石油化工行业泵用接触式机械密封力变形因素分析

【摘要】接触式机械密封端面之间存在着直接的摩擦磨损，加之弹簧压力、密封流体压力、流体膜压力等对密封端面的作用，会出现泄漏，寿命缩短等不良状况，将严重影响密封的使用效果。为了满足长期运行、无污染、低能耗等现代化生产的客观要求，对其端面力变形的因素进行分析计算是十分必要的，尤其是石油炼化行业应用广泛的泵用机械密封，如催化裂化油浆泵、回炼油泵、常压塔底泵、初馏塔底泵、减压塔底泵、延迟焦化进料泵等。

【关键词】接触式机械密封 端面力变形 有限元法 计算

1 接触式机械密封力变形分析

1.1 概述

接触式机械密封端面之间存在着直接的摩擦磨损，加之弹簧压力、密封流体压力、流体膜压力等对密封端面的作用，会出现泄漏，寿命缩短等不良状况，将严重影响密封的使用效果。尤其在密封介质易汽化、高腐蚀性等密封环境较为恶劣的条件下，存在着较多的液相泄漏和气相逸出，致使密封可靠性和稳定性大大降低、污染环境，无法满足长期运行、无污染、低能耗等现代化生产的客观要求，因此对其端面力变形的因素进行分析计算是十分必要的，密封结构示意图如下图所示。

图2？两密封环端面变形分布图

由图可知，密封端面力变形最大值位于接触端面的MX点（红色区域），其变形分别为4.02e-7m和1.89e-7m。其变形方式为收敛。此时密封介质易产生泄漏，造成物质损失和环境污染。随着现代环保要求的不断提高，普通接触式机械密封的应用将受到越来越多的限制。密封端面存在力变形，结果必然是密封的使用寿命是降低。一般情况，普通接触式机械密封的使用寿命不超过一年，而对一些润滑性差的密封流体或含一定量固体颗粒的密封流体，密封的使用寿命只有数月甚至数天。

2 其他参数变化对端面的影响

通过建立接触式机械密封有限元模型，分析计算了变形因素对端面的影响，并分析计算了不同密封材料、主轴转速、介质压力、弹簧弹力、加工精度、表面光洁度等对密封端面力变形的影响。

2.1 材料

为分析密封环材料性质对端面变形的影响，分别对SiC和H106K两种不同材料组成的动静环进行力变形分析。设定都在主轴转速为2950rpm，流体介质压力为0.6Mpa，弹簧弹力0.17Mpa，动静环分别为SiC跟石墨，数据曲线如图并可得以下结论：

接触式机械密封密封环端面变形的影响因素很多，其中对于不同材料的密封环，其弹性模量、泊松比、密度不同，端面变形大小就不同，尤其是弹性模量较大的材料变形要小很多，密封状况也较好。

2.2 转速 主轴转速变

化时，密封端面间很多参数会发生变化。为分析主轴转速对密封端面的变形影响，设定介质压力为0.6Mpa，对转速分别为1000 r/min、1500 r/min、2000 r/min、2500 r/ min、2950 r/min时的密封环端面进行了力变形分析，同理可由数据曲线得以下结论：

转速未达到一定值时，随着转速的增大，密封环端面变形没有明显的变化，原因是转速低时其所受外力都较小。当转速超过一定的数值时，离心力和摩擦力都较大，从而导致密封端面的力变形明显随着转速的增大而增大，我们不难得知，在转速很大时，接触式机械密封并非十分适用。

2.3 压力

压力发生变化时，密封端面间很多参数也会发生变化。为分析介质压力对密封端面的变形影响，转速为2950 r/min，对介质压力分别为0.4Mpa、0.6Mpa、0.8Mpa、1.0Mpa、1.2Mpa时的密封环进行了接触端面的力变形分析，同理可由数据曲线得以下结论：

在转速较低时，密封端面力变形最大值随密封介质压力的升高近似呈线性的增加，说明了此时流体压力是主要影响因素；转速超过一定数值时，端面间的摩擦就很大，这主要与动静环的加工精度，表面光洁度有较大的关系，流体压力就不再是主要因素。

本文对于接触式机械密封的设计使用和维护具有一定指导意义，如在各种工况环境中如何进行密封端面材料和弹簧的选择、如何更好的通过控制密封端面的受力和变形以避免泄露、合理选择接触面的加工精度和光洁度的等等。