油浆泵机械密封热流固耦合特性研究

杨逸祺，石成江

油浆泵机械密封热流固耦合特性研究

杨逸祺，石成江

（辽宁石油化工大学 机械工程学院，辽宁 抚顺 113001）

油浆泵的介质为高温油浆且含有催化剂颗粒，运行工况恶劣，机械寿命普遍不高，并且经常发生泄漏。针对油浆泵机械密封失效问题，通过Solidworks建立由泵盖、密封腔、密封组件、泵轴以及冲刷流体组成的一个三维模型，利用Fluent软件采用热流固耦合的方法研究了温度场、压力场和速度场，结果表明都是从靠近泵送高温介质的一侧到另外一侧逐渐降低。分析了不同的机械密封面宽度、材料、转速对机械密封端面温度的影响。

油浆泵； 机械密封； 热流固耦合； 端面温度

油浆泵是炼油厂催化裂化装置中用于油浆循环、油浆回炼和外送的关键设备，油浆泵是否长周期平稳运行直接影响装置的效益和安全平稳生产[1]，因此对油浆泵机械密封及其辅助系统的分析和改进成为解决油浆泵机械密封泄露的方法之一。油浆泵机械密封泄露主要有以下几个原因：动静环摩擦产生的热量引起摩擦副的变形；其次分馏塔底油浆温度变化也会引起摩擦副的变形从而引起泄露。

顾伯勤[2]等研究了机械密封端面液膜的传热，主要分析了动环和静环传热的大小及其传热规律，得到密封环接触面积、液膜黏度与密封产热量成正相关；张明明[3]通过CFD软件分析了摩擦副的温度场，并对摩擦热和搅拌热的计算发现，冲洗液温度、端面摩擦热、转速对摩擦副温升影响情况比较大；王广兵[4]分析了热油泵机械密封的抽空破坏，机械密封抽空破坏与密封端面的相态变化有关；陈海燕和陈继明[5]对热油泵机械密封的泄露进行了分析，通过采用串联或双端面密封有效降低了泄漏量，使发生安全事故的概率降到最低；邓宗华[6]设计并改进了热油泵机械密封及辅助系统；朱学明[7]对热油泵机械密封进行了一系列理论研究，进行了优化研究并提高了机械密封装置的优化性能；朱汉华[8]等人通过算例验证了算例的可靠性，为机械密封的结构优化研究提供了理论依据；Bnmetiere N[9]等在模拟计算中考虑了热应力产生的形变；2013年许静[10]等人研究了辅助密封圈在扭转形变时，其结构、尺寸和形变后的位置对性能的影响，并通过研究结果对高压类机械密封的设计提供了理论依据；Wang, Heshun[11]等用ANSYS建立了机械密封环的数值模型，计算其形变量，并分析了摩擦副端面的形变。

1 基于API682的机械密封用辅助冲洗方案

根据油浆泵机械密封的工况特点，大多数采用双端面波纹管机械密封。根据API682现阶段油浆泵的冲洗方案PLAN32+52, PLAN32+53A, PLAN32+ 53B, 之所以选择PLAN32是因为它适用于高温工况且具有腐蚀性介质的泵，选择PLAN52是因为可以与串联密封一起使用且适用于危险或有毒流体。其中PLAN32+52用于允许密封腔有泄露的情况；采用PLAN32+53B的冲洗方案，采用了合适的冲洗液冲洗压力和冲洗量，改善了机械密封的适用环境，提高了机械密封的适用寿命。这两种冲洗方案如图1、图2所示。

图1 PALN32 注入式冲洗

图2 PALN52储罐缓冲液循环系统

2 油浆泵机械密封热流固耦合分析

2.1 模型的建立

本文以某泵业生产的油浆泵300ZPY590/115为例，采用有限元软件ANSYS进行建模，对油浆泵机械密封热特性进行分析，其中油浆泵的工作参数见表1。

表1 油浆泵的工作参数

油浆泵机械密封示意图如图3所示。

1-密封腔；2-动环座；3-动环；4-静环；5-静环座；6-金属波纹管；7-波纹管座

其波纹管波片材料为镍烙铁合金（Inconel718）, 辅助密封材料为柔性石墨，端面摩擦副材料均选用钨钴类材料（YG8/YG6）[12]。为了更好地研究油浆泵机械密封的传热特性，把密封腔、密封组件、泵轴以及冲刷系统看成一个整体建立的有限元模型，其中截面如图4所示。

图4 油浆泵机械密封有限元截面图

2.2 网格划分

为了更精准的研究油浆泵机械密封的热量传递和传热特性，本文建立其三维传热模型，利用FLUENT软件对模型进行模拟。采用扫略Sweep方式划分网格，对各部分全部进行扫略，网格质量可以达到计算要求。如图5所示，该模型共有510314个节点。

图5 油浆泵机械密封网格划分模型

2.3 材料的物理参数

根据300ZPY590/115高温油浆泵机械密封的相关参数，本文涉及的主要材料如下：摩擦副中动环材料选用镍基硬质合金, 静环材料选用YG6, 该配合属于“硬质合金-硬质合金”形式，泵盖选用ZG230-450, 其余各材料均为1Cr13不锈钢。各材料的物理参数见表2。

表2 固体材料的物理参数

冲洗介质共有三种：泵盖密封冷却夹套中的冷却水流速为2 m/s，冲洗压力为0.15 MPa; 内密封腔中PLAN32外洗蜡油的流速为2 m/s，冲洗压力为0.3 MPa；外密封腔中PALN52隔离液流速为2 m/s，冲洗压力为0.7 MPa。

2.4 密封腔边界条件

（1）在FLUENT界面中，首先设置压力耦合的求解方法，选择低雷诺数修正的k-omega方程，并打开energy方程，给流体的Y方向加入重力项-9.8 m/s2。

（2）对流、固体材料进行设置；进口设置为速度进口，出口设置为压力出口。

（3）固体和液体的接触面设置固液接触面Coupled Wall接触面，密封腔与空气接触的面设置为对流换热面，旋转部分的耦合面设置为Moving Wall，设置其旋转角速度为2 900 r/min。各接触面的对流换热系数见表3。

表3 对流换热系数表

2.5 结果分析

机械密封腔的热量主要来源于三个部分：

（1）摩擦热：主要是机械密封摩擦副端面相对运动产生的，运用数值模拟的方法得到的摩擦热，将其转化成产热速率，加载到摩擦副端面上。

（2）搅拌热：主要是由机械密封、轴和轴套等旋转部件和机械密封腔冲洗流体的黏性剪切热。由于搅拌热不容易计算，并且与摩擦热和传导热的比值不大，所以可以考虑忽略不计。

（3）传导热：主要是由泵腔和密封腔之间的温差引起的，泵腔中的能量通过轴和腔体等向密封腔内部传递热。

已知泵腔内输送介质的设计温度为345 ℃，将此温度加载到泵盖靠近泵腔的一侧。经过FLUENT热流固耦合分析，得到油浆泵机械密封的温度场、压力场和速度场，如图6、图7和图8所示。

从油浆泵机械密封的温度分布云图6可以看出，高温区主要分布在靠近泵送高温介质一侧的泵盖内层，机械密封腔内部的能量主要是由轴向机械密封内部进行传递，还有一部分是机械密封端面的摩擦热，降低油浆泵机械密封腔温度升高的方式是对周和密封端面进行充分的冲洗；从机械密封腔的压力分布云图7可以看出，由于油浆泵机械密封端面受到冲洗液的冲击，靠近泵送高温介质一侧的泵盖内侧压力升高比较大，其余区域的压力升高较小。

图 6 温度分布

图7 压力分布

图 8 速度分布

从速度分布云图8可以看出周的旋转区域带动流体旋转，速度较大，其余区域速度相对较小。从图6、图7、和图8整体来看，双端面式机械密封密封腔温度场、压力场和速度场的分布情况都是从靠近泵送高温介质的一侧到另外一侧逐渐降低。

3 结论

（1）油浆泵机械密封热源主要是机械密封传导热，其次是机械密封端面的摩擦热，搅拌热所占最小。

（2）要想保证高温机械密封正常运转，对轴和密封腔以及机械密封端面的充分冲洗是重要前提。

（3）油浆泵机械密封密封腔温度场、压力场和速度场分布都是从靠近泵送高温介质的一侧到另外一侧逐渐降低。

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［2］顾伯勤，周剑锋, 陈畔. 机械密封端面间液膜巧擦热的传热规律[J]．中国科学，2008, 38（01）：137-147.

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［5］陈海燕, 陈继明. 炼化装置热油泵机械密封改造[J]. 流体机械，2013, 41（7）: 44-48.

［6］邓宗华. 高温热油泵机械密封及辅助系统的设计改进[J]. 机械，2012, 39（1）：78-80.

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［10］许静，彭旭东，白少先，李纪云.机械密封的扭转变形计算方法与影响因素[J]化工学报，2013,64（10）:3687-3693.

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［12］张银，张玉峰，江永英. 高温油浆泵机械密封的应用[J]. 机械研究与应用, 2012，18（3）：158-159.

Study on Thermal Fluid-Solid Coupling Characteristics of Mechanical Seal of Slurry Pump

,

（School of Mechanical Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

The medium of oil slurry pump is high temperature oil slurry and contains catalyst particles. So the operating conditions are harsh, and the life of mechanical seals is generally not high and leakage often occurs. Aiming at the failure of the mechanical seal of the slurry pump, a three-dimensional model consisting of the pump cover, the seal cavity, the seal assembly, the pump shaft and the flushing fluid was established by Solidworks. The temperature field, pressure field and velocity field were studied by thermal fluid-solid coupling method based on Fluent software. The results showed that they gradually decreased from the side near the pumping high-temperature medium to the other side. The effect of different mechanical seal surface widths, materials, and rotational speeds on the mechanical seal end face temperature was analyzed.

slurry pump; mechanical seal ; heat fluid-solid coupling ; end face temperature

2020-01-09

杨逸祺（1994-），男，吉林省辽源市人，硕士研究生，2020年毕业于辽宁石油化工大学化工过程机械专业，从事过程装备检测与控制技术研究。

石成江（1962-），男，博士，教授，从事机械设备自动检测与控制方面的研究。

TQ02

A

1004-0935（2020）03-0296-04