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液态烃泵用机械密封及其辅助系统设计

液态烃泵用机械密封及其辅助系统设计

本文对乙烷泵用串联式干气密封进行了详细的结构设计和工作参数计算。介质侧主密封(一般的接触式机械密封)的设计计算说明在该密封条件下机械密封端面是处于似液相混相状况,其状况似稳定;大气侧次密封(静环外径开螺旋槽的干气密封)的工作参数说明非触碰式

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  • 详细描述

    液态烃泵用机械密封及其辅助系统设计
    摘要:针对目前轻烃泵密封在使用过程中所存在的诸多问题,本文开展了一种典型的轻烃泵用机械密封的详细设计,并详细地总结了非接触式气膜密封的一般设计程序。这次毕设设计的液态烃泵是采取串联式干气密封。对主密封进行相应的计算,包括密封端面摩擦副、弹性元件及辅助密封圈的设计以及四个基本力学参数的计算;其次计算机械密封的基本性能参数,如 PV 值、泄漏量、摩擦功率、使用寿命、冲洗液量等,计算表明在该密封条件下机械密封处于似液相混相状态,其状态似稳定;然后,对次密封进行了详细设计,主要包括密封副、弹性元件和辅助密封圈的设计,并对非接触气膜的力学参数和性能参数进行了计算和优化;完成了以上密封设计后,还对改液态烃泵设计了辅助系统设计,当中包含了供气系统和自冲洗系统。
    该设计说明书对串联式机械及干气密封设计具有一定的借鉴价值。
    关键词:液态烃泵 串联式 非接触式密封 机械密封 干气密封
     
    目录
    第一章 密封设计条件 4
    1.1 密封设备 4
    1.2 工作参数 4
    1.3 密封介质特性 4
    第二章 基本结构的确定 5
    2.1 确定基本结构 5
    2.2 密封材料选取 5
    第三章 介质侧密封设计 6
    3.1 动环结构设计 6
    3.2 摩擦副材料选取 8
    3.3 静环的功能 9
    3.4 动环的功能 10
    3.5 辅助密封 13
    3.6 弹性元件设计 13
    3.7 力学算 15
    3.8 性能参数 22
    第四章 干气密封 28
    4.1 干气密封介绍 28
    4.2 密封端面设计 28
    4.3 材料选取 29
    4.4 干气密封静环 29
    4.5 干气密封动环 31
    4.6 辅助密封 32
    4.7 弹性零件 33
    4.8 工作参数计算 34
    4.9 干气密封设计步骤总结 38
    第五章 辅助系统设计 41
    5.1冲洗系统 41
    5.2 辅助系统 41
    第6章 结论 43
    参考文献 43
     
    一、选题的背景与意义
    液态烃泵是用来输送工况压力和温度下是液态的烃类化合物这种易燃易爆介质的流体输送设备。在化工行业中,液态烃的应用十分广泛。根据API682的规定,要运输液态烃这种危险介质,需要采用多级密封结构,如双端面密封或串联式机械密封[1]。这是由于液态烃是在常温常压下为气态,大于临界压力时为液态的特点,在实际使用中,单端面或者接触式机械密封不容易实现长期稳定的热平衡和力平衡,使用效果不理想,会频繁发生泄漏、污染环境,甚至造成火灾等安全事故[2]。
    对于液态烃泵密封存在的问题关键在于液态烃这种介质独特的化学性质,这类液态烃易燃易爆,有毒易挥发、常温采用下为气态,还有低着火的、高蒸汽压等特点[3,4]。
    所以对于液态烃的运输,如何设计液态烃泵能有效密封减少泄漏,防止端面之间的液膜太快的汽化从而导致干摩擦,造成端面的损坏是个重点和难点。
    二、国内外研究状况
    由于液态烃泵密封失效后带来的损失较大,会造成严重的后果以及其密封的高难度性,国内外对液态泵也做了许多工作和研究,研究工作就是为了解决如何减少逸出泄漏量,提高使用寿命,改善密封的条件等等。如成都一通科技有限公司[5]、北京化工大学[6]、美国的福斯流体设备公司(Flowserve)、日本伊格尔工业株式会社(EKK)、中国石油大学(华东)、四川日机密 封件有限公司、中国石油辽河石化公司、哈德斯菲尔德大学[7]等都对液态烃泵密封进行了深度的研究。
    1.单端面普通接触式机械密封
    目前许多企业及石油化工行业对于液态烃类的运输仍旧采用的是单端面接触式机械密封,但是因为液态烃的物理化学性质,端面直接接触容易使得端面之间的温度过高从而导致端面间的液膜汽化从而导致流体膜相变,端面会因此损坏,使用寿命短,容易发生泄漏,污染环境,造成一系列损失。而且美国API682规定凡是易燃易爆炸,有毒有害的介质类似烃类的密封不允许采用单端面密封[1]。
    2.串联式及双端面干气密封
    该方法的机械密封就是本课题所要采用的密封方式。上述的单端面机械密封已经不适用于运输液态烃类这种介质,为了实现低泄漏低溢出、长寿面、高性能的高要求,随着对机械密封的要求越来越严格[7],逐渐采用双端面密封或者是串联式密封取代普通的接触式密封。
    基于以上为了更好解决液态烃泵密封性的问题,本课题采用串联式干气密封。其特点就是接触式密封与干气密封串联使用。第一级的主密封就是普通的接触式密封,密封的是液态烃,第二级密封采用的是干气密封,密封的对象是从第一级密封中泄漏出来并挥发的气态介质,作为备用密封[8~10]。同时还需要火炬放空这些泄漏的气态介质,防止污染空气。这种串联式及双端面干气密封的优点是可以保证泄漏量,几乎不会对大气造成污染,满足现在密封的高要求,但是同时也存在缺点:该运输泵的密封造价会偏高,同时需要火炬放空泄漏气态介质[10~13]。
    三、课题的基本内容及拟解决的关键问题
    1.本课题的基本内容
       首先要根据液态烃的物理化学性质为何采用串联式(接触与干气)密封形式进行说明,而后要对串联式密封液态烃泵进行相关设计计算,包括:密封下轴端面的力学计算、端面的几何计算、密封性能参数、要选择合适的轴端材料及其辅助密封设备,满足设计和使用的要求,再绘制出串联式密封液态烃泵的系统流程图、零件图以及装配图。
    设计出的串联式密封液态烃泵需要有一下特点:
    ●  是多级密封,第一级为轴端面接触式机械密封,作为主密封;第二级是干气密封,作为次级密封。
    ●  液态烃再高压下是液态,所以第一级采用接触式机械密封;液态烃经过第一级密封后会降压变成气态,此时第二级干气密封就是以气态的烃作为密封介质,当中泄漏出来的气态烃需要火炬防空以免污染环境。
    ●  串联式干气密封具有其他密封方式不具有的优点:对液态烃若是采用单端面机械密封,则会有气态烃大量泄漏,造成危害;若是采用串联式机械密封,第一级端面没事液态烃经过第一级后因为降压的情况,很有可能是气态或者气液混合状态,此时第二级若仍是采用端面接触式机械密封,就会造成端面磨损,而串联式干气密封就恰好解决了这些问题。
    2.拟解决的关键问题 
    (1)端面间非接触式气膜的设计程序总结。
    (2)液态烃泵用串联式机械密封中在载荷系数和膜压系数的选取和确定
    3.技术难点 
    (1)在不同型式端面要密封液态烃介质的不同压力、如何获得端面的温度分布规律。液态烃常温常压下为气态,大于临界压力时为液态的特点,所以在密封的端面容易发生汽化导致泄漏,所以密封间的液体膜实质上很可能是气液混相的状态,所以如何确定气液膜的压力及温度变化规律是个技术难点。
    (2)目前对于普通接触时机械密封设计是有一整套的设计步骤,但是本课题设计的泵是串联式干气密封,第二级采用的是干气密封是非接触式密封方式,干气密封于接触密封在密封机理和技术等方面差异较大,如何设计该密封是个难点。
    (3)第一级密封端面气液混合密封沸腾半径的计算与确定。由于端面间气液混合的密封半径是与该区间的压力、液态烃气态时的运动粘度和液态时的运动粘度等参数有关,而运动粘度又是与动力粘度有关,而对于介质气态来说,动力粘度和密度与端面压力和端面间的温度又有密切的关联,但是密封的端面间温度和压力又是变化的,所以要如何建立这些变量之间的关系又是一个设计难点。
    四、研究方法和技术路线
    1.研究方法:
    (1)通过对一级二级密封(接触式密封和干气密封)的结构设计、受力分析及泄露量的计算,从而探求并总结接触式与非接触式的一般设计程序。
    (2)要查阅相关文献资料,总结要设计的液态烃泵的特点,根据任务书的设计要求,确认好设计的泵的相关参数,以及辅助系统相关参数。
    (3)要进行设计的计算,计算好各级密封端面的力学参数级性能参数如:在和系数、弹簧比压、端面比压、摩擦系数,凹形槽的几何参数、膜压系数等等。
     
    参考文献:
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    [3]陈国锋. 串联式干气密封在脱乙烷塔回流泵上的应用[J]. 化工机械,  2005, 32(2):120-122.
    [4]蔡仁良, 顾柏勤.过程装备密封技术[M].北京:化学工业出社, 2002.
    [5]黄继平, 陶洪. C101A氨压缩机干气密封结构及故障探讨[J]. 泸天化科技, 2006(3):223-227.
    [6]陈秀琴, 朱维兵, 王和顺. 干气密封技术研究现状及发展趋势[J]. 液压与气动, 2008(2):52-56.
    [7]黄继平, 陶洪等.C101A 氨压缩机干气密封结构及故障探讨.泸天化科技, 2006, 03:223-227.
    [8]王玉军.干气密封工作原理及结构布置[J].工程技术:270-271.
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    [11]朱喜军, 丁毅,梁海胜.串联式干气密封在芳烃泵上的应用[J]. 化工机械, 2009, 36(5):511-512.
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