超临界CO2连续萃取装置不同密封结构性能比较

2022-06-11吴俊飞王威强

润滑与密封 2022年5期

徐扬吴俊飞王威强,2

(1.青岛科技大学机电工程学院山东青岛 266100；2.山东大学机械工程学院山东济南 250061)

超临界CO2连续萃取技术克服了间歇式萃取技术效率低下、能耗高、安全隐患大的缺点，极大地促进了超临界CO2萃取技术向高效节能、安全可靠的方向发展[1]。但该技术也对动密封提出了较高要求，一方面，虽然密封件承压下两侧压差为8 MPa，但设备工作时最大内压可达32 MPa，需要密封结构具有较好的承压能力；另一方面，被萃取物多为粉体物料，在高压环境下带压粉体对密封件有较大磨损，需要密封件具有较强的耐磨性[2]。

目前很多学者通过有限元分析软件对动密封的密封性能、结构优化设计进行了一系列分析。蔡智媛等[3]针对O形圈的安装过程对操作参数和安装结构参数进行了优化。周立臣[4]对O形圈进行了结构改进并分析了改进后4种结构密封性能。王琦等人[5]研究了短唇倾角、唇谷高2个结构参数对Y形圈静态密封性能的影响。汝绍锋和刘廷娇[6]对比分析了O形和Y形圈在预压缩过程中的密封性能，发现Y形圈更适合压力较高的动密封工况。陈国强等[7]分析了高压大流量水阀用U形密封圈的失效机制，确定了失效的边界条件。但是，现有文献大多针对O形圈，对唇形密封圈的研究相对较少，缺乏多种密封圈在同一工况下的密封性能对比。唇形密封圈依靠自密封作用具有更好的耐压性能和密封可靠性，更适合高压动密封。

高低唇Y形圈兼具高压密封与阻粉能力，现代U杯形圈作为新型密封件虽理论性能良好但鲜有分析[8]。因此本文作者选择O形、Y形与U杯形3种密封件结构，以超临界CO2萃取装置中的料仓密封圈为研究对象，利用ANSYS软件对预安装状态下考虑压缩率与摩擦因数影响的密封件密封性能，以及承压状态下密封件的应力分布与应力变化进行了分析，对比唇型密封圈与O形圈在高压工况下的密封表现。

1 超临界CO2连续萃取工作分析

料仓式萃取器工作状态可分为推入状态与承压工作状态，推入包括径向压缩与轴向推进，建立模型时用径向压缩量来控制压缩率。如图1所示，工作状态下料仓沿筒壁向前运动，共经过5个工作段，分别为为排空段、逐级升压段、萃取段、逐级降压段以及抽回段。进行萃取工作时，超临界流体通过筒壁流体进口进入筒内，萃取过程结束后经流体出口排出[9]。

图1 料仓工作示意

料仓承压示意如图2所示。料仓在承压萃取过程中需经过4级萃取压力，密封件两侧压力从0-8 MPa开始，保持8 MPa压差，逐级增长至24-32 MPa。即上侧介质压力p1初始压力为8 MPa，逐级增长到16、24和32 MPa，下侧介质压力p2初始压力为0，逐级增长到8、16和24 MPa。

图2 料仓承压示意

2 有限元分析

2.1 几何模型建立

根据有限元分析原理，结构简化后由筒体、料仓及密封圈3部分组成，如图3所示。其中密封圈分别采用O形、Y形与U杯形。密封腔体内径为237 mm，沟槽深度为5.85 mm，沟槽宽度为9.5 mm，引入角为20°。密封圈材料均选择聚氨酯橡胶，挡圈材料为聚四氟乙烯[10]。

图3 3种密封件仿真模型

2.2 材料本构模型

聚氨酯是一种近似不可压缩、高弹性、高度非线性的超弹性体，文中采用三参数Mooney-Rivlin模型来定义材料[11]，参数分别为C10=14.02 MPa，C01=-5.21 MPa，C11=-0.35 MPa。

对研究对象进行以下假设：

(1)密封圈具有确定的弹性模量与泊松比；

(2)筒体壁的刚度远大于橡胶材料，视为密封圈的边界约束；

(3)密封圈受到的轴向压缩视为由筒体约束边界的位移引起的；

(4)不考虑温度变化对密封圈的影响。

2.3 边界条件

对于带挡圈的O形圈需建立5对接触对，包括密封圈与料仓接触对、密封圈与筒体接触对、密封圈与挡圈接触对、挡圈与料仓接触对以及挡圈与筒体接触对。Y形与U杯形圈则需设置3对接触对，分别为密封圈唇部与筒体接触对、密封圈底部与筒体接触对和密封圈唇部与料仓接触对。

具体加载步骤如下：

(1)整个过程对筒体施加全位移约束；

(2)通过设置料仓和筒体的间隙来控制密封圈压缩率；

(3)对料仓施加X轴方向位移约束，Y轴正向位移为20 mm；

(4)受压状态下对密封圈两侧施加所需压力。

3 推入过程中密封性能分析

3.1 等效应力分布

推入过程中3种密封件等效应力分布如图4所示。O形圈最大等效应力为4.215 1 MPa；Y形圈最大等效应力为4.478 5 MPa，值最大；U杯形圈最大等效应力为2.165 1 MPa，值最小。O形圈最大应力的位置集中在引入角与密封圈接触部位，这是由于在安装过程中，O形圈受到引入角切入的轴向力与摩擦力共同作用所造成的材料堆积。Y形圈最大等效应力主要集中在唇口底部，此处为最容易损伤的部位。李腾等人[12]在进行Y形圈静密封性能分析时也发现静压工作时Y形圈最大等效应力均出现在唇谷底部。汝绍锋和刘廷娇[6]在对比O形圈和Y形圈的密封性能时也发现Y形圈最大剪切应力发生在两唇交汇处。U杯形圈等效应力则均匀分布在两侧，且应力分布均匀。Y形圈唇口相对较深窄，双唇较长，而U杯形圈唇口较宽且呈梯形，增加了对双唇的支撑能力。在推入时Y形圈唇口收缩，唇谷受到挤压，由于支撑能力差更易松弛开裂。

图4 推入过程中3种密封件等效应力分布云图

3.2 影响推入过程的因素

3.2.1 预压缩量

将各接触对摩擦因数均设定为0.1，密封件压缩率分别取11%、12%、13%、14%、15%，得到的最大等效应力与最大接触应力变化如图5所示。可见，密封件各应力均随压缩率的增大而增大。O形圈的最大应力变化趋势与Y形圈相同，在压缩率为11%～13%时最大应力呈线性增长，大于13%时应力增长较迅速，聚氨酯橡胶材料的非线性表现出来，因此不应选择过大的压缩率以免密封件受压损坏[13]。U杯形圈最大应力随压缩率增大始终线性增长。因此，密封件的压缩率选择13%较为合适。

图5 推入过程中应力随压缩率变化

3.2.2 摩擦因数

料仓的行进速度较慢，筒体内壁的粗糙度对密封性能有较大影响。取密封件预安装压缩率为13%，摩擦因数分别取0.05、0.1、0.15、0.2、0.25，得到的应力随摩擦因数的变化如图6所示。可见，摩擦因数的增大对O形圈有较大影响，在摩擦因数为0.20时最大应力发生较大波动；Y形圈与U杯形圈的最大接触应力随摩擦因数增大而线性增大，最大等效应力几乎不受摩擦因数的影响。因此，在满足预安装条件的同时为了避免过大摩擦力造成磨损，摩擦因数选择0.1。

图6 推入过程中应力随摩擦因数变化

在推入过程中，O形圈接触应力最大，有较好的预紧密封性能，但受引入角影响，应避免选用过大的压缩率与摩擦因数使O形圈发生磨损和变形。Y形圈等效应力最大且集中在唇口底部，此部位更容易老化发生破坏。U杯形圈各应力线性增大，在安装过程中具有较好的密封可靠性。

4 承压工作状态密封性能分析

经过预安装模拟分析选择密封件压缩率为13%，密封圈与料仓和筒体的摩擦因数均为0.1。

4.1 应力分布

图7展示了不同密封件在两侧介质压力为16-24 MPa下与主、副密封面之间的接触压力分布，各密封件最大接触应力均大于此时的最大内压24 MPa，满足密封条件。O形圈接触应力最小，最大接触应力分布在副密封面，密封性能较弱。Y形与U杯形圈最大接触应力均集中在主密封面，有较大的接触应力，说明唇型密封件在较高介质压力下密封性能优于O形圈。Y形圈唇口受压后挤压两侧双唇，使唇部与密封面之配合更紧密，与密封面之间的接触应力与接触长度最大，拥有更强的密封性能[14]。

图7 承压工作状态下3种密封件接触应力分布云图

图8给出了两侧介质压力在24-32 MPa下不同密封件的剪切应力分布。增加挡圈后避免了O形圈的间隙挤出，其最大剪切应力主要分布在密封圈与挡圈接触部位，此处剪切应力较大且应力集中现象明显，极易造成剪切破坏[15]。Y形圈的剪切应力最大，最大应力集中部位为低唇唇底。王召岩等[16]在进行等高唇Y形圈受压分析时发现位于主密封面的唇口更易受到剪切破坏，而文中选用的高低唇Y形圈中低唇口为主要密封区域，集中部位是由低唇承压时挤压密封件底部造成的。U杯形圈剪切应力最小，最大应力位于底部右侧与密封沟槽接触处，这是密封间隙挤出造成的。

图8 承压工作状态下3种密封件剪切应力分布云图

4.2 应力变化趋势

如图9所示为承压工作状态下应力随两侧介质压力变化。

图9 承压状态下3种密封件应力随两侧介质压力变化

由图9可以看出，两侧介质压力的增大对密封件摩擦应力影响较小。O形圈最大剪切应力在两侧介质压力为8-16 MPa时突然骤增，并最终大于最大接触压力。增加挡圈虽然缓解了O形圈的扭转现象，但简单的环形截面使其在较高工作压力下并不稳定。Y形圈在两侧介质压力为24—32 MPa下接触压力最大，具有最好的密封性能，但此时剪切应力也最大，低唇底部是最容易发生剪切破坏的部位。U杯形圈最大应力增长趋势无较大波动，始终保持接触应力大于剪切应力，密封性能表现最稳定。在高压动密封工况下，3种密封结构最大接触应力力均大于此时最大内压，满足密封要求，可有效实现密封，唇形密封件的综合表现优于O形圈。