流体动压式机械密封在离心泵上的改进与研究

摘要

国内外石油化工企业普遍使用离心泵输送烃类物质。由于丙烷等轻烃有饱和蒸汽压高、易燃、易爆等特性，丙烷泵轴端密封不同程度存在泄漏频繁、检修频率高等问题，使用寿命普遍较短。若密封失效，丙烷的泄漏不仅给生产工作带来较大的安全隐患，还会造成环境污染，导致巨大的经济损失。机械密封经过多次改造，效果仍然不够理想。
　　本文首先研究了B-512离心泵的工艺特点，分析导致原泵用接触式机械密封失效的原因，对非接触式机械密封工作原理和应用特点等进行研究。通过分析和计算可以看出，原用接触式机械密封由于端面摩擦产生热量，会导致密封端面的液态丙烷发生汽化，同时由于丙烷的饱和蒸汽压较高，在密封端面处液膜压力从外径到内径逐渐降低，也会导致丙烷的汽化。液膜的相变致使密封端面流体处于汽、液混相不稳定状态，端面出现气喷振动等现象，加剧了端面的磨损，从而导致密封早期失效。通过计算，发现原密封的面积比等参数设计也有待优化。所以由于接触式机械密封的密封机理和丙烷等轻烃类介质的固有特点，原密封并不能达到零泄漏甚至零逸出的目的。本文根据实际情况改造设计出新型串联式机械密封，充分运用流体动压非接触式机械密封技术特点，计算相关结构参数，并设计出相应的机械密封辅助系统，以期达到丙烷泵的密封要求。建立了端面流体三维模型，为验证新型机械密封的密封性能，通过FLUENT软件对密封端面流场的计算，得到流体膜压力场，并计算新型机械密封的端面开启力、液膜刚度、端面摩擦力、摩擦功耗、泄漏量等主要性能参数，比较分析了不同工况参数对密封性能的影响。将新型机械密封与原密封进行对比分析，数据表明，改造设计的新型串联式机械密封弥补了原机械密封的缺陷，上游泵送机械密封和干气密封抗外界干扰的能力很强，适宜长期稳定运行。计算结果表明，新型串联式机械密封的泄漏率较小，液膜刚度较大，同时摩擦功耗较低，有助于提高丙烷泵的工作效率。主密封失效后，干气密封能作为备用密封，改造后的密封对辅助系统的可靠性要求不高，密封寿命长。本文对轻烃泵类机械密封的设计具有指导意义。

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1 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 国内外研究状况

1.3 离心泵用密封技术研究概况

1.4 本课题的研究目标和内容

2 端面流体分析与计算方法

2.1 流体力学基本方程

2.2 控制方程数值求解

2.3 本章小结

3 丙烷泵用机械密封的分析与结构设计

3.1 丙烷泵原机械密封分析

3.2 新型串联式机械密封的结构设计

3.3 新型机械密封辅助系统设计

3.4 新型机械密封的技术优势

3.5 本章小结

4 新型机械密封端面结构设计与计算

4.1 主密封的结构设计

4.2 副密封的结构设计

4.3 本章小结

5 新型机械密封端面流场的数值模拟

5.1 主密封端面的液膜压力场控制方程推导

5.2 上游泵送机械密封内流场数值计算

5.3 新型密封的密封特性分析

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及科研成果

致谢