焊接金属波纹管弹率的设计与计算

一、前言

焊接金属波纹管机械密封 (以下简称波纹管密封) 是由焊接金属波纹管组件 (包括前后环、焊接波片) 、动环和静环、格兰、轴套及轴套辅助密封圈组成。它是一个摩擦副相对于另一个摩擦副转动, 阻止液体或其它介质泄漏的一种密封装置, 具有泄漏点少, 抗震能力强, 而且还具有良好的轴向和角向浮动性, 即密封结构补偿性能好。主要应用于石油化工厂等行业高温泵密封及其它非腐蚀性介质的密封中。

二、波纹管密封的特点及波纹管组件的作用

波纹管密封具有结构简单, 尺寸紧凑, 除摩擦副外, 没有其它易损零件, 轴套的加工精度大大降低, 结构更加简单, 因而大大降低密封的制造、安装的技术要求。由于没有有机材料或高分子材料的辅助密封圈, 故适用于各种温度范围, 最高可达430℃, 最低可达-20℃。波纹管密封又属于平衡型 (K<1) 机械密封, 端面比压值较小, 密封端面磨损少, 摩擦功率低, 因此密封的使用寿命大大延长。另外, 波纹管密封配有合理可靠的封油冲洗液, 冷却水辅助系统, 为其保证正常工作提供了可靠的条件。

波纹管组件在介质压力作用下, 对密封端面产生轴向压力, 以致使密封端面始终保持良好的接触, 可靠地工作, 因此具有短暂的抗抽空能力, 这样对操作工艺条件的变化具有很好地适应能力。

焊接金属波纹管组合件是波纹管密封的重要组成部分, 其弹率的设计和计算是保证波纹管密封的可靠性的重要依据。

三、

波纹管的弹率 (或称刚度) 是指它被压缩1毫米时产生的弹力。由于波纹管密封没有辅助弹簧, 全部弹簧力均由波纹管自身弹力产生, 因此对其弹率要有一定的要求。

波纹管密封要保持良好的密封性能和长久的使用寿命, 端面间必须保持一个极薄的液膜。液膜反力的大小自然是影响波纹管密封端面比压的重要因素, 端面比压过大密封端面磨损严重, 寿命变短;端面比压过小则泄漏严重以致密封失效。因此要使密封面能相互贴合, 即密封端面应保持一定大小的比压。

一般来说, 密封端面的最小比压为:

式中:

Pt-由波纹管的弹力产生的端面比压 (㎏/C㎡此单位仍然按照企业习惯, 以此类推。) 。

K-载荷系数, 由公式 (2) 计算

(1) 当全液工况取K=0.6;

(2) 当有可能出现汽液相共存的工况时, 针对具体情况具体选择。

λ-反压系数由公式 (3) 计算

不同的介质及工况压力分布的规律也不完全相同。

(1) 对于全液工况, λ=0.5;

(2) 当有汽液相共存时, λ>0.5;但工况不同, λ值也不相同, 视具体情况而定。

P介-被密封的介质压力或压差。

Pfr-考虑密封面的变形、歪斜, 以及波纹管因泄漏结焦而出现的摩擦阻力等因素的比压。

在正常运行情况下:Pfr=0;

当Pfr存在时, 根据“机械密封端面比压的设计标准”, 一般取Pfr≈ (0.6-1.2) ㎏/C㎡;根据端面比压的计算公式, 因考虑波纹管的弹率数值范围。

四、设计弹率原则:

1. Pt不能太大。因为在正常工作情况下,

如果Pt太大将会形成较大的端面比压, 引起密封摩擦面上温升过高, 或者造成介质沸腾汽化影响密封效果, 或者是加剧磨损。

2. Pt不能太小。如果Pt太小, 密封太“脆弱”, 抵抗干扰 (例如转子的轴向窜动, 环面磨损等) 的能力太差, 容易引起密封失效。

3. Pt必须保证当Pfr出现且达到最大值时, 端面仍可借助介质力实现密封, 换句话说即Pt=Pfr时,

Pb= (K-λ) P介仍能维持机械密封正常工作。

因此, 在波纹管密封设计时, 我们一般取Pt= (1-1.5) ㎏/C㎡这时, 假定端面面积为A (C㎡) , 波纹管压缩量为L (mm) , 则波纹管的弹率应是:

五、设计波纹管的压缩量L

(1) 波纹管的弹率较小时, 压缩量选得大些, 补偿性能较好。

(2) 在波纹管自由高度确定以后, 适当增加波数, 保证一定的波距, 在工作状态时, 每一片的变形较小, 可以减少波片的力变形。

(3) 为了安装方便, 我们确定各系列自由高度均为H=55mm、压缩量均为3-6 (mm) 。因此各系列波纹管的弹率可由下面公式求得:

最后说明一下, 在波纹管的制造过程中, 影响其弹率的因素很多, 如波纹管波片的材质及其状况 (硬态或半硬态等) , 片厚、片宽、结构尺寸、波数、波形等等。

式中:E—材料弹性模数 (㎏/mm2)

δ—片厚 (mm)

b—片宽-

Do—波片外径 (mm)

Di—波片内径 (mm)

n—波数

在设计的结构尺寸全部确定的情况下, 只能用上式中可调参数加以试验, 以满足弹率的设计要求。

摘要：本文着重介绍了焊接金属波纹管机械密封弹率的设计、计算方法、使用经验, 提出了一些有价值的设计理念, 保证焊接金属波纹管机械密封能够稳定可靠的工作, 提高其使用寿命。

关键词：金属波纹管,弹率,设计,计算

参考文献

[1] 顾永泉《机械端面密封》石油大学出版社1994.

[2] 顾永泉《流体动密封》石油大学出版社1990.

[3] 沈锡华《波纹管型机械密封》烃加工出版社1987.