油漿泵機(jī)械密封熱流固耦合特性研究

楊逸祺，石成江

油漿泵機(jī)械密封熱流固耦合特性研究

楊逸祺，石成江

（遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

油漿泵的介質(zhì)為高溫油漿且含有催化劑顆粒，運(yùn)行工況惡劣，機(jī)械壽命普遍不高，并且經(jīng)常發(fā)生泄漏。針對(duì)油漿泵機(jī)械密封失效問(wèn)題，通過(guò)Solidworks建立由泵蓋、密封腔、密封組件、泵軸以及沖刷流體組成的一個(gè)三維模型，利用Fluent軟件采用熱流固耦合的方法研究了溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)，結(jié)果表明都是從靠近泵送高溫介質(zhì)的一側(cè)到另外一側(cè)逐漸降低。分析了不同的機(jī)械密封面寬度、材料、轉(zhuǎn)速對(duì)機(jī)械密封端面溫度的影響。

油漿泵； 機(jī)械密封； 熱流固耦合； 端面溫度

油漿泵是煉油廠催化裂化裝置中用于油漿循環(huán)、油漿回?zé)捄屯馑偷年P(guān)鍵設(shè)備，油漿泵是否長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行直接影響裝置的效益和安全平穩(wěn)生產(chǎn)[1]，因此對(duì)油漿泵機(jī)械密封及其輔助系統(tǒng)的分析和改進(jìn)成為解決油漿泵機(jī)械密封泄露的方法之一。油漿泵機(jī)械密封泄露主要有以下幾個(gè)原因：動(dòng)靜環(huán)摩擦產(chǎn)生的熱量引起摩擦副的變形；其次分餾塔底油漿溫度變化也會(huì)引起摩擦副的變形從而引起泄露。

顧伯勤[2]等研究了機(jī)械密封端面液膜的傳熱，主要分析了動(dòng)環(huán)和靜環(huán)傳熱的大小及其傳熱規(guī)律，得到密封環(huán)接觸面積、液膜黏度與密封產(chǎn)熱量成正相關(guān)；張明明[3]通過(guò)CFD軟件分析了摩擦副的溫度場(chǎng)，并對(duì)摩擦熱和攪拌熱的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，沖洗液溫度、端面摩擦熱、轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦副溫升影響情況比較大；王廣兵[4]分析了熱油泵機(jī)械密封的抽空破壞，機(jī)械密封抽空破壞與密封端面的相態(tài)變化有關(guān)；陳海燕和陳繼明[5]對(duì)熱油泵機(jī)械密封的泄露進(jìn)行了分析，通過(guò)采用串聯(lián)或雙端面密封有效降低了泄漏量，使發(fā)生安全事故的概率降到最低；鄧宗華[6]設(shè)計(jì)并改進(jìn)了熱油泵機(jī)械密封及輔助系統(tǒng)；朱學(xué)明[7]對(duì)熱油泵機(jī)械密封進(jìn)行了一系列理論研究，進(jìn)行了優(yōu)化研究并提高了機(jī)械密封裝置的優(yōu)化性能；朱漢華[8]等人通過(guò)算例驗(yàn)證了算例的可靠性，為機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究提供了理論依據(jù)；Bnmetiere N[9]等在模擬計(jì)算中考慮了熱應(yīng)力產(chǎn)生的形變；2013年許靜[10]等人研究了輔助密封圈在扭轉(zhuǎn)形變時(shí)，其結(jié)構(gòu)、尺寸和形變后的位置對(duì)性能的影響，并通過(guò)研究結(jié)果對(duì)高壓類(lèi)機(jī)械密封的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)；Wang, Heshun[11]等用ANSYS建立了機(jī)械密封環(huán)的數(shù)值模型，計(jì)算其形變量，并分析了摩擦副端面的形變。

1 基于API682的機(jī)械密封用輔助沖洗方案

根據(jù)油漿泵機(jī)械密封的工況特點(diǎn)，大多數(shù)采用雙端面波紋管機(jī)械密封。根據(jù)API682現(xiàn)階段油漿泵的沖洗方案PLAN32+52, PLAN32+53A, PLAN32+ 53B, 之所以選擇PLAN32是因?yàn)樗m用于高溫工況且具有腐蝕性介質(zhì)的泵，選擇PLAN52是因?yàn)榭梢耘c串聯(lián)密封一起使用且適用于危險(xiǎn)或有毒流體。其中PLAN32+52用于允許密封腔有泄露的情況；采用PLAN32+53B的沖洗方案，采用了合適的沖洗液沖洗壓力和沖洗量，改善了機(jī)械密封的適用環(huán)境，提高了機(jī)械密封的適用壽命。這兩種沖洗方案如圖1、圖2所示。

圖1 PALN32 注入式?jīng)_洗

圖2 PALN52儲(chǔ)罐緩沖液循環(huán)系統(tǒng)

2 油漿泵機(jī)械密封熱流固耦合分析

2.1 模型的建立

本文以某泵業(yè)生產(chǎn)的油漿泵300ZPY590/115為例，采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行建模，對(duì)油漿泵機(jī)械密封熱特性進(jìn)行分析，其中油漿泵的工作參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 油漿泵的工作參數(shù)

油漿泵機(jī)械密封示意圖如圖3所示。

1-密封腔；2-動(dòng)環(huán)座；3-動(dòng)環(huán)；4-靜環(huán)；5-靜環(huán)座；6-金屬波紋管；7-波紋管座

其波紋管波片材料為鎳?yán)予F合金（Inconel718）, 輔助密封材料為柔性石墨，端面摩擦副材料均選用鎢鈷類(lèi)材料（YG8/YG6）[12]。為了更好地研究油漿泵機(jī)械密封的傳熱特性，把密封腔、密封組件、泵軸以及沖刷系統(tǒng)看成一個(gè)整體建立的有限元模型，其中截面如圖4所示。

圖4 油漿泵機(jī)械密封有限元截面圖

2.2 網(wǎng)格劃分

為了更精準(zhǔn)的研究油漿泵機(jī)械密封的熱量傳遞和傳熱特性，本文建立其三維傳熱模型，利用FLUENT軟件對(duì)模型進(jìn)行模擬。采用掃略Sweep方式劃分網(wǎng)格，對(duì)各部分全部進(jìn)行掃略，網(wǎng)格質(zhì)量可以達(dá)到計(jì)算要求。如圖5所示，該模型共有510314個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖5 油漿泵機(jī)械密封網(wǎng)格劃分模型

2.3 材料的物理參數(shù)

根據(jù)300ZPY590/115高溫油漿泵機(jī)械密封的相關(guān)參數(shù)，本文涉及的主要材料如下：摩擦副中動(dòng)環(huán)材料選用鎳基硬質(zhì)合金, 靜環(huán)材料選用YG6, 該配合屬于“硬質(zhì)合金-硬質(zhì)合金”形式，泵蓋選用ZG230-450, 其余各材料均為1Cr13不銹鋼。各材料的物理參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 固體材料的物理參數(shù)

沖洗介質(zhì)共有三種：泵蓋密封冷卻夾套中的冷卻水流速為2 m/s，沖洗壓力為0.15 MPa; 內(nèi)密封腔中PLAN32外洗蠟油的流速為2 m/s，沖洗壓力為0.3 MPa；外密封腔中PALN52隔離液流速為2 m/s，沖洗壓力為0.7 MPa。

2.4 密封腔邊界條件

（1）在FLUENT界面中，首先設(shè)置壓力耦合的求解方法，選擇低雷諾數(shù)修正的k-omega方程，并打開(kāi)energy方程，給流體的Y方向加入重力項(xiàng)-9.8 m/s2。

（2）對(duì)流、固體材料進(jìn)行設(shè)置；進(jìn)口設(shè)置為速度進(jìn)口，出口設(shè)置為壓力出口。

（3）固體和液體的接觸面設(shè)置固液接觸面Coupled Wall接觸面，密封腔與空氣接觸的面設(shè)置為對(duì)流換熱面，旋轉(zhuǎn)部分的耦合面設(shè)置為Moving Wall，設(shè)置其旋轉(zhuǎn)角速度為2 900 r/min。各接觸面的對(duì)流換熱系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 對(duì)流換熱系數(shù)表

2.5 結(jié)果分析

機(jī)械密封腔的熱量主要來(lái)源于三個(gè)部分：

（1）摩擦熱：主要是機(jī)械密封摩擦副端面相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法得到的摩擦熱，將其轉(zhuǎn)化成產(chǎn)熱速率，加載到摩擦副端面上。

（2）攪拌熱：主要是由機(jī)械密封、軸和軸套等旋轉(zhuǎn)部件和機(jī)械密封腔沖洗流體的黏性剪切熱。由于攪拌熱不容易計(jì)算，并且與摩擦熱和傳導(dǎo)熱的比值不大，所以可以考慮忽略不計(jì)。

（3）傳導(dǎo)熱：主要是由泵腔和密封腔之間的溫差引起的，泵腔中的能量通過(guò)軸和腔體等向密封腔內(nèi)部傳遞熱。

已知泵腔內(nèi)輸送介質(zhì)的設(shè)計(jì)溫度為345 ℃，將此溫度加載到泵蓋靠近泵腔的一側(cè)。經(jīng)過(guò)FLUENT熱流固耦合分析，得到油漿泵機(jī)械密封的溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)，如圖6、圖7和圖8所示。

從油漿泵機(jī)械密封的溫度分布云圖6可以看出，高溫區(qū)主要分布在靠近泵送高溫介質(zhì)一側(cè)的泵蓋內(nèi)層，機(jī)械密封腔內(nèi)部的能量主要是由軸向機(jī)械密封內(nèi)部進(jìn)行傳遞，還有一部分是機(jī)械密封端面的摩擦熱，降低油漿泵機(jī)械密封腔溫度升高的方式是對(duì)周和密封端面進(jìn)行充分的沖洗；從機(jī)械密封腔的壓力分布云圖7可以看出，由于油漿泵機(jī)械密封端面受到?jīng)_洗液的沖擊，靠近泵送高溫介質(zhì)一側(cè)的泵蓋內(nèi)側(cè)壓力升高比較大，其余區(qū)域的壓力升高較小。

圖 6 溫度分布

圖7 壓力分布

圖 8 速度分布

從速度分布云圖8可以看出周的旋轉(zhuǎn)區(qū)域帶動(dòng)流體旋轉(zhuǎn)，速度較大，其余區(qū)域速度相對(duì)較小。從圖6、圖7、和圖8整體來(lái)看，雙端面式機(jī)械密封密封腔溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)的分布情況都是從靠近泵送高溫介質(zhì)的一側(cè)到另外一側(cè)逐漸降低。

3 結(jié)論

（1）油漿泵機(jī)械密封熱源主要是機(jī)械密封傳導(dǎo)熱，其次是機(jī)械密封端面的摩擦熱，攪拌熱所占最小。

（2）要想保證高溫機(jī)械密封正常運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)軸和密封腔以及機(jī)械密封端面的充分沖洗是重要前提。

（3）油漿泵機(jī)械密封密封腔溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)分布都是從靠近泵送高溫介質(zhì)的一側(cè)到另外一側(cè)逐漸降低。

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Study on Thermal Fluid-Solid Coupling Characteristics of Mechanical Seal of Slurry Pump

,

（School of Mechanical Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

The medium of oil slurry pump is high temperature oil slurry and contains catalyst particles. So the operating conditions are harsh, and the life of mechanical seals is generally not high and leakage often occurs. Aiming at the failure of the mechanical seal of the slurry pump, a three-dimensional model consisting of the pump cover, the seal cavity, the seal assembly, the pump shaft and the flushing fluid was established by Solidworks. The temperature field, pressure field and velocity field were studied by thermal fluid-solid coupling method based on Fluent software. The results showed that they gradually decreased from the side near the pumping high-temperature medium to the other side. The effect of different mechanical seal surface widths, materials, and rotational speeds on the mechanical seal end face temperature was analyzed.

slurry pump; mechanical seal ; heat fluid-solid coupling ; end face temperature

2020-01-09

楊逸祺（1994-），男，吉林省遼源市人，碩士研究生，2020年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)化工過(guò)程機(jī)械專(zhuān)業(yè)，從事過(guò)程裝備檢測(cè)與控制技術(shù)研究。

石成江（1962-），男，博士，教授，從事機(jī)械設(shè)備自動(dòng)檢測(cè)與控制方面的研究。

TQ02

A

1004-0935（2020）03-0296-04