釜用机械密封失效分析与监控系统研究

摘要

搅拌釜是石油化工、化纤、制药等工业生产中的核心设备之一，轴封是影响搅拌釜性能的关键因素。目前，绝大多数搅拌釜的轴封采用机械密封结构，但在用的釜用机械密封经常过早发生失效，达不到预期的寿命，严重影响企业生产。传统的釜用机械密封装置监控系统十分落后，无法实时监测机械密封的运行状态并在密封失效早期作出预警，最终导致密封彻底失效。因此，本文展开釜用机械密封失效分析和监控系统相关的研究，以期提高釜用机械密封运行的可靠性。
　　以釜用机械密封过量泄漏为顶事件建立了釜用机械密封失效故障树，得到了较为全面的釜用机械密封失效路径和基本原因。通过故障树分析得到:密封端面泄漏对造成釜用机械密封过量泄漏的影响最大;在可能引起釜用机械密封失效的原因中，设计类和使用类因素占较大的比重，制造和安装类因素占较小的比重;其中，阻封方式选择或操作不当是当前釜用机械密封应用存在的一个普遍问题。提出了釜用机械密封失效基本原因对应的一般性对策。
　　利用ANSYS和MATLAB软件建立了考虑密封端面实际变形的影响的接触式机械密封端面泄漏率流固耦合数值计算模型，研究了密封端面泄漏率的主要影响因素对端面泄漏率的影响规律。密封端面泄漏率随密封介质压力、密封端面压差、密封端面表面粗糙度的增大而增大，随弹簧比压的增大而减小，且密封端面压差、密封端面表面粗糙度对端面泄漏率的影响比较显著。
　　分析了恒压型和恒压差型阻封方式下釜用机械密封运行过程中密封端面两侧的承压特点，并采用ANSYS软件计算了密封端面的应力分布，进而计算密封端面运行过程中的最大pcV值。以稳定磨损后密封端面在运行过程中的最大pcV值为指标判断端面磨损状态的好坏，恒压型阻封方式下釜用机械密封端面的接触磨损状态要好于恒压差型阻封方式。提出了釜用机械密封阻封方式的操作建议，即如果工艺允许，应先稳定密封工作压力再运行釜用机械密封。
　　研发了基于泄漏灵敏管的釜用机械密封泄漏率监测系统，分析了液位变送器测量精度、灵敏管规格和计算液位时间间隔对泄漏率计算误差的影响，给出泄漏灵敏管规格和液位计算时间间隔的选择方法。以LABVIEW软件为开发平台设计了监控系统的泄漏率监测与报警程序和补液罐阻封液自动补液程序。搭建了基于泄漏灵敏管的釜用机械密封泄漏率监测与报警试验台，对监控系统进行性能测试，验证了设计程序的正确性。
　　本文研究的内容对于指导釜用机械密封的设计、制造和使用维护，完善釜用机械密封失效机理的理论研究，进而提高釜用机械密封运行的可靠性具有重要的科研和工程实际意义。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题来源、研究目的及意义

1．1．1 课题来源

1．1．2 研究目的及意义

1．2 课题相关领域研究现状

1．2．1 釜用机械密封失效分析研究现状

1．2．2 釜用机械密封监控系统研究现状

1．3 课题主要研究内容

第二章 基于故障树的釜用机械密封失效分析

2．1 釜用机械密封失效故障树的建立

2．1．1 釜用机械密封及辅助装置的基本结构

2．1．2 釜用机械密封的失效模式

2．1．3 顶事件的选择

2．1．4 釜用机械密封失效故障树

2．2 釜用机械密封失效的FTA定性分析

2．2．1 釜用机械密封过量泄漏的最小割集

2．2．2 辅助密封泄漏的最小割集

2．2．3 密封端面泄漏的最小割集

2．2．4 密封环渗漏的最小割集

2．3 釜用机械密封失效的综合分析与对策

2．3．1 设计类基本原因分析与对策

2．3．2 制造类基本原因分析与对策

2．3．2 安装类基本原因分析与对策

2．3．2 使用类基本原因分析与对策

2．4 本章小结

第三章 釜用机械密封端面泄漏率数值计算和影响因素分析

3．1 接触式机械密封端面泄漏率数值计算模型

3．1．1 考虑粗糙度影响的密封端面润滑模型

3．1．2 密封端面间隙计算模型

3．1．3 密封端面泄漏率计算模型

3．2 接触式机械密封端面泄漏率数值计算程序

3．3 釜用机械密封端面泄漏率计算实例及结果验证

3．3．1 密封端面泄漏率计算

3．3．2 计算结果对比验证

3．4 密封端面泄漏率影响因素分析

3．4．1 密封介质压力对端面泄漏率的影响

3．4．2 密封端面压差对端面泄漏率的影响

3．4．3 密封端面综合表面租糙度对端面泄漏率的影响

3．4．4 弹簧比压对端面泄漏率的影响

3．5 本章小结

第四章 恒压和恒压差阻封方式下釜用机械密封端面磨损分析

4．1 恒压型阻封方式下釜用机械密封端面磨损分析

4．1．1 密封端面两侧的承压特点

4．1．2 介质端机械密封端面的受力分析

4．1．3 大气端机械密封端面的受力分析

4．1．4 恒压型阻封方式下密封端面受力对端面磨损的影响

4．2 恒压差型阳封方式下釜用机械密封端面磨损分析

4．2．1 密封端面两侧的承压特点

4．2．2 介质端机械密封端面的受力分析

4．2．3 大气端机械密封端面的受力分析

4．2．4 恒压差型阻封方式下密封端面受力对端面磨损的影响

4．3 两种阻封方式下密封端面接触磨损状态对比与操作改进

4．4 本章小结

第五章 基于泄漏灵敏管的釜用机械密封泄漏率监控系统研发

5．1 监控系统总体方案

5．1．1 监控系统组成

5．1．2 监控系统工作原理

5．1．3 数据采集处理系统的基本框架

5．2 监控系统LABVIEW程序设计

5．2．1 釜用机械密封泄漏率监测与报警程序

5．2．2 补液罐自动补液程序

5．3 监控系统性能测试

5．3．1 性能测试试验台

5．3．2 性能测试方案步骤

5．3．3 测试结果及讨论

5．4 本章小结

第六章 总结和展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者及导师简介