编者按:作为我们25周年纪念系列的一部分，这篇文章发表于1993年1月，由John Crane公司的James Netzel和Jon Hamaker撰写，解释了预测密封性能和改进设计的新技术。下面是同一家公司的一篇新文章，重点介绍了计算机辅助工程(CAE)如何帮助当今的机械密封。
当今先进的CAE工具正在引领先进的设备密封技术，以促进安全和环保，确保生产力和设备可靠性。定制开发的CAE程序和最先进的程序与基本经验和生产/应用专业知识相结合，为离心泵提供更好的解决问题的密封设计，并更快、更准确地预测密封性能。BETVICTOR体育官网这些新的计算机工具被应用于现代密封技术的各个方面:
- 计算机程序确定密封泄漏的原因
- 密封设计中线性和非线性问题的有限元建模
- 特殊程序确定密封的热量和流动要求，密封应力和挠度，脆性维修失效概率，传热系数的发展和螺旋槽端面密封的各种流体膜模型
在泵和密封投入使用之前，从这些程序中获得的信息可以确保符合最严格的环境法规。
机械密封和机械密封技术自20世纪30年代中期问世以来已经有了长足的发展。随着各种具有挑战性的应用需求的增长，需要先进的计算技术，能够分析关键应用和特殊设计。行业内部和整个行业的技术发展对优化密封产品产生了积极的影响。一些使用传统计算机辅助工程(CAE)工具设计的产品在超过25年后仍然在该领域成功运行，验证了CAE工具背后的技术。
机械密封分析
使用有限元分析(FEA)和计算流体动力学(CFD)工具来预测机械密封在工作条件下的性能。这些先进的基于计算机的模拟程序补充了传统的工程方法，使工程师能够在特定的使用条件下模拟机械密封的性能(见图1，第96页)。当遇到诸如压力升高、温度升高或润滑不良等工艺扰动条件时，过度磨损和泄漏会导致机械密封寿命缩短或过早失效。良好的实践要求使用先进的机械密封建模软件对密封进行真实操作条件的分析。使用这些分析工具的一些性能好处是:
图片1。典型的分析工具(图片由John Crane提供)- 产品优化，提高密封可靠性
- 增加操作包络
- 减少挥发性有机化合物的泄漏
- (VOC)排放
- 解决现场问题
- 减少新产品开发项目的开发时间和成本
设计了基于有限元的计算机程序，分析了接触式和非接触式机械密封面的工作和性能。密封分析可用于连续运行的稳态工况或随时间变化的瞬态工况(见图2)。
图片2。基于有限元分析操作和性能的计算机程序这些方案考虑了压力和温度畸变、密封流体特性、界面摩擦和密封面条件的综合影响。预测密封性能的综合数学/数值模型基于第一性原理和经验数据。这种专业的软件包括许多支持分析机械密封的要求的功能，通常在商业FEA软件中找不到。
工程师输入密封部件的几何形状、轴转速、材料特性、流体特性、压力、温度和边界条件来定义密封环境。基于这些输入，该软件计算密封性能值，如功率损失、界面温度、压力畸变、热畸变、端面间隙、泄漏、接触压力等。结果显示为数值或图形解释(见图3)。
图片3。分析工具特殊密封解决方案
高频应用
对于某些应用，安全性和可靠性是最重要的。BETVICTOR体育官网用于氢氟酸烷基化装置的泵需要双密封系统，以最大限度地减少排放。在这种危险的环境中，单筒机械密封是不可取的，因为任何超过内侧密封面的重大泄漏都可能导致HF酸释放到大气中。
一种选择是采用机械密封设计，将湿接触密封作为主要密封，非接触向外抽气密封作为次要密封，在外侧密封和大气之间采用分段碳衬套密封。
该密封支撑系统的美国石油学会(API)推荐冲洗方案为API plan 32/72/76。主密封采用兼容的清洁冲洗介质(方案32)，由异丁烷或丙烷制成。二级密封由低压氮气吹扫(计划72)支撑，主密封泄漏处通过排气口泄漏至火炬(计划76)。二次密封面采用螺旋槽技术，利用基于有限元的稳态计算机程序对其进行优化。
通过使用先进的分析软件，其结果是一个独特的密封解决方案。非接触式密封面槽设计用于从内径泵到外径的少量氮气泄漏到耀斑系统。通过氮气淬火密封将蒸汽泄漏隔离，所有排放都被定向到火炬系统，基本上消除了向大气排放的有毒气体。
螺旋槽端面密封采用流体力学原理。当密封件旋转时，气体通过粘性剪切作用流入螺旋槽并被压缩。在密封坝处，气体膨胀。复合膜压力导致的打开力大于将两个面分开几百微英寸的关闭力(见图4)。基于有限元的稳态计算机程序被用于确定槽的数量、槽深度、面坝宽比例和螺旋槽角，以预测最佳密封性能，同时确保在最大flare压力下向外泵入干氮。
图片4。螺旋槽面和压力剖面使用这些分析工具来预测性能减少了原型测试的数量、成本和时间，实际测试结果与分析工具的预测呈正相关。这种密封装置已经在该领域成功运行了20多年。
光碳氢化合物
密封轻烃(比重从0.4到0.6)需要改进密封技术和工具来预测性能，以满足要求的VOC排放法规。采用单一密封结构，在轻烃液体中，普通的表面可以闪成蒸汽。虽然有足够的蒸汽余量，但在表面产生的摩擦热使液体汽化，导致表面干燥和失效。
在许多管道工作中，典型的轻烃工艺流体包括丁烷、丙烷、y级天然气液体(NGL)、戊烷和乙烷-丙烷混合物，密封室压力通常超过500磅/平方英寸(psi) (34.5 bar)。大多数泵都BETVICTOR体育官网采用变速驱动器。操作通常涉及串联泵，由于下游需求，速度减慢，而吸入压力保持BETVICTOR体育官网不变。
图片5。带液压垫的主环面这些任务的首选安排将是一个双加压密封，其中加压屏障流体润滑密封面。由于泵站位置偏远，很难按照API Plan 52/53安排预防性维护。单密封和双非加压结构，采用干接点密封和非接触二级密封，是管道应用的密封选择。
为了增强润滑效果，液压垫被用作密封表面的特征(见图5)。它们通常用于轻烃和其他在密封表面之间发生汽化的应用。然而，如果密封界面处的流体膜没有得到有效控制，有时会产生大量泄漏。
特殊的水动力结构使用入口和返回微槽可以合并在表面。入口槽允许工艺流体在密封面之间渗透，以创建全膜润滑。内部的流体被对面面的滑动沿切线方向拖动。回流槽收集多余的膜流体，并将其引导到密封间隙的高压边缘(见图6)。这可以在低蒸汽压应用中提高密封性能。
图片6。特殊水动力结构的例子。在稳态条件下，基于有限元的计算机程序可以使用这些流体动力结构来预测密封性能，如果有必要，还可以优化环和/或凹槽的几何形状。设计改进的结果提高了液膜刚度，在界面处形成完整的液膜，泄漏量变化最小。图7显示了程序的输出，显示了估计的流体压力和状态。对几个有问题的密封件进行改进，增加了水动力结构，增加了平均修复间隔时间(MTBR)。
图片7。流体压力和流体状态。FEA仿真工具
研究每个密封部件的结构和热行为对于估计整个密封设计的寿命是很重要的。可以使用基于FEA方法的CAE软件，如Abaqus和Ansys对单个部件或组件进行分析。这些工具提供了在稳定或瞬态条件下具有复杂相互作用和接触能力的线性或非线性行为的工程问题的解决方案。
图像8。压盖在镦锻条件下变形图8显示了压盖在最大箱体压力下的模拟，以确保压盖支撑面位移不会对密封面旋转产生负面影响。
压盖的红色部分是最薄的壁，显示其从原始位置的最大位移。深蓝色表示在压盖固定到壳体上的四个螺栓孔位置没有位移。安全设计确保其最大应力和位移在其材料和设计限制内。
计算流体力学
为了成功地应用密封，了解密封腔内的流体流动现象同样重要。在现实世界中，几乎不可能真正看到封闭系统中的流体流动模式。使用具有先进技术的CFD程序，用户可以可靠地建立流体动力学模型。
CFD工具为设计最佳的流体诱导装置(如泵环)提供了很好的机会。泵环有各种尺寸和风格。因此，在现场安装之前，CFD程序可以方便地估算这些设备产生的流量和压头。根据测试结果，工程师还可以提出建议，以确保在扰动条件下有足够的流体流量。
保持流体流动对于高温应用至关重要，以帮助消除表面产生的热量。图9显示了通过估计与产生流量的压差对泵环性能的CFD分析。当水平轴上的流体流速给定时，泵环性能曲线在纵轴上以开发的扬程(通过将压力转换为扬程)绘制。由于管道系统中的摩擦损失构成了系统曲线，因此在工作点的实际流体循环速率由泵环性能曲线和系统曲线的交点决定。
图片9。流体压力梯度的CFD分析;泵环和系统曲线结论
在CAE软件的帮助下，通用插装密封、气体密封、上游泵送设计、锅炉给水应用和接口两相流体分析都推动了行业的发展。
这些计算机化技术在过去25年中得到了加强和改进，成为机械密封设计和开发的重要工具，使工程师能够进一步研究密封在模拟使用条件下的性能。
确认
衷心感谢我们的同事Tom Lai、Tsu Yen Chen、Tom Mowbray、Jim Wasser和Jorge Pacheco对我们的支持和鼓励。
参考文献
1.k d。Meck & G. Zhu，“利用先进的计算工程工具提高机械密封的可靠性，第1部分:有限元分析”，密封技术，第1期，Elsevier, 2008。
2.Kalfrin, Brian, John Crane Inc.，“改进密封可靠性”，“一种独特的气体密封设计增加了HF烷基化单元泵的可靠性”，泵与系统，2011年12月17日。BETVICTOR体育官网
3.James R. Wasser，“旋转设备的干密封技术”，在STLE第48届年会上发表，1993年2月15日。
4.Wasser, j.r.， Jahromi, E.和Kozlowski, D.， 2003，“用于氢氟酸烷基化和其他极端危险任务的先进气体密封系统”，第二十届国际泵用户研讨会论文集，涡轮机械实验室，德克萨斯A&M大学，大学城，德克萨斯州，第75-82页。