高压动密封（精选四篇）
高压动密封 篇1
用于反应系统物料回流输送的ZE050-2200型高压单级离心泵, 进口压力2.2 MPa, 出口压力2.7 MPa, 工作温度<100℃, 主要介质为乙醇溶液, Na OH溶液和含有一定颗粒的催化剂溶液 (其中催化剂颗粒为20~30μm级颗粒) 。该泵为双端面机械密封形式, 并带有内冲洗和外置冷却冲洗系统, 结构如图1所示。
该离心泵的机械密封初始安装试车时, 为满足内冲洗压力高于泵压力10%的使用要求, 根据现场工况, 采用了泵出口和机械密封冲洗短接的临时措施。运行过程中机械密封多次泄漏, 振动和噪声逐渐增大, 无法正常使用。
二、原因分析
(1) 机械密封结构。现场工况不能满足双端面机封的冲洗条件下, 采取了临时短接措施, 在泵启动瞬间, 双端面机械密封的前套机封 (图1中的A对机械密封) 会瞬间出现裂纹或断裂, 运转一段时间后密封逐渐失效。
(2) 动静环摩擦副材料。在采取临时冲洗措施后, 泵正常运转一段时间, 动静环密封面出现磨损的沟痕, 且动静环表面颜色发生改变, 机械密封泄漏。
(3) 辅助密封件材料。动静环密封为双层对扣的包覆O形环, 在安装和运转过程中容易损坏、磨损或变形, 使密封失效。轴套端面密封垫及轴套内密封O形环, 运转中有尺寸变化的地方也会增加新的泄漏点。
(4) 外置弹簧。机械密封采用外置小弹簧, 由于泵的输送介质中含有颗粒, 当颗粒不断聚集在弹簧内直至弹簧卡死时, 不能补偿摩擦副的磨损量并给予动静环预压力, 使密封失效。
三、改进措施
1. 结构改进
根据生产现场工况, 对离心泵的机械密封进行改进, 改进后的机械密封结构如图2所示。
改进后的机械密封采取单端面形式, 机械密封弹簧设计在保护壳内, 消除了因介质中颗粒的堆积对弹簧自动补偿的影响。在前端设计使用了原机械密封结构没有的轴头活套, 可自动补偿轴头定位尺寸, 减少了因轴头定位不准而造成的泄漏。
2. 动静环材料的改变
原机械密封动静环材料为石墨和碳化硅, 使用过程中会出现磨损的沟痕, 同时存在静环颜色改变的现象。将动静环材料改为硬质合金, 密封面的的精度和硬度得到提高, 减少了颗粒介质对动静环密封面的影响。
3. 辅助密封件材料的改变
根据各部位密封件的密封原理、介质温度、动静密封特点等因素, 对机械密封动静环分别采用四氟和EPDM的全包覆圈、四氟O形环来满足动静环的密封。在轴套端部和动环底部使用四氟材料密封垫, 同时根据密封的平面和台阶, 增加密封垫的厚度。轴套内采用三元乙丙材料的O形环密封, 既满足了防介质腐蚀的要求, 又带有一定弹性, 方便安装和更换。
四、使用要求
(1) 泵入口选取合适目数的滤网, 并采用拆装清洗方便的结构, 定时清洗。生产现场采取适合的冲洗方式, 并保持冲洗的定量, 以防颗粒介质的堆积和泵的其他异常出现。
(2) 泵在切换和启停时, 阀门须缓慢打开或关闭, 并保证指示仪表指示值的准确稳定, 减少系统高压对泵的冲击和影响。
(3) 对泵的冲洗等装置, 要采取必要措施, 根据需要进行保温并保持热备状态, 以应付有可能出现的紧急情况。
五、改进效果
不动管柱热采井口光杆密封装置 篇2
关键词：不动管柱；热采井口；光杆密封装置
1.不动管柱热采井口光杆密封装置的应用初衷
为降低高温高压环境下蒸汽刺喷现象为油藏开采工作带来的阻碍效应，相关人士采取分阶段开采的方式降低环境的危险性。第一步是对存在串通关系的待开采油井进行蒸汽开采作业，完成后将井口封闭；第二步则需要对注汽油井进行施工，此步骤完成后再对第一步封闭的油井进行作业，并将杆、管下进油井内，依据工程要求及施工规范安装好有井口。这种分阶段施工开采的方式所起到的效果十分有限，特别是在油井开采时间不断增加的客观条件下，待开采油井间出现同层位串通问题的油井数量随之增加，加之来源于多方面影响因素的综合作用，油井作业的井况复杂度不断提升。
在这样的行业背景下，人们意识到稠油热采的这一难题亟需依托不动管柱热采工艺的帮助与协调。不动管柱热采井口光杆密封装置研制成功，凭借此项工艺的一体化特征，明显削弱了稠油热采过程中的开采成本及风险水平，从效率层面推进了稠油热采行业的发展。
2.不动管柱热采井口光杆密封装置的细节分析
结构组成：完整的不动管柱热采井口光杆密封装置包含12个部分，即油井光杆、扶正过流套、扶正过流套定位销、锥形高温高压盘根、本体、圆柱形高温高压盘根、密封紫铜垫、紫铜盘根压垫、多功能盘根压帽、盘根压垫套、散热隔套、稠油热采光杆密封器。其中，密封部分包括本体、扶正、高温密封以及散热隔套四部分。
工作原理：首先，在对油井实施注汽时，需要先令装置的光杆停抽于上止点位置，再拧紧盘根压帽，压缩高温高压盘根，令盘根产生挤压，从而包紧装置光杆，实现开采作业的高温高压密封环境；其次，卸下原有井口的光杆密封装置，垫上H形盘根散热隔套，以确保井口密封装置处温度保持平稳，避免装置受损；再次，待注汽步骤完成后，取下散热隔套，连接好密封装置与盘根压帽。
效果实例：应用于胜利油田的不动管柱热采井口光杆密封装置展现出了显著的密封效果，减少了占地时间，避免了井口发生污染，省去了作业结束后的井口清理维护程序，为井口的安全生产提供了有力技术支持。
3.不动管柱热采井口光杆密封装置的特点分析
该装置在自身结构、应用方面的使用特点包含如下几方面：
第一，从作业流程角度不难看出，不动管柱热采井口光杆密封装置省去了注蒸汽时的上作业动力设备步骤。与分阶段注入蒸汽热采的方式相比，也省去了起出油井管柱、拆装移动抽油机等多个环节，不仅节省了稠油热采的作业时间，更提高了热采工作的作业效率。不动管柱热采井口光杆密封装置不仅简化了稠油热采的环节、增加了工程作业的效率，还保障了热采操作的安全性，实现了安全注汽。
第二，从蒸汽资源利用方面看，不动管柱热采井口光杆密封装置的应用解决了油藏井口高压蒸汽因同层油井相互串通而产生的刺喷问题，避免了蒸汽资源的浪费，降低了稠油热采工程的注采成本，提升了作业过程中蒸汽资源的使用效率。
第三，从装置的使用材料角度看，不动管柱热采井口光杆密封装置多采用特制高温材料，在耐温能力与耐压能力方面具有明显优势，加之自身润滑性能优秀，减少了稠油热采作业过程中的摩擦损耗。在作业过程中，装置的盘根与光杆密切贴合，保障了蒸汽流通过程中的良好密封效果。
第四，无需排空放压便可完成盘根更换。在未使用不动管柱热采井口光杆密封装置时，稠油热采过程中需要将旧盘根取出，这样做不仅增加了作业成本及能量消耗，更为作业的连贯性与安全性保障带来了不确定因素。而不动管柱热采井口光杆密封装置在使用过程中，省去了旧盘根的取出时间，可直接将高温高压盘根在旧盘根的基础上连续向下推进。这一结构的设计体现了不动管柱热采井口光杆密封装置在盘根利用率方面的提升与实效性。
第五，不动管柱热采井口光杆密封装置不仅具有高达35MPa的密封压力，更为稠油热采的整个流程提供了安全可靠的整体高压环境。在此作业环境下，采用两段式结构对油藏井口实施密封时，确保了注汽“一段密封、一段保护”的操作效果。与传统稠油热采操作过程相比，不动管柱热采井口光杆密封装置的出现大大节省了时间与精力，加之其操作难度较低，通常情况下仅依靠两个人花费十分钟左右时间便能完成停井注汽、焖井、开抽转换等多个步骤。
第六，不动管柱热采井口光杆密封装置的整体质量较轻，占地面积小，操作所需空间体积小，可反复多次使用，使用寿命长。这些有点对于能耗水平较高的稠油热采工作而言，无疑具有较大吸引力。从其应用广度角度看，不动管柱热采井口光杆密封装置的应用领域不仅仅局限于稠油热采注汽和高压蒸汽刺喷井口，该装置同样良好应用于其余类型的油井光杆辅助密封。
4.结语
基于本文内容不难看出，在稠油热采工程中，加装不动管柱热采井口光杆密封装置在工程效率提升、施工作业成本控制、开采安全性保障等多个方面均具有明显应用优势。这得益于不动管柱热采井口光杆密封装置在结构及设计原理方面较传统方法的改良，得以实现减轻工人劳动强度、杜绝高压蒸汽刺喷难题的良好成效。鉴于不动管柱热采井口光杆密封装置具备较长的使用寿命、较广的应用范围、较优秀的使用效果，不難推测这一装置在今后的应用前景较为广阔，可以为企业级社会带来效益。
参考文献：
[1]陈景世，张志华，袁杰，刘东亮，张韬，马红梅，冯新永.不动管柱热采井口光杆密封装置[J].石油机械，2009，07：43-45+95.
[2]马春成，荀昊.有杆抽油机井口光杆密封装置的技术现状及展望[J].石油矿场机械，1997，03：18-21.
新型高压容器顶盖密封结构分析研究 篇3
进行高压密封结构设计时要综合考虑各种影响因素, 包括容器使用的环境, 比如巨大的压力, 高温甚至在温度波动剧烈的时候, 都必须要确保容器安全使用, 确保容器的密封性能。另外, 除了具备相应的密封可靠性, 结构必须尽量简单, 以方便日常安装、维护拆卸的方便快捷, 检修方便。
尽管对密封结构的加工精度和光洁度不是很高, 但是密封元件的材质必须是耐介质腐蚀, 并能经受多次重复使用的强度。针对生产生活的越来越高的要求, 亟需满足更高压力要求的顶盖密封结构来实现各种生产要求。
1 几种传统高压容器顶盖密封结构分析及缺陷
1.1 平垫密封
金属平垫密封是市场上多见的密封结构, 该机构属于强制密封结构, 该结构的密封原理比较简单, 通过在预紧和工作压力来实现压力密封, 其中预紧压力和工作压力来自筒体端部大法兰上的主螺栓的压紧力。影响结构预紧力施加强度的大小的因素主要是垫片材料的屈服强度, 另外, 垫片的宽度也是重要的影响因素。金属平垫密封的最大优势是结构简单, 降低了施工组装周期和难度, 对于加工设备的要求不高, 而且经过多年的发展, 加工技术比较成熟。由于金属平垫的适用范围较小, 仅仅在温度低于200℃、压力小于32MPa、容器内径不大于800mm的环境中使用, 因此, 适用环境比较单一, 当压力升高时, 需要大容量加压时, 需要对螺栓进行调整改进, 提高结构尺寸, 加大了密封结构的复杂程度, 同时会加大结构乃至整个容器的重量, 结构的复杂性也给安装拆卸带来了诸多麻烦。
1.2 双锥密封
双锥密封是在保留了主螺栓结构的基础上一种改进的半自紧密封结构, 密封面呈两条半圆形或三角形沟槽的组合结构。其密封原理是在容器内部压力的高温高压环境下, 双锥环受热膨胀, 发生弹性形变, 密封面的比压加大。由于该结构额密封垫材料是软钢和不锈钢, 密封面形状为锥面, 高压环境会使双锥环沿径向向外扩张, 从而大大提高密封面上的密封比压, 实现生产所需要的密封效果。双锥密封对环境的承受能力比较强, 使用环境比较广泛, 尤其是超压压力、超高温度环境和大直径范围的使用。此外, 这种密封结构相对简单, 便于加工组装, 加工精度要求也不高, 在环境改变时候可以根据需要在短时间内进行结构调整。该结构的缺点是对螺栓预紧力和轴向力要求很高, 需要施加很大的密封压力来实现密封效果, 同时结构元件大且杂。
1.3 B形环密封
B形环密封对高温环境的承受能力很强, 即使在恶劣的环境下, 密封效果依然保持稳定的可靠性和安全性。B形环密封是一种自紧密封结构, 该结构对连接结构刚度不高, 而且密封效果和环境压力和温度呈一定的正相关, 压力越高、直径越大, 结构的密封效果越好。由于B形环密封的初比压是依靠B形环波峰和筒体、顶盖上的密封槽之间的径向过盈来实现预密封的, 而密封环的加工精度要求高, 对加工技术要求过高造成制造困难, 同时拆卸不便给后续维修保养造成了一定的难度, 容易擦伤接触面。
2 D形螺栓连接C形环高压密封装置
D形螺栓连接C形环高压密封装置的顶盖置于筒体端部法兰内, 在减小顶盖直径和厚度的同时, 对整体结构的紧凑程度和结构质量依然具有很好的性能。D形螺栓连接C形环高压密封装置的顶盖与端部法兰内部平齐, D形螺栓的连接螺孔的1/4圈在加工时置于端部法兰上, 顶盖与端部法兰之间的环隙中均布“偏心”安装的D形螺栓。顶盖与端部法兰预留一定的间隙为C形环和压垫的安装预留空间。
D形螺栓连接C形环高压密封装置在介质内压作用下, C形环的通过自紧密封作用加大预紧螺钉的调节压紧力。值得注意的是在进行结构安装前, 要调松顶盖上的全部D形螺栓, 在法兰腔内装入顶盖组件, 并进行轴向, 周向的定位。顶盖与端部法兰的拆卸比较简单时, 只需将D形螺栓按照反向旋转约90°就可以去除端部法兰内的顶盖组件, 实现对容器顶盖的快速装拆, 而无需其他液压扳手的辅助工具, 同时, D型螺栓的结构简单, 对构件的加工难度和精度要求不高, 应用也比较广泛, 在各个行业如化工、能源等工程中的高压和超高压容器密封装置上都有广泛的应用空间。
3 基于O形橡胶圈的新型高压密封结构
三重密封的0形橡胶圈由两条密封沟槽内设有与筒壁组成, 胶圈沿平盖的周向布置。在平盖的抗剪环由均分的扇形环片和侧面平行的圆环片以相间排列方式组成, 单个扇形环片和圆环片的径向设有螺孔。径向密封通过尺寸链大大增强了预紧密封的压缩率, 提高了径向三密封可靠性;托架上的径向密封和轴向两个方向的密封实现了密封结构完整密封。
4 结语
文章提出的两种高压密封结构密封可靠、结构简单, 除去了高压密封传统的金属垫片或垫块。利用导向螺杆在筒体外部操作抗剪环的拆装, 易于安装和拆卸, 将是这个阶段高压容器顶盖密封结构发展的方向。
摘要：随着我国工业化进程的逐步加快, 以往传统的压力容器已经不能满足越来越高的容器压力。因此, 需要对以往的高压容器密闭结构进行总结分析, 然后提出更高要求, 更高质量的容器顶盖压力结构。本文首先分析了几种传统的高压顶盖密封结构, 提出了存在的不足, 然后提出了两种新型的高压容器顶盖密封机构。
关键词：顶盖,密封结构
参考文献
[1]张云肖, 陈平, 钱才富.新型D形螺栓高压密封结构[J].化工设备与管道, 2005 (03) .
[2]胡殿印, 王荣桥, 任全彬, 洪杰.橡胶O形圈密封结构的有限元分析[J].北京航空航天大学学报, 2005 (02) .
基于有限元的高压法兰密封性能研究 篇4
金属八角垫密封属于金属密封的一种, 通常被应用于油气输送管、压力容器等系统。其密封机理是:在螺栓预紧力作用下, 金属垫圈被法兰挤压并发生弹塑性变形, 与法兰面形成初始密封。工作过程中由于高压流体的作用, 法兰受到与预紧力方向相反的工作压力, 致使金属垫圈与法兰间接触应力减小。如果法兰密封面上接触应力大于介质压力, 就能实现良好密封;否则, 将导致连接失效, 介质泄漏。
法兰接头由多个零件组成, 因此考察其密封性能时, 必须将连接结构作为一个整体综合考虑[4]。传统的理论解析法对结构做了大量简化, 忽略了面接触等非线性因素的影响, 计算结果误差较大[5]。本文采用有限元软件建立了用于高压气田地面输送管道的法兰接头有限元模型, 分析了螺栓预紧与工作情况下接头的应力应变特征, 着重研究了摩擦系数、螺栓预紧情况对接头密封性能的影响。
1 法兰接头模型建立
本文采用API 6A标准法兰, 规格型号为6BX69MPa (10000psi) , 尺寸41/16〃, 与之配合的八角垫环型号为BX155, 双头螺柱为M30, 个数8个, 建立的法兰接头三维模型如图1所示。
采用ANSYS有限元软件对所建立的模型进行数值分析。法兰、螺栓以及垫圈所对应的材料及力学性能参数如表1所示。同时, 为了提高计算精度, 对模型进行六面体网格划分, 所得有限元模型如图2所示。首先, 在模型对称面上施加对称约束, 为避免计算过程中出现刚体位移, 在法兰上端面施加固定约束, 法兰与垫圈接触添加摩擦接触约束, 螺栓上施加预紧力载荷。
2 接头应力分布特征
2.1 无内压工况下
预紧力为F=10k N, 摩擦系数为0.2, 无内压时, 计算得到法兰的应力法兰接头的应力和金属垫环的接触应力云图, 如图3所示。可以看出, 接头的最大应力出现在金属垫环的密封面上, 法兰接头最大应力达到54.75MPa。金属垫环的密封面上, 最大接触应力达到68.8MPa。且与外圈接触面相比, 内圈的接触应力稍大。
2.2 内压工况下
预紧力为F=10k N, 摩擦系数为0.2, 介质压力为30MPa时, 计算得到法兰的应力法兰接头的应力和金属垫环的接触应力云图, 如图3所示。此时法兰接头的最大应力达到75.22MPa, 最大应力出现在法兰的接头处, 这是因为法兰两端壁厚较小, 加之建模时没有考虑实际连接管件对接头的约束, 但是根据圣维南原理, 其对密封的影响可忽略。同时, 内圈接触压力仍大于外圈。与无内压情况下相比 (图3) , 介质压力具有一定的助封作用。
3 表面粗糙度对密封影响
在仿真中不同的表面粗糙度对应不同的摩擦系数, 在预紧力为F=10k N, 无内压情况下分别取摩擦系数f=0.01、0.05、0.1、0.15、0.2, 所得金属垫圈Von-Mises应力与接触应力值如表2所示。可以看出, 随着摩擦系数的增加, Von-Mises应力和接触应力均减小。其他摩擦系数对应的接触应力相比, 摩擦系数为0.2时, 接触应力变化幅度最大。故推荐使用摩擦系数为0.15。
4 螺栓预紧方案对密封影响
4.1 预紧力对密封性影响
螺栓的预紧力的大小直接影响法兰与垫圈的接触应力大小, 影响密封性能。因此, 在介质压力为30MPa, 摩擦系数f=0.15的情况下, 分别分析了预紧力为F=10k N、20k N、40k N、60k N、80k N、100k N时, 金属垫环的Von-Mises应力和垫环与法兰的接触力的情况。所得结果如表3所示。预紧力越大, 垫环的Von Mises应力值越大, 当预紧力F=100k N时, 垫环的应力值超越了材料的屈服强度480MPa。金属垫环与法兰的接触应力也随预紧力的增大而增大, 且接触应力值均大于介质压力30MPa, 如果螺栓的预紧力过小, 则可能导致密封面的接触应力过小, 当低于介质压力时就会引起密封失效。
4.2 预紧力不均匀对密封影响
在实际安装过程中, 由于人为因素等原因, 每个螺栓的预紧力不可能完全相同 (未上紧的螺栓预紧力F=1k N, 其他的螺栓预紧力F=10k N) , 继而引起法兰与金属垫圈接触面上的接触压力分布不均匀, 影响密封性能。为了方便表示, 对螺栓按1-8进行编号, 如图4所示。在摩擦系数f=0.25, 介质压力为30MPa的情况下, 研究各种预紧力不均匀的情况, 计算得到在各种情况下, 金属垫环Von-Mises应力和垫环与法兰的接触应力, 如图5所示。
可以看出, 当有两根螺栓未预紧时, 比单根螺栓未预紧时对法兰密封性的影响要大, 但同时它们之间的相对位置对金属垫环的Von-Mises应力和接触应力影响完全不同, 总体趋势是:两根未上紧螺栓相对位置越远时, 对于金属垫环的Von-Mises应力和接触应力影响越大;而两根未上紧螺栓相对位置越近, 对于金属垫环的Von-Mise应力和接触应力影响越小, 但在螺栓未上紧处的应力减小越大。
5 结论
通过对法兰接头有限元建模以及影响密封性能因素的详细分析, 可以得出以下主要结论:
(1) 金属垫圈的内圈接触压力始终大于外圈, 与无内压工况相比, 介质压力具有一定的助封作用。
(2) 随着摩擦系数的增加, 接头的接触应力减小。推荐使用摩擦系数为0.15。
(3) 应合理地选择预紧力, 预紧力过大会导致接触面发生塑性变形;若过小则无法起到密封作用。
(4) 未完全预紧螺栓的相对位置对垫环Von-Mises应力和接触应力影响程度不同。
摘要：利用ANSYS软件建立了高压法兰接头的有限元模型, 对影响法兰接头连接性能的因素进行了研究。重点分析了摩擦系数、螺栓预紧力、螺栓预紧力不均匀对高压法兰密封性能的影响。结果表明, 随着摩擦系数增加, 高压法兰的密封性能先减弱后增强, 在f=0.2时金属垫环的接触应力最小, 密封性能最差。螺栓预紧力越大, 高压法兰的密封性能越好;预紧力大于80k N时, 金属垫环将发生塑性变形。不同的螺栓预紧力不均匀的方式, 对高压法兰密封的影响程度不同。
关键词：法兰,预紧力,金属密封,ANSYS
参考文献
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[3]王和慧, 卢均臣, 关凯书, 等.带接管组合法兰的强度和密封有限元分析[J].压力容器, 2012 (02) :22-29.
[4]范淑玲.金属与金属接触型螺栓法兰接头完整性的研究[D].上海:华东理工大学, 2013.
