磨损和和减少少磨损损的主主要措措施。。3.密封摩摩擦学学基本本知识识3.1摩擦表表面形形貌与与表面面接触触了解和和研究究摩擦擦表面面形态态和接接触状状态是是分析析摩擦擦磨损损和润润滑问问题的的基础础。任何摩摩擦表表面均均由许许多不不同形形状的的微凸凸峰和和凹谷谷组成成。表面几几何特特征对对于摩摩擦磨磨损和和润滑滑起着着决定定性的的影响响。摩擦表表面几几何形形状由由表面粗粗糙度度、表面波波度和表面形形状误误差（如机机械密密封端端面平平直度度）三三部分分组成成（表表面几几何形形状：：图3-1）表面粗粗糙度度是最最常用用的表表面形形貌参参数，，是取取表面面上某某一个个截面面的外外形轮轮廓曲曲线来来表示示（表表面轮轮廓曲曲线：：图3-2～3-6）。图3-1固体表表面的的几何何形状状图3-2表面轮轮廓的的算术术平均均差图图3-3微光不不平度度十点点平均均高度度3.2实际粗粗糙表表面的的接触触名义接接触面面积An：宏观观几何何尺寸寸所决决定的的面积积。轮廓接接触面面积Ac：两物体体在外外载荷荷作用用下相相互挤挤压时时，接接触斑斑点将将出现现在表表面的的波峰峰上，，轮廓廓接触触微元元面积积的总总和即即为接接触面面积，，其大大小与与轮廓廓形状状及所所受载载荷有有关。。实际接接触面面积Ar：由微微突体体接触触变形形区域域所形形成的的面积积之和和。对机械械密封封端面面，表表面粗粗糙度度为Ra0.05～0.2，实际际接触触面积积不到到1%。摩擦工况干摩擦边界摩擦混合摩擦流体摩擦润滑状态无分子吸附膜部分全部粘度影响（μ）无无部分起决定作用过程特征微凸起接触分子层、分子机械作用混合流体动静压效应摩擦系数大小0.1～0.60.05～0.150.005～0.10.001～0.05膜厚比λ＜0.4≤1≤33～5流体膜承载比000＜xf＜113.3各种摩摩擦状状态及及其特特征对对比3.4磨损的的主要要形式式磨损是伴随随摩擦擦而产产生的的必然然结果果，是是相互互接触触的物物体在在相对对运动动时，，表层层材料料不断断发生生损耗耗的过过程或或者产产生残残余变变形的的现象象。磨损不不仅是是材料料消耗耗的主主要原原因，，也是是影响响机器器使用用寿命命的主主要原原因。材料的的损耗耗，最最终反反映到到能源源的消消耗上上，减减少磨磨损是是节约约能源源不可可忽视视的一一环。。在现代代工业业自动动化、、连续续化的的生产产中，，某一一零件件的磨磨损失失效，，就会会影响响全线线的生生产。。为了延延长机机械零零件的的使用用寿命命，必必须探探讨磨损机机理、磨损规规律、影响因因素以及减少磨磨损的的途径径。机械零零件失失效的的主要要原因因：磨损、、强度度、腐腐蚀。磨损主主要形形式：：粘着磨磨损、、磨料料磨损损、表表面疲疲劳磨磨损、、腐蚀蚀磨损损和微微动磨磨损。。①．粘着磨磨损：相对对运动动时，，由于于固相相焊接接，接接触点点的材材料由由一个个表面面转移移到另另个表表面。。如：铝铝活塞塞与缸缸体内内壁的的擦伤伤。②．磨料磨磨损：由硬硬质颗颗粒或或较硬硬材料料上的的微突突体引引起表表面擦擦伤或或表层层材料料脱落落。最最常见见。如：球球磨机机、破破碎机机、机机械密密封等等。图二体和和三体体磨料料磨损损示意意图③．疲劳磨磨损：在交交变周周期性性载荷荷的作作用下下，使使摩擦擦副接接触区区产生生很大大的变变形和和应力力，并并形成成裂纹纹而破破坏。。疲劳劳裂纹纹一般般是在在有缺缺陷的的部位位产生生。如：滚滚动轴轴承、、齿轮轮副等等。④．微动磨磨损：两个个表面面之间间由于于振幅幅很小小的相相对运运动而而产生生的磨磨损。。如：花花键、、传动动销、、螺钉钉的结结合面面上等等。⑤．腐蚀磨磨损：在化化学或或电化化学反反应的的作用用下产产生的的磨损损，如如氧化化腐蚀蚀磨损损、特特种介介质腐腐蚀磨磨损、、冲蚀蚀和汽汽蚀等等。如：水水泵叶叶轮、、水轮轮机叶叶片等等。应当明明确：多数数磨损损是以以复合形形式出现的的，如如微动动磨损损就是是一种种复合合磨损损形式式。在在实际际工程程中，，应抓抓住主要的的磨损损形式式，才能能采取取有效效措施施，以以减少少磨损损，延延长寿寿命。。磨损规规律及及影响响因素素机器零零件的的工作作过程程分为为三个个阶段段：跑合阶阶段、稳定磨磨损阶阶段、急剧磨磨损阶阶段。应尽尽可能能延长长稳定定磨损损阶段段。磨损的的影响响因素素主要有有：材材料、、表面面硬度度、滑滑动速速度、、载荷荷、表表面温温度、、表面面粗糙糙度、、表面面粘附附物以以及润润滑等等。图磨磨损量量-时间曲曲线与与磨损损速度度-时间曲曲线减少磨磨损的的基本本措施施①．材料的的选择择：相同同金属属材料料的磨磨损率率大于于不同同金属属材料料的磨磨损率率，金金属材材料配配对摩摩擦副副的磨磨损率率大于于金属属材料料与非非金属属材料料配对对的摩摩擦副副。②．润滑：使摩摩擦副副在流流体润润滑状状态下下工作作。③．表面强强化处处理：渗碳碳、渗渗氮、、喷沙沙等表表面处处理工工艺。。④．结构设设计：如采采用转转移性性原则则，使使一摩摩擦面面磨损损而保保护另另一摩摩擦面面。如：滑滑动轴轴承表表面油油槽的的布置置，提提高其其承载载能力力。⑤．使用保保养。3.5润滑是减少少机械械零部部件磨磨损、、延长长使用用寿命命的有有效措措施。为了减减少机机器的的磨损损和发发热,保证安安全运运转,延长使使用寿寿命和和降低低能源源的消消耗,摩擦副副表面面间进进行润润滑。。主要要的润润滑剂剂为液液体润润滑油油。据推算算,全世界界用于于动力力的能能源,约有30%～40%消耗在在无效效摩擦擦上。因因此改改善机机械的的润滑滑,减少摩摩擦及及其损损失,是节约约能源源的有有效措措施。。润滑分分为流体润润滑和非流体体润滑滑两种。。当工工作状状态为为流体体润滑滑时，，两摩摩擦表表面不不直接接接触触，由由一层层厚度度为1.5～2μm以上润润滑油油膜完完全隔隔开，，依靠靠润滑滑油的的压力力来平平衡外外载荷荷。由于两两摩擦擦表面面不直直接接接触，，产生生的摩摩擦为为润滑滑油分分子间间的内内摩擦擦，因因此摩摩擦系系数很很小，，通常常为0.001～0.008，从而而降低低了磨磨损，，改变变了摩摩擦副副的工工作性性能。。依流体体润滑滑油膜膜压力力形成成的方方式不不同，，将流流体润润滑分分为流体动动压润润滑、流体静静压润润滑和弹性流流体动动压润润滑三大类类。①流体体动压压润滑滑由摩擦擦表面面间形形成的的收敛敛油楔楔和相相对运运动，，由粘粘性流流体形形成压压力以以平衡衡外载载荷。。（图图3-37，图3-38