波纹管机械密封

波纹管机械密封（共4篇）

波纹管机械密封 篇1

一、简述概况

常减压装置部分离心泵一直存在一个泄漏问题, 即使刚换的密封, 使用一段时间后也会出现泄露现象, 而且不存在轴承的原因, 所以关键问题还是在密封上, 针对以上情况, 我们对密封进行了重新选型改造, 目前这一问题已经顺利解决了。

下面例举装置P103泵进行分析

泵型号80AYT-100

转速2950mpa

流量50m3/h

密度785Kg/m3

介质温度194℃

入口压力0.1Mpa

出口压力0.7Mpa

介质常一线油

P103离心泵泵原始使用的是单端面弹簧密封, 弹簧密封圈是由聚合材料密封壳和耐腐蚀的不锈钢金属弹簧组成。其主要工作原理:密封圈安装在沟槽内, 弹簧受压, 形成向外的张力, 促使密封唇紧贴密封沟槽, 只要弹簧永久给密封唇提供弹力, 能弥补密封壳磨损和配合零件的偏心, 由此形成从真空到低压范围内的密封。但是由于弹簧密封的辅助密封圈采用的聚四氟乙烯制造, 最高温度200℃左右, 满足不了高温油泵密封的要求, 使用寿命不长, 后来改用了柔性石墨, 其耐高温性能好, 但是强度低, 易损坏, 不能适应弹簧密封动环密封圈轴向滑动的张力, 使用寿命还是不长。

二、波纹管密封的使用

5基于以上的因素, 我们采用了DBM55B波纹管机械密封, 如下图

1、波纹管机械密封的特点:

a、性能可靠, 泄漏量少, 使用寿命长, 功耗低, 弹力好, 波纹管 (图4) 可以起到弹簧的作用, 不需要另加弹簧和辅助密封圈, 因此不需要考虑辅助密封圈材质, 使用范围广, 动环游动性能好。

b、动环与轴套之间采用了柔性石墨垫片 (图6) , 虽然石墨垫片也有弊端, 但是波纹管密封将辅助密封圈的滑动结构改为了静密封结构, 消除了这一隐患。

c、另外, 静环和机封压盖之间也加了柔性石墨垫 (图6) , 起到了抗高温性能。

d、波纹管机封密封面受力均匀, 不会因扭曲不还原等原因影响密封面。

2、耐高温性能:

由于波纹管机械密封取消了普通机械密封中的动静环, 同时O型圈也改为了柔性石墨, 所以不再受由于密封介质的温度而对O型圈产生的影响, 适用的介质及温度被扩大, 通常情况下, 机械密封动静环O型圈多采用四氟聚乙烯等有机化合物, 在较高温度下会改变其物理性能, 使密封失效。

3、设计参数:

密封端面:d1=62.4mm d2=70mm

其中, d1:—摩擦副内径

d2—摩擦副外界

波纹管:D1=52mm D2=73mm

其中, D1—波纹管内径

D2—波纹管外径

波纹管材质选用Incone718, 刚度质无法计算, 选实际测量值。K=5.7Kgf/mm

设计压缩量为Δ1=4mm

db= (d1+d2) /2=66.2mm

其中:db———摩擦时端面直径

平衡系数:B= (db2-d12) / (d22-d12) =0.47

摩擦副接触面积:A=π* (d22-d12) /4=789.9mm2

弹簧比压:Pa=F/A*10=k*Δ1/A*10=0.29Mpa

端面比压:Pb=Pa+ (B-λ) P1=0.3Mpa

λ:膜片系数, 油类取0.33

P1:密封腔压, 0.1Mpa

4、主要密封零部件的选材:

波纹管选用:Incone718密封垫:柔性石墨

密封面:优质碳化钨和浸锑石墨

碳化钨和石墨配和摩擦系数小, 导热性能好, 柔性石墨有很强的耐高温性和抗老化性, 适合于高温油泵, 目前, 装置现有高温油泵机械密封都已改为DBM系列的波纹管机封, 总体运行良好, 平均使用寿命在6~12个月之间, 达到了预期的效果, 同时也解决了泄漏问题。

摘要：中海沥青 (泰州) 有限责任公司沥青装置AY型离心泵较多, 而且温度较高, 在使用过程中密封经常出现泄漏, 使用寿命不长。现对密封进行重新选型和改造, 采用波纹管机械密封, 大大延长了密封使用寿命。

关键词：压缩量,平衡系数,弹簧比压,端面比压,膜片系数

参考文献

[1]波纹管型机械密封沈锡华编著.

[2]化工密封技术胡为桢主编.

机械密封波纹管扭转刚度实验 篇2

在开发机械密封产品时,机械密封端面摩擦扭矩测量一直是人们密切关注的问题。一方面,摩擦扭矩决定着机械密封运转时的摩擦功耗,端面磨损量,摩擦发热量以及端面温度等工作参数影响着机械密封工作性能;另一方面,摩擦扭矩的测量方法虽然有许多,但实测过程中由于受各种因素的影响至今还未见有对机械密封实际运行时的端面扭矩进行测量的理想或成熟的方法。其中光纤传感器是最近研究的比较多的方法,但是我们要论证是否可行,根据M=Kθ,K为机械密封波纹管的扭转刚度,而K就是要测量的。因为波纹管的扭转刚度比较大,而且要得出精确的数据普通方法是不行的,所以我们设计了一种纯扭矩实验,然后应用数字图像处理的方法来处理获得的数据,最后得到了比较精确的波纹管刚度的数值。

1 实验装置

此次实验采用的实验装置有CCD(Charge Coupled Device)、计算机接口IEEE1394视频卡、氦氖激光器、精密高度调整台和角度调整台、加工完成的定滑轮、机械密封焊接金属波纹管,如图1,图2所示,同时用计算机进行图像的采集和处理。

2 实验设计

在此实验中,由于波纹管的扭转刚度预计是比较大的,但是要得出精确的数据,我们没有直接将波纹管进行扭转的工具,所以我们设计出一种能产生纯扭矩的实验方法,所得到的效果如同直接用扭转工具进行扭转一样,如图3所示。波纹管两端固定的铁棒作为力臂来使用,然后在两根铁棒的另一端系非常牢固的尼龙线来穿过放置在防振台两个边缘的定滑轮吊起托盘,最后在托盘上放砝码。加砝码的时候需要注意不可加的过快,每次要等到托盘稳定了拍完照片再往上加,这样就会得到精确的照片。

在波纹管上贴上小的反射镜(反射镜一定要垂直于防振台保证光线水平反射),氦氖激光器发出激光照射到贴在波纹管的反射镜上,反射到放在防振台上的黑幕上。最后使用CCD去拍摄反射到黑幕上的照片,然后通过计算机收集这些图片。

3 实验步骤

1)将波纹管固定在水平的防振台上。2)制作两根铁棒可以固定在波纹管两端。3)在防振台上安置两个定滑轮。4)用结实的尼龙线固定在铁棒一端,穿过定滑轮吊起托盘。5)在固定好的波纹管上下各贴一面小镜子。6)用小型激光器发射激光照到小镜子上,然后反射在固定的黑幕上。7)加砝码时,用GUPPY F-080 CCD拍摄反射的图片。8)用计算机采集拍摄的图片。9)运用UU3软件分析拍得图片,得到在黑布上光点的移动距离。10)应用$L=\frac{S}{R}$可以计算出加载后波纹管的扭转弧度。11)应用${\rm K}=\frac{{\rm M}}{L}$计算出波纹管的扭转刚度。

4 实验结果分析

UU3软件分析的结果见表1。

加载时,UU3软件分析的X方向的总位移为:

X=1.565+2.846+5.627+5.408=15.446 (1)

下面我们再来做一组卸载的实验,以确定波纹管在加载过程中是否发生了不可逆转的变形,分析结果见表2。

卸载时,UU3软件分析的X方向的总位移为:

X=-1.563-4.954-4.488-4.497=-15.502 (2)

比较式(1)和式(2)的结果可以看出,波纹管在加卸载过程中没有发生不可逆转的变形。

由图4可知,当加载时,用插值计算时,X方向的位移与加载的重量基本呈现一种线性的变化趋势。说明在此加载过程中,波纹管没有发生塑性变形,而波纹管的扭转刚度是一个固定的值。

波纹管上部分别加载1 kg,1 kg,2 kg,2 kg时用插值时, 照片中的计算激光反射光点在X方向的移动距离为:

X=1.565+2.846+5.627+5.408=15.446。

在此UU3所分析的图5中,计量单位为8个像素为1 mm,所以X,Y的移动距离换算为毫米插值计算时:

X=15.446÷8=1.930 75 mm。

最终实验加载是6 kg,力臂为0.2 m,所以:

M=6×9.8×0.2=11.76 N·m。

在实验中测得波纹管距离光点的距离是R=1.2 m,所以:

其中,L为弧度;K为扭转刚度。

由此实验可知,此焊接波纹管的扭转刚度为6 969 N·m/rad。

摘要：利用巧妙的实验设计,通过在波纹管上加纯扭转,再用激光进行照射,拍摄从镜面上反射到黑布上的光点的照片,应用UU3软件进行图像处理,得出了较精确的波纹管扭转刚度。

关键词：机械密封,焊接波纹管,扭转刚度,图像处理

参考文献

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[8]夏良正.数字图像处理[M].南京:东南大学出版社,2002.

[9]计宏伟.数字相关图像测量方法与应用研究[D].天津:天津大学博士学位论文,1997.

小型波纹管阀门密封技术研究 篇3

1 小型波纹管阀门诞生背景

现代航空航天技术日新月异, 而航空航天的发展对氢的使用率极高。根据氢的特性, 考虑到氢和氢的同位素的长期保存, 还要考虑到氢气使用要求氢气纯度很高, 不能使用普通的填塞阀门, 特别在对氢同位素的处理时不能发生任何泄露。因此, 阀门的构成材料选择必须选择抗氢能力较好的材料, 一般来说外密封波纹管的主体材料可以用抗氢钢, 而内密封阀门处主要为铍青铜, 这就促成了小型波纹管阀门作为专用氢专用阀门。

2 小型波纹管阀门的结构

波纹管阀门的内密封结构顾名思义就是用金属波纹管组成管件实现技术密封, 而这种波纹管组件由金属管身、法兰组件和盖连接件构成, 且内密封是形如刀口的平面结构, 实现最大通气量的同时, 密封轴向力达标;外部密封材料采用无漏点的焊接技术。由于金属波纹管依靠材料的弹性和强度, 在阀叶移动并进行伸缩时, 需经过有限元的计算, 配合相关实验依据, 分析波纹管的抗压程度和通过率等数据得知即使在位移达到60%时, 波纹管阀门仍然能安全工作。防止气控腔和介质腔的相互泄露, 做到泄露率为零的程度, 并能抵消介质腔和气控腔的压力差值。波纹管最常用多层U形形式, 以最常用的三层U形为例, 在三维中建模, 观察其剖面图, 发现管组件通过法兰组件和阀门外壳连接为一个整体, 盖连接件与阀门叶连接, 靠气门压力为驱动力, 使用阀叶调节开关[1]。

3 小型波纹管密封技术的工作原理

小型波纹管阀门采用波纹管作为密封元件, 把小型波纹管焊接在阀门盖和基座上的一头固定住, 另一头连接阀杆, 阀杆的位移运动带动波纹管的伸缩, 小型波纹管作为阀杆的密封性和弹性的关键元件, 起到了关键作用。关阀时, 阀杆自上而下, 阀叶向下作用压紧密封层, 阀门关闭。反之, 抬起阀杆, 阀叶打开密封层, 阀门开启。小型波纹管的位移运动通过阀杆的上下控制, 阀叶在压和离的过程中, 依靠小型波纹管的控制把运动副之间的泄漏率稳定在零值。在阀叶的运动的整个过程中, 小型波纹管的密封在运动副之间没有任何接触及摩擦, 也就是零磨损。所以小型波纹管动密封的关键元件是否能伸缩变形直接决定了密封管对阀门的动密封性的好坏。

运动机械的密封形式是由活塞槽的非金属元件和金属外壳的内壁之间产生压力面, 产生挤压, 从而消除运动副之间的压力差导致的泄露问题。因此在压力面的接触位置的密封程度与关键部位的材料、接触硬度、表面的光滑程度、大小、运动副之间的压力差都有密切关系。受压面的受压程度必须恰到好处。压力小必定造成泄露, 但压力也不是越大越好, 因为压力越大机械运动就很难做到密封, 而且会造成小型波纹管的运动副之间有接触, 就会造成摩擦力, 产生磨损, 压力越大, 磨损越严重[2]。

4 小型波纹管阀门密封类型及材料

根据小型波纹管阀门密封原理可以看出, 小型波纹管阀门采用的阀门是截止阀。而截止阀在较短运动条件下能立即有效启动全流量, 且具有比闸阀和蝶阀这些形式的阀门更轻便小巧, 控制起来也灵活多变。氢气作为小型波纹管阀门的通过介质, 会对其他材料造成不同程度的损害和侵蚀, 从而在使用中很有容易导致泄漏事件的发生。因而小型波纹管阀门必须使用抗氢能力强的金属材质, 以防因侵蚀而发生的泄露问题, 并且该金属也必须具有相当的坚固和伸缩延展性, 可以在长时间的机械运动时保障生产安全。

5 阀杆外密封和内密封设计

将阀盖和基座连接时用电焊焊接可消除小型波纹管阀门的外部泄露点, 在开关阀门时, 阀杆的轴向运动必须让其移动时阀杆和阀盖之间的缝隙达到最小, 从而保证其密封性, 因此阀杆焊接密封即外密封。由于小型波纹管阀门中氢的长期侵蚀和压强, 小型波纹管阀门密封面必须具有很好的密闭性, 可以在高强度的作业中, 仍然保持不泄露, 密封面的受压程度至关重要。阀门密封面的开启度也直接关系到小型波纹管的运动幅度, 密封面的耐氢性和可塑性[3]。

6 综上所述

因此要满足此类小型波纹管阀门的加工需要, 就要了解该项技术, 小型波纹管阀门密封技术不仅仅是解决外部操纵结构的密封技术, 还要考虑到其内部的密封材料的抗压抗腐蚀能力, 内外结合, 以达到最佳密封能力。

摘要：随着社会的进步快速的推动着工业科技的发展, 新兴密封技术的诞生也扩大了管道阀门技术的领域, 小型波纹管阀门对密封性要求也越来越高。密封性不好的产品不仅会造成企业的经济和能源的损失, 还容易引起环境污染问题和重大责任事故。去年惊天动地的天津港爆炸案, 据媒体透露就是因为储存危险品的仓库发生泄漏导致, 至于是不是管道阀门的问题还有待考究, 但是足以说明密封对现代工业社会来说可以是生死攸关的大事。本文就小型波纹管阀门密封的构成、材料和应用技术进行探讨和研究, 以提高阀门密封的安全性和可靠性。

关键词：小型波纹管,密封阀门,专用技术

参考文献

[1]巫宗萍, 羊海涛.阀门用波纹管的力学特性分析方法研究进展[J].机械, 2007, 34 (6) :1-4.

波纹管机械密封 篇4

随着现代工业的发展，对阀门的密封可靠性提出了更高的要求，无泄漏和长寿命成为阀门工作质量的首选。阀门的泄漏特别是外漏不仅会造成大量流体损失，耗损能源，污染环境，甚至会酿成重大的事故。因此对于阀门而言，密封仍是一个首要的问题。

2 波纹管阀门简介

以波纹管为密封隔离元件的波纹管阀门是在核燃料后处理厂中使用而研制的一种专用阀门，其结构形式主要有截止阀、节流阀、调节阀和减压阀等。在阀门工作时，波纹管与阀杆一起进行轴向位移和复位，同时还要承受流体的压力，波纹管阀门的工作压力很大程度上受波纹管耐压力的限制，因此波纹管阀门一般只适用于低压系统[1,2,3]。

波纹管阀门以波纹管作为外密封元件，其结构原理如图1所示。波纹管一端焊接固定在阀盖和阀座上，另一端焊接在阀杆上，阀杆上下运动带动波纹管压缩或拉伸，波纹管起着外密封和弹性元件的作用。关闭阀门时，阀杆向下移动，阀杆上的阀头随之向下移动压紧密封面，阀门关闭;开启阀门时，提升阀杆，阀头离开密封面，阀门打开完成开启动作。波纹管的轴向行程通过阀杆移动的机械限位来保证[4]。

3 波纹管阀门的密封结构设计

波纹管阀门的密封主要分为外密封和内密封两大类，其中阀门的外密封是指阀盖处与阀杆处的密封。阀盖处的密封是指阀盖与阀体之间的密封，分为强制密封(如法兰平垫密封)和自紧密封;阀杆处的密封结构形式主要为填料密封、波纹管密封、膜片密封，其中波纹管密封和膜片密封可以做到完全不漏[5]。笔者在设计时，通过波纹管及其波纹管与阀杆可靠的焊接将阀杆与阀腔内的流体完全隔断，从而达到隔离外泄漏源的目的，保证流体绝无外泄漏的通道，如图2所示。

阀门的内密封是指阀座与启闭件(阀头)相互接触部分的密封。根据密封面的表面几何形状，可将阀门内密封的密封形式分为平面密封、球面密封、锥形密封、刀形密封[5]。笔者根据波纹管阀门开启高度小的特点，结构设计上采用抬起高度小而能获得较大通气面积的密封结构，将阀门的内密封结构设计为形如刀口的平面密封面，阀座密封面加工成梯形刀口，阀头密封面为平面。该内密封结构不仅实现了平面密封，又可获得适中的密封轴向力，如图3所示。

4 波纹管阀门的内密封机理

特殊环境下使用的阀门，密封性能必须满足设计指标，泄漏率可以作为衡量阀门密封性能好坏的标准。对波纹管阀门而言，其内密封性能是一个重要技术指标。因此，分析波纹管阀门内密封的密封机理，从理论上分析阀门的结构参数对泄漏率的影响，可为阀门设计提供理论依据。

阀门的平面密封结构，通常存在如下两种泄漏方式：(1)密封面加工的微观纹理存在粗糙度和变形，导致两密封面间存在泄漏通道，由此产生的流体泄漏称为界面泄漏;(2)对非金属材质的平面密封，从材料的微观结构来看本身存在微小缝隙或细微的毛细管，具有一定压力的流体自然容易通过它们渗漏出来，称为渗透泄漏[1,2,3]。本研究设计的波纹管阀门的内密封材料全采用金属材质，几乎不存在渗透泄漏，因此阀门的内密封泄漏主要为界面泄漏。

根据密封副之间的间隙小于流体分子直径才能保证流体不泄漏的观点，防止流体泄漏的间隙必须小于0.003μm，而经过精细研磨的金属表面粗糙度值最低为Ra0.1，仍比水分子直径大30倍[6]。由此可见，单纯依靠降低密封面粗糙度的方法来提高密封性是难以做到的，只有加大比压，将密封面上微观轮廓峰压平，产生塑性变形，使间隙小到流体难于通过才能实现可靠的密封。

要达到密封系统绝对没有泄漏或泄漏率很低，只有使密封面间产生塑性变形。在金属平面密封中，由于大部分金属材料的弹性应变较低，要达到密封，材料所受的压缩力必须超过其弹性极限。一旦密封接触压力使密封面产生了一定的塑性变形，就能实现在弹性变形条件下采用高度研磨和精磨的接触表面也不可能实现的密封。

通常在阀门设计中内密封副匹配应采用一定的硬度差，这样才能保证在压力的作用下形成一定的塑性变形密封。目前有两种理论可评判密封面产生的塑性变形。一是用较软材料的屈服强度，即防止气体泄漏的塑性变形所需的接触应力，必须达到较软材料屈服强度的2～3倍[7];二是较软材料的布氏硬度值，即当接触面平均压力达到H/3时，开始在表层内出现塑性变形[8]。本研究波纹管阀门的内密封为金属硬对硬的平面密封，其内密封泄漏主要为界面泄漏，因此在设计时必须使密封面间产生塑性变形，经过计算和优选，确定阀座密封材料为21-6-9钢，阀头密封材料为铍青铜。

5 波纹管阀门内密封性能的影响因素

波纹管阀门内密封性能的影响因素很多，设计过程中除了要考虑材料的选择外，还需要考虑介质的物理性质、密封副质量、表面粗糙度、密封宽度、密封比压等几个方面对密封性能的影响。

5.1 介质的物理性质

被密封介质的物理性能(粘度、温度、亲水性和放射性等)对阀门的密封性能有影响[39]。被密封流体的渗透能力与其粘度密切相关，在其它条件相同的情况下，流体的粘度越大，渗透的能力越小。气体的粘度比液体的粘度小，渗透能力比液体强，因此气体的密封较之液体困难得多。用气体做密封试验要比液体做密封试验严格得多，用于气体介质的阀门，必须用气体做密封试验。

表面亲水性对泄漏的影响是毛细孔特性引起的。当密封表面有一层很薄的油膜时，会破坏接触面的亲水性，并且堵塞流体通道，所以对非油脂密封阀门做密封试验时应除去阀腔内密封面上的油脂，以确保阀门密封的可靠性。若采用密封油脂密封时，应当注意工作过程中必须及时补充油膜，所采用的油脂不能溶于流体、不蒸发、不硬化或有其它化学变化。

所以，对波纹管阀门进行密封试验时必须选用气体介质，同时在试验前需要将阀腔清洗干净。

5.2 阀门内密封副表面质量

阀门内密封副是指阀座密封面与阀头密封面互相接触进行关闭的部分。阀头与阀座密封面吻合度高，则增加流体的阻力，提高密封性。在相对应表面的粗糙部分为环行纹路的密封性较粗糙表面的纹路为多方向和交叉性纹路的好，在同样条件下，前者的泄漏量为后者的1/8[9]。产生这种差异的原因是在密封力的作用下，使多层波峰产生塑性变形，形成了迷宫式密封。

对平面密封来说，密封面间的吻合度非常重要。通常在进行密封面设计时容易忽略这一点，而单纯强调密封面的粗糙度。单纯提高密封面的光洁度既提高加工成本，又增加检测的难度，而密封效果却不一定理想。所以，平面密封可通过设计和加工保证一定的吻合度及环向波纹度，即使采用一般的精车也能达到比较好的密封性能。

5.3 密封面表面粗糙度

表面粗糙度(密封表面的微观泄漏通道)是影响密封性能的另一个重要因素。一般对于金属密封面，如果表面光洁度稍差，密封表面的塑性变形不足以填满泄漏通道，密封介质就会顺着泄漏通道泄漏出来。特别是那些分子量小、渗透性很强的气体，泄漏更容易发生。李增祥对一组不同表面粗糙度的密封元件进行密封性能试验，结论是当密封元件在密封接触面上产生了超过屈服强度2倍的塑性变形后，接触面的表面粗糙度将不再影响密封系统的密封性能[10]。也就是说，密封面的变形情况将成为影响密封性能的唯一因素(宏观上)，显然能形成密封的表面粗糙度有一定的范围，应保持在一个较低的水平上。

若想比较真实地研究加工表面质量对密封性能的影响，须考查密封接触面的表面形貌，即物理表面的几何结构。广义的几何结构包括粗糙度、波度、形状误差和纹理方向等几个方面，而不是目前工程意义上普遍采用表征质量方式-粗糙度的算术平均值。

5.4 密封面宽度

从理论上讲，密封面宽度决定了毛细孔的长度。当宽度加大时，液体沿毛细孔运动路程增加，泄漏量应成反比减小。但实际上并非如此，因为密封副接触面不能全部吻合，不能全部起到密封作用。另一方面，密封面宽度增加，要加大密封所需的作用力。因此，选择合理的密封面宽度及密封型式非常重要。

5.5 密封比压

比压是由阀前与阀后的压力差及外加密封力决定的。比压大小直接影响阀门的密封性、可靠性和使用寿命。在外界条件相同的情况下，比压太小容易引起泄漏，比压太大容易引起损坏，所以在设计中必须考虑在保证密封时所需最小比压的情况下，适当加大比压。

6 结论

根据特殊环境下使用的阀门的性能指标，笔者针对其密封性要求和使用寿命设计了阀门的内、外密封结构，采用波纹管为外密封元件，梯形刀口平面为内密封结构。同时，分析波纹管阀门内密封性能的影响因素，优化内密封结构的设计参数，实现了传统阀门无法达到的密封精度(氦漏率不大于1×10-9Pa·m3/s)和长期使用后的密封可靠性(氢气环境中阀门的使用寿命不低于100次)。

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