高溫風(fēng)機(jī)用機(jī)械密封裝置及系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用研究

張唯

摘要：現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展，對特種設(shè)備的質(zhì)量以及性能要求越來越高。以工業(yè)風(fēng)機(jī)設(shè)備為例，常規(guī)風(fēng)機(jī)設(shè)備已經(jīng)不能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)需求，高溫風(fēng)機(jī)技術(shù)應(yīng)運而生，但在使用中仍舊存在一些安全隱患問題。其中高溫風(fēng)機(jī)的密封性裝置系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用，成為當(dāng)前技術(shù)焦點?；诖?，本文闡述了高溫風(fēng)機(jī)用機(jī)械密封裝置的現(xiàn)狀，探討了機(jī)械密封系統(tǒng)的設(shè)計原則，根據(jù)高溫風(fēng)機(jī)的實際應(yīng)用，分析了密封裝置系統(tǒng)設(shè)計的功能需求，指出在工業(yè)生產(chǎn)中如何有效利用和發(fā)揮系統(tǒng)的實際效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：高溫風(fēng)機(jī);機(jī)械密封裝置;密封裝置系統(tǒng);設(shè)計及應(yīng)用

0 ?引言

風(fēng)機(jī)技術(shù)也由此從常規(guī)的空氣介質(zhì)輸送的發(fā)展為高溫的各種氣體介質(zhì)的傳輸，如易燃易爆氣體等。而受到所傳輸?shù)慕橘|(zhì)的性能以及特點等影響，更是要求風(fēng)機(jī)設(shè)備具有較好的密封性，確保風(fēng)機(jī)所有的操作工序都是在機(jī)械內(nèi)部實現(xiàn)的。當(dāng)前可以采用硬件裝置設(shè)置以及設(shè)計相關(guān)的密封裝置安全系統(tǒng)方式，以此確保高溫風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運行，延長其使用壽命，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益。

1 ?高溫風(fēng)機(jī)用機(jī)械密封裝置及系統(tǒng)設(shè)計的功能需求

1.1 高溫風(fēng)機(jī)用機(jī)械密封裝置及系統(tǒng)的功能需求

在工業(yè)生產(chǎn)中，高溫風(fēng)機(jī)主要應(yīng)用的場景有兩種。第一種是在一些的工業(yè)制造生產(chǎn)中，生產(chǎn)工藝要求高溫風(fēng)機(jī)能夠為整個生產(chǎn)線輸送一定穩(wěn)定的風(fēng)力，促使整個工序的有序展開。在此種生產(chǎn)線種，要求高溫風(fēng)機(jī)所輸送的介質(zhì)在進(jìn)入到鼓風(fēng)機(jī)之前不能夠發(fā)生冷卻現(xiàn)象。如，在煤礦加工生產(chǎn)中，硫磺回收裝置中的高溫風(fēng)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。第二種是工業(yè)生產(chǎn)制造中，其后續(xù)生產(chǎn)工藝需要高溫介質(zhì)的輔助完成。

1.2 高溫風(fēng)機(jī)用機(jī)械密封裝置及系統(tǒng)設(shè)計原則分析

1.2.1 高溫風(fēng)機(jī)的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計要雙管齊下

一些新型材料的研發(fā)創(chuàng)新對于高溫風(fēng)機(jī)的的材料應(yīng)用和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了更多的參考和借鑒。當(dāng)前在實現(xiàn)對高溫風(fēng)機(jī)用機(jī)械密封裝置及系統(tǒng)的設(shè)計中，需要實現(xiàn)密封材料和密封結(jié)構(gòu)設(shè)計雙管齊下的措施。如，以石墨材料為原材料，生產(chǎn)出高溫風(fēng)機(jī)的隔熱墊片，從而降低風(fēng)機(jī)隔板同墻板之間的熱傳遞，減少因為長期高速運行下的風(fēng)機(jī)熱傳導(dǎo)現(xiàn)象帶來的風(fēng)機(jī)外部損壞，影響密封性的情況出現(xiàn)。另外一方面還要求能夠設(shè)計具有較高密封性的機(jī)械裝置。如，參照其他的機(jī)械密封裝置可知，高溫風(fēng)機(jī)的密封可以采用雙端面機(jī)械密封，其能夠通過內(nèi)部循環(huán)流動的機(jī)封封液帶都風(fēng)機(jī)內(nèi)部隔板的熱度和自身的熱量，從而使得整個風(fēng)機(jī)的各個零部件都能夠在一個適宜的溫度中運行，各個傳動部位能夠處于良好狀態(tài)。

1.2.2 高溫風(fēng)機(jī)用機(jī)械密封裝置及系統(tǒng)設(shè)計需要做好整體和個別的詳細(xì)計算

雖然高溫風(fēng)機(jī)用機(jī)械密封裝置及系統(tǒng)的設(shè)計可以直接從密封性入手，但是不可忽視的是，高溫風(fēng)機(jī)中的內(nèi)部溫度和介質(zhì)溫度差也會帶來整個風(fēng)機(jī)內(nèi)部的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生變化，從而影響其密封程度。另外還有高溫風(fēng)機(jī)運行的環(huán)境溫度、工作的時長等都會影響到其既定的結(jié)構(gòu)的密封性。因此在設(shè)計中要求能夠充分考慮到溫度場的設(shè)計計算、做好邊界控制，實現(xiàn)對這些影響因素的補(bǔ)償設(shè)計。

2 ?高溫風(fēng)機(jī)用機(jī)械密封裝置及系統(tǒng)的框架設(shè)計

一般情況下，通過雙端面機(jī)械密封的機(jī)械裝置設(shè)計方式。該方式具有較高的密封性，滿足風(fēng)機(jī)所輸送的介質(zhì)的密封性要求。

2.1 高溫風(fēng)機(jī)用機(jī)械密封裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1.1 高溫風(fēng)機(jī)的使用工況參數(shù)分析

由于不同工業(yè)生產(chǎn)中的高溫風(fēng)機(jī)的使用工況參數(shù)具有一定的差異性，也由此會導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的密封裝置系統(tǒng)設(shè)計會出現(xiàn)一定的誤差情況。對此在展開高溫風(fēng)機(jī)用機(jī)械密封裝置系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用中，需要基于一定的使用工況出發(fā)。本文主要是基于風(fēng)機(jī)對壓縮空氣的運輸為例，參數(shù)設(shè)定詳見表1。

2.1.2 高溫風(fēng)機(jī)用機(jī)械密封裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)API682相關(guān)規(guī)定，當(dāng)高溫風(fēng)機(jī)軸徑為159mm時，其密封平衡結(jié)構(gòu)的直徑不得超過115mm，需要采用彈簧靜止式結(jié)構(gòu)，且避免其密封出現(xiàn)問題帶來的安全事故，需要利用雙端面機(jī)械密封，內(nèi)外兩側(cè)的密封結(jié)構(gòu)可以提高密封的安全性。如，一旦內(nèi)側(cè)的密封失效，外側(cè)密封可以起到補(bǔ)償和保護(hù)作用。密封腔內(nèi)需要通入水作為沖洗液，水的壓力高于0.1MPa。與此同時需要對兩個密封端面都進(jìn)行潤滑和冷區(qū)的處理，如，采用碳化硅與浸銻石墨材料。下圖2為機(jī)械密封裝置結(jié)構(gòu)。在該密封結(jié)構(gòu)運行中，在持續(xù)不斷的高溫介質(zhì)的影響下，內(nèi)部的溫度也會繼續(xù)發(fā)生升高的變化，從而影響到風(fēng)機(jī)的熱效率問題。因此為了將密封腔隔沖洗液的溫度控制在80℃以下，需要通過一定的系統(tǒng)設(shè)計，對密封過程中的熱傳導(dǎo)熱量進(jìn)行降低控制，還需要隔熱熱氣體介質(zhì)，這就需要做好密封系統(tǒng)設(shè)計。如圖1所示。

2.2 高溫風(fēng)機(jī)用機(jī)械密封裝置的系統(tǒng)設(shè)計

高溫風(fēng)機(jī)已有的密封結(jié)構(gòu)無法完全抵擋住熱傳導(dǎo)等導(dǎo)致密封效應(yīng)差的問題的影響。對此需要輔助展開密封系統(tǒng)設(shè)計、機(jī)械密封溫度變化密封變形等計算，提前做好溫度變化的補(bǔ)償措施。

2.2.1 密封系統(tǒng)設(shè)計

控制高溫風(fēng)機(jī)整體擁有穩(wěn)定可靠的工作環(huán)境，需要控制好密封過程中所產(chǎn)生的熱量問題。因此需要展開運行中的風(fēng)機(jī)的密封循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計。第一，根據(jù)高溫風(fēng)機(jī)的運行原理可知，在運行中導(dǎo)入水當(dāng)作沖洗液從而冷卻內(nèi)部的溫度情況。那么也需要考慮到這一沖洗液會出現(xiàn)溫度升高的情況。因此為了嚴(yán)格控制液體的溫度在一定范圍?？梢圆捎门渲脫Q熱器的設(shè)備形式。如，在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計一個系統(tǒng)為250w/m2.℃的換熱器，其在運行過程中可以控制沖洗液在一個生產(chǎn)循環(huán)中溫度控制在5℃中，同時根據(jù)冷卻公式：

NA+NB=KΔtmA

其中運行中的風(fēng)機(jī)的摩擦熱功率為NA，介質(zhì)側(cè)密封的熱傳導(dǎo)功率為NB。通過計算可以得出高溫風(fēng)機(jī)用機(jī)械密封裝置系統(tǒng)的換熱器的參數(shù)規(guī)格情況。

2.2.2 密封溫度場計算分析

風(fēng)機(jī)的機(jī)械密封環(huán)是用來平衡介質(zhì)溫度和密封腔溫度差的重要結(jié)構(gòu)，但是溫度場還會受到熱源、密封環(huán)邊界對流換熱情況等的影響。因此在系統(tǒng)設(shè)計中，必須能夠展開對溫度場模型的計算和設(shè)計。當(dāng)前可以利用有限元網(wǎng)絡(luò)模式來表現(xiàn)密封溫度場的整體溫度情況。如，假設(shè)應(yīng)力場、溫度場等變量都是呈現(xiàn)軸對稱分布的，忽視其他的變量因素，例如忽視溫度對于材料性能的影響，僅僅是對高溫風(fēng)機(jī)密封環(huán)間的熱量分配，穩(wěn)定變化等進(jìn)行有限元軟件ANSYS進(jìn)行求解，獲得風(fēng)機(jī)的密封溫度場的有限元模型圖。如圖2所示。

3 ?高溫風(fēng)機(jī)用機(jī)械密封裝置及系統(tǒng)的應(yīng)用分析

基于上述所設(shè)計構(gòu)造的高溫風(fēng)機(jī)用機(jī)械密封裝置及系統(tǒng)可知，其在運行中，密封端面的溫度不會過高，最高控制在106℃左右。密封端面的溫度不高于隔離流體溫度。將該風(fēng)機(jī)密封裝置及系統(tǒng)投入到實際的工況應(yīng)用中。當(dāng)風(fēng)機(jī)內(nèi)的密封隔離液的壓力為0.1MPa時，高溫風(fēng)機(jī)所傳輸?shù)慕橘|(zhì)溫度為195℃的時候，不論風(fēng)機(jī)是運行0.5h還是2h，該風(fēng)機(jī)的沖洗壓力都不會發(fā)生變化，且通過計算得出各種隔離液進(jìn)入和流出密封端面的實際溫度沒有發(fā)生明顯的溫度變化，且機(jī)械密封泄露量皆有“0”。同時發(fā)現(xiàn)密封端面各處設(shè)置膜壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于飽和的蒸汽壓，因此，密封端面不會發(fā)生汽化的泄露現(xiàn)象，影響機(jī)械密封的穩(wěn)定性。

4 ?結(jié)束語

綜上所述，高溫風(fēng)機(jī)輸送的介質(zhì)不斷呈現(xiàn)出危險性、多樣性等趨勢發(fā)展，要求做好高溫風(fēng)機(jī)的機(jī)械密封性設(shè)計工作。

一方面，要求能夠選擇最佳的密封材料當(dāng)作是高溫風(fēng)機(jī)的各種機(jī)械零部件材料，避免因為所傳輸?shù)慕橘|(zhì)的溫度摩擦等問題帶來機(jī)械設(shè)備腐蝕而影響密封性;

另一方面，是要求能夠展開對機(jī)械密封循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置，從機(jī)械內(nèi)部結(jié)構(gòu)中隔絕開可能發(fā)生的泄露危險，還要求能夠通過其他的密封設(shè)計，對于會對密封性產(chǎn)生影響的各種介質(zhì)、材料等進(jìn)行計算設(shè)計，起到泄露性補(bǔ)償措施的目標(biāo)。

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