郭天麗 劉晨陽 胡文文 王建磊 賈 謙
(1.東方電氣集團東方汽輪機有限公司電站服務事業(yè)部 四川德陽 618000;2.西安理工大學機械與精密儀器工程學院 陜西西安 710048;3.西安交通大學城市學院機械工程系 陜西西安 710018)
目前,隨著旋轉機械的高速化、重載化,為保持較高的工作穩(wěn)定性和可靠性,機械密封的作用顯得越來越重要,特別是在帶有高溫、高壓等極端惡劣工況下使用的高參數(shù)機械密封[1-2]。高參數(shù)機械密封的典型應用對象包括渦輪泵、壓縮機及反應釜等,工作溫度最高可達500 ℃,壓力最高可達25 MPa,線速度最大可達250 m/s[3-5]。
近年來,在高參數(shù)機械密封的設計、仿真及制造方面,已有大量研究工作可供借鑒。MIGOUT等[6]建立了包括熱傳遞和變形的瞬態(tài)有限實體耦合模型,模擬了進料溫度升高對機械密封作用的影響。彭旭東等[7]針對粗糙的機械密封表面采用分區(qū)域的方法建立考慮粗糙的有限元分析理論模型,研究了其對機械密封結構和性能參數(shù)的影響。趙偉剛等[8]提出了結構與工藝的一體化設計方法,重點分析了靜環(huán)石墨的選型及其與基體材料的相容性問題。王建磊等[9]在研究中發(fā)現(xiàn)極端工況下機械密封會產(chǎn)生異常磨損,并針對此現(xiàn)象對高參數(shù)機械密封的磨損問題展開了宏觀和微觀相結合的試驗研究。楊建峰[10]研究了機械密封的頻繁失效問題,通過改變設計和更換摩擦副材料的途徑有效緩解了失效問題。魏龍等人[11]對機械密封在邊界及混合潤滑狀態(tài)下的泄漏量進行了相關研究,并在其研究中通過模型和經(jīng)驗公式對其泄漏量進行了表征。符永宏等[12]研究了機械密封的激光加工工藝,通過對加工參數(shù)組合的優(yōu)化,提高了機械密封SiC表面織構微觀幾何形貌的制備精度。CHEN和HSU[13]研究了電極材料、脈沖寬度等對碳化鎢-碳化硅機械密封加工工藝的影響規(guī)律。SU等[14]提出了一種多相微磨料噴射的金屬表面微細加工技術,用于機械密封表面微槽制作。
上述研究都推動了機械密封的高參數(shù)化,但在高參數(shù)機械密封設計方法的研究方面還略顯薄弱。本文作者針對高參數(shù)機械密封石墨靜環(huán)的失效問題,從設計方法的層面研究了靜環(huán)在參數(shù)化過程中的相容性設計問題。
眾所周知,機械密封是一種阻止密封介質(zhì)從相互運動的2個摩擦副之間泄漏的一種機械部件。在有些機械設備中機械密封也是磨損最為嚴重、最容易出現(xiàn)故障的組成部件。如今隨著旋轉機械朝著高參數(shù)化方向發(fā)展,相應的密封技術已經(jīng)成為影響整個設備運行壽命、安全性和工作效率的核心技術。文中以工作在苛刻環(huán)境下的典型高參數(shù)機械密封為研究對象,高參數(shù)機械密封的一般結構如圖1所示??梢钥闯?,高參數(shù)機械密封主要由3個部分組成,分別是含有石墨的靜環(huán)、不銹鋼(3Cr13)動環(huán)及波紋管。
從圖1中還可以看出,機械密封的靜環(huán)和動環(huán)是以摩擦副的形式配對的,因此在工作中會出現(xiàn)摩擦磨損現(xiàn)象。另外,靜環(huán)由不銹鋼和石墨2種環(huán)狀材料共同組成,由于2種材料存在物理性能上的差異性,因此在工作中產(chǎn)生的高溫會導致2種材料產(chǎn)生不同的熱變形和熱應力。這種變形量及熱應力的不同,會導致組成機械密封靜環(huán)的不銹鋼基體和石墨環(huán)產(chǎn)生分離而脫落或者因為擠壓而變形等現(xiàn)象,這些都是相容性不佳的表現(xiàn)??梢?,相容性不佳會對機械密封的使用造成潛在的事故隱患,而最常見的表現(xiàn)就是機械密封的異常磨損、異常泄漏甚至失效。
圖1 高參數(shù)機械密封結構示意
除了工作的環(huán)境溫度,高參數(shù)機械密封靜環(huán)和動環(huán)之間由于高速的相對運動也會產(chǎn)生大量的摩擦熱量,有時會在瞬間高達上千度。在極端工況下工作時如果機械密封摩擦副表面的高熱量不能被及時帶走不僅會使得磨損加劇,更重要的就是前面提到的影響靜環(huán)不銹鋼和石墨之間的相容性,導致磨損缺陷的產(chǎn)生,這些缺陷會加大泄漏量,繼而使得機械密封在早期失效。
文中研究的這種高參數(shù)機械密封目前已經(jīng)被使用在液體火箭發(fā)動機渦輪泵、超臨界二氧化碳汽輪發(fā)電機組以及核主泵當中,這些應用背景無疑是存在極端工況的。這類極端工況最常見表現(xiàn)就是高速、高溫及高壓等,無疑對機械密封的可靠性要求更高。例如,液體火箭發(fā)動機渦輪泵所采用的高參數(shù)機械密封需要適應重載、低黏度介質(zhì)潤滑及大溫度梯度等極端工況。處在如此苛刻工作條件下的高參數(shù)機械密封極易失效,其常見的表現(xiàn)形式為過度磨損、泄漏量超標等。表1列出了高參數(shù)機械密封的主要工況參數(shù)。
表1 高參數(shù)機械密封的工況參數(shù)
如前所述,為應對極端工況,高參數(shù)機械密封的設計目標是適應較大的溫度梯度以及較高的運轉速度,這就勢必會造成機械密封本身存在于大的溫度梯度變化中。而由于機械密封的靜環(huán)本身由石墨和不銹鋼2種不同材料組合而成,2種材料因自身的熱物理性能不同勢必產(chǎn)生應力與變形的不相匹配的問題。這種不相匹配會導致石墨的機械性能無法滿足極端工況的使用要求。雖然給靜環(huán)添加石墨材料的出發(fā)點是利用石墨的自潤滑性、耐高溫性以及耐化學腐蝕性,但由于石墨與不銹鋼不相容,極易導致機械密封在實際使用時石墨發(fā)生壓潰、斷裂甚至脫落等不良后果。通過對實際產(chǎn)品受損后的分析,可直觀地觀察到機械密封靜環(huán)因相容性不佳所造成的損害。圖2所示為一個石墨靜環(huán)受損件的實物圖,受損是因為受熱變形所導致的。從圖2中可以看出,在使用過程中由于熱變形產(chǎn)生的高應力使得石墨環(huán)擠壓而開裂。
圖2 機械密封石墨環(huán)受損件
為了能在設計階段就有效地通過干預避免機械密封靜環(huán)石墨和不銹鋼在極端工況下產(chǎn)生的不相容現(xiàn)象,文中將相容性引入機械密封靜環(huán)的設計當中,提出了考慮相容性的機械密封設計方法。圖3所示為高參數(shù)機械密封靜環(huán)的相容性設計流程。可以看出,該考慮相容性的設計方法可以分為5個設計階段,分別是設計需求確定階段、設計方案制定階段、設計方案分析階段、相容性判斷階段以及設計方案確定階段。
圖3 考慮相容性的機械密封設計流程
該設計流程和一般機械密封的設計過程相比,最大的區(qū)別就是在設計過程中考慮了相容性的問題,即將相容性作為一項判斷設計是否成立的必要條件加以考慮。
前文已經(jīng)對機械密封靜環(huán)的相容性在概念及設計流程上進行了相關的描述,下文將對相容性判斷問題進行相關的探討。高參數(shù)機械密封在進行相容性設計時,判斷靜環(huán)不銹鋼3Cr13和石墨是否相容需要進行相關的計算分析,該類計算需要借助相關的三維建模及有限元分析軟件來完成。對于靜環(huán)的相容性判斷可以采用如下幾個步驟來實現(xiàn),具體的實施流程如圖4所示。
圖4 相容性判斷流程
首先,需要通過流體潤滑理論的數(shù)值分析或試驗實測獲得靜環(huán)表面的工作溫度;第二步是建立靜環(huán)的有限元仿真模型,根據(jù)對靜環(huán)表面數(shù)值計算的結果,通過ANSYS有限元分析軟件進行整個靜環(huán)的溫度分布仿真;第三步根據(jù)溫度場的仿真結果獲得靜環(huán)鑲嵌的石墨環(huán)的熱應力分布;第四步從石墨環(huán)的熱應力分布中獲取石墨環(huán)所受到的最大應力;第五步是將石墨所受的最大應力與其機械強度進行對比。文中采用的是抗壓強度,選用抗壓強度是考慮到了其能夠體現(xiàn)石墨環(huán)在單位面積所能承受壓力的極限值。如果熱應力的大小超出了石墨的抗壓強度則需調(diào)整石墨材料的配方或者調(diào)整靜環(huán)的結構參數(shù)。
為了能更清楚地說明相容性分析的重要性,文中以某高參數(shù)機械密封設計為例,針對該機械密封的靜環(huán)摩擦副在設計中的相容性分析進行實例說明,該實例選用的是火箭發(fā)動機渦輪泵高參數(shù)機械密封。
抗壓強度試驗用以評價浸漬石墨材料在承受正壓力時的變形和破壞程度,試驗遵循的標準為JB/T 8133.8—1999《電碳制品物理化學試驗方法 抗壓強度》,試件尺寸為8 mm×8 mm×8 mm??箟涸囼灢捎?Instron 5500R 萬用試驗機。試驗過程如下:(1)將壓縮試驗所用的模具固定在試驗機的上下夾具上,調(diào)整試驗機上下夾具使得壓縮試驗模具的上下工作面之間的距離為10 mm,然后將試樣放置在壓縮試驗模具的工作臺上;(2)設置試驗機的數(shù)據(jù)采集控制軟件,其中試驗加載速度為 4 mm/min;(3)加壓直到試樣達到屈服階段或者被壓潰時停止試驗。每組試樣試驗測量3次求平均值。圖5為抗壓強度測試試樣。
圖5 抗壓強度試樣
試樣的抗壓強度計算公式為
py=F/A
(1)
式中:py為試樣的抗壓強度,MPa;F為試樣最大破壞載荷,N;A為試樣承壓面積,mm2。
根據(jù)式(1)計算出石墨的抗壓強度如表2所示。
表2 石墨的抗壓強度
表3給出了該高參數(shù)機械密封靜環(huán)摩擦副的結構尺寸和材料等的初步設計參數(shù),其中石墨的抗壓強度取表2中1號試樣抗壓強度平均值216 MPa,該設計參數(shù)可以代表一般高參數(shù)機械密封的特點。
表3 靜環(huán)的初步設計參數(shù)
在進行相容性分析之前需要做以下幾點假設:(1)文中研究的機械密封的溫度場是呈軸對稱分布的;(2)機械密封的材料和密封介質(zhì)的基本屬性例如基本物性對溫度的變化不敏感;(3)機械密封在工作時其靜環(huán)和動環(huán)的表面是相互平行的,并且因摩擦等產(chǎn)生的熱量是均勻分布在其表面的;(4)在分析時可以忽略因泄漏而產(chǎn)生的熱量損失;(5)機械密封因攪拌、輻射等產(chǎn)生的熱量可以忽略不計;(6)因機械密封變形而導致的溫度場變化可以忽略不計,并將機械密封看作是理想的彈性體。
在對機械密封靜環(huán)進行熱應力分析前首先需建立三維模型,文中利用Solidworks軟件進行機械密封靜環(huán)摩擦副的實體建模。在建立機械密封靜環(huán)的模型時參照表3中所列出的機械密封尺寸。采用Solidworks軟件建立機械密封靜環(huán)的三維模型之后,利用ANSYS有限元分析計算軟件進行后續(xù)的穩(wěn)態(tài)溫度場及應力場計算。圖6給出了靜環(huán)和石墨環(huán)的網(wǎng)格劃分結果。對靜環(huán)進行網(wǎng)格劃分所采用的工具是ANSYSWorkbench中的Mesh模塊,所有的網(wǎng)格均為四面體結構,單個網(wǎng)格邊長為1 mm??傮w統(tǒng)計,靜環(huán)所有的節(jié)點數(shù)之和為403 028個,所劃分的單元總數(shù)為276 425個。需要說明的是,文中在進行溫度場分析時,所施加的機械密封工作溫度為500 ℃,靜環(huán)3Cr13和石墨的密度分別取7 800 kg/m3和1 920 kg/m3,二者的熱膨脹系數(shù)分別取1.02×10-5℃-1和6.5×10-6℃-1,彈性模量分別取200和20 GPa,比熱容分別取460和800 J/(kg·℃),泊松比都取相同值0.3。
圖6 靜環(huán)和石墨環(huán)的網(wǎng)格劃分
利用ANSYS有限元分析軟件對靜環(huán)及石墨環(huán)的溫度場和熱應力進行了仿真分析,結果如圖7所示。其中,圖 7(a)所示為通過有限元仿真獲得的靜環(huán)的溫度分布圖,可以看出靜環(huán)的摩擦端面溫度為 299.83 ℃,因為摩擦而產(chǎn)生的熱量會沿著靜環(huán)的軸向傳遞,并且隨著軸向距離的增加而遞減。圖7(b)給出的是靜環(huán)的熱應力分布情況,可以看出在熱載荷作用下,靜環(huán)所受到的最大熱應力出現(xiàn)在不銹鋼的內(nèi)邊緣,最大熱應力的數(shù)值為549.23 MPa。在圖7(c)中給出了靜環(huán)石墨的熱應力分布情況,可以看出石墨環(huán)所受到的熱應力主要出現(xiàn)在內(nèi)邊緣,受到的最大熱應力數(shù)值為310.76 MPa。
圖7 靜環(huán)溫度和應力有限元仿真結果
數(shù)值模擬計算結果在一定程度上會因網(wǎng)格數(shù)目的多少而存在偏差,為同時兼顧計算精度和成本,文中對靜環(huán)和石墨環(huán)進行網(wǎng)格無關性檢驗。選取上述工況條件,計算得到靜環(huán)摩擦端面溫度和熱應力數(shù)值隨網(wǎng)格數(shù)量變化,如圖8所示。當網(wǎng)格數(shù)量達到276 425個即網(wǎng)格尺寸達到1 mm后,摩擦端面溫度及熱應力隨網(wǎng)格尺寸的變化已經(jīng)很小,故在計算時選擇網(wǎng)格尺寸為1 mm。
圖8 摩擦端面溫度和熱應力隨網(wǎng)格數(shù)量的變化
根據(jù)初步設計參數(shù)經(jīng)相容性分析得到的結果,可知石墨環(huán)所受到的熱應力已經(jīng)超過了其抗壓強度值210 MPa,所以石墨環(huán)有被壓碎或壓斷的危險。因此,如果機械密封要在該工況下使用就需更改靜環(huán)的設計參數(shù)。根據(jù)前期的設計經(jīng)驗,改變靜環(huán)材料研究周期較長,改變不銹鋼基體尺寸會影響裝配,而改變石墨環(huán)尺寸的方法是一種較為可行的技術路線。
根據(jù)以上對相容性的分析,文中采取改變石墨環(huán)尺寸的方式,即對石墨環(huán)的外形尺寸進行調(diào)整。表4給出了石墨環(huán)寬度不變,外徑改變下所受的熱應力計算值,可以看出隨著外徑的減小石墨環(huán)所受的熱應力逐漸減小。因此,調(diào)整石墨環(huán)外徑尺寸改變了其與不銹鋼的相對裝配位置,減小了石墨環(huán)所受的熱應力。
表4 石墨環(huán)不同外徑下的熱應力值
文中調(diào)整石墨環(huán)的外徑為74 mm,以保證不處于不銹鋼熱應力較大位置。采用同樣方法獲得了靜環(huán)和石墨環(huán)的溫度場和熱應力計算結果,如圖9所示。圖 9(a)給出了調(diào)整尺寸后的靜環(huán)溫度分布圖,可以看出端面最大溫度為273.02 ℃,溫度的分布規(guī)律和之前相同。圖9(b)所示為靜環(huán)的熱應力分布圖,靜環(huán)最大熱應力依然集中在不銹鋼的內(nèi)徑表面,熱應力的最大值為453.98 MPa。圖9(c)所示為石墨環(huán)的熱應力分布,可以看出,調(diào)整尺寸后石墨環(huán)熱應力雖然依然集中在其內(nèi)徑附近,但是最大熱應力降低為194.51 MPa,較之前的310.76 MPa降低了37.4%,并且最大應力值小于其抗壓強度210 MPa。
圖9 調(diào)整尺寸后靜環(huán)溫度和應力有限元仿真結果
調(diào)整前后石墨環(huán)的位置如圖10所示。由于調(diào)整了石墨環(huán)的外徑尺寸,因而改變了石墨環(huán)在不銹鋼基體上的安裝位置,而相對位置的改變使得石墨環(huán)所受的熱應力比先前的設計有所降低,降低后的應力值小于石墨材料的抗壓強度值。因此,在設計上就實現(xiàn)了機械密封靜環(huán)摩擦副的相容性。
圖10 石墨環(huán)調(diào)整前后的位置(mm)
(1)分析高參數(shù)機械密封的結構、使用工況及受損件的特征,提出在設計過程中考慮石墨和不銹鋼相容性的高參數(shù)機械密封靜環(huán)摩擦副相容性設計方法。
(2)建立考慮相容性的機械密封設計流程及相容性判斷流程,從理論和方法上對高參數(shù)機械密封靜環(huán)摩擦副相容性設計提供了依據(jù)。
(3)通過實例對相容性設計分析進行了說明,通過相容性設計有望減少高參數(shù)工況下機械密封失效問題的發(fā)生。