阀门密封的研究现状综述

阀门密封性能是衡量阀门质量的最重要指标之一,也是决定阀门寿命的主要因素。分析了当前阀门密封存在的主要问题,针对不同的密封状况,给出常用的一些解决阀门泄漏的方法。分别从材料开发、结构设计和密封性能3个方面归纳了当前阀门密封的研究内容,总结了当前阀门密封研究前沿的现状。对阀门密封的发展趋势进行了预测。     

阀门密封性能的研究

根据阀门密封原理，分析了引起阀门泄漏的原因，提出了改进阀门密封性能的措施。     

油套管特殊螺纹密封面微观泄漏机制研究

特殊螺纹金属对金属密封的可靠性不仅与主密封面的结构和油套管材料性能有关,而且与螺纹接头密封面表面粗糙度、泄漏介质特性等因素有关,其密封性能的研究是一项复杂而又难以解决的问题。在微观尺度下,分析特殊螺纹金属对金属气密封泄漏机制,并建立微观尺度下气体通过金属密封间隙泄漏速率的理论模型;在考虑密封表面粗糙度的情况下,建立特殊螺纹气体泄漏率的数学模型。以锥面对锥面密封为例,研究密封表面接触应力、表面粗糙度和密封面接触长度对特殊螺纹气体密封性能的影响。计算结果表明:随密封面接触应力的增大和密封面有效接触长度的增加,气体泄漏率均呈幂率指数规律降低;随密封面粗糙度的增加,气体泄漏率随之增大。     

波度端面机械密封热流体动力润滑性能分析

基于流体润滑理论,考虑润滑液膜空化现象和润滑液膜与密封环之间的热传导作用,建立波度端面机械密封三维流固热耦合模型,采用SUPG有限单元法求解广义雷诺方程、能量方程和热传导方程,计算端面液膜压力、开启力、泄漏率、摩擦因数等参数,对比分析密封热流体动力润滑(THD)和流体动力润滑(HD)密封特性。结果表明:随着转速、密封压力、波幅、波数的增加,开启力和泄漏率增加,摩擦因数减小;随着坝宽比、初始膜厚的增加,开启力和泄漏率减少,摩擦因数增加。热效应对密封性能影响显著,随着端面摩擦热升高,润滑液膜压力降低。     

粗糙表面间密封性能研究进展

在微观尺度下的静密封界面表面形貌是粗糙不平的，两粗糙表面上的微凸体在载荷作用下会接触形成孔隙；随着接触压力的减小或观察尺度的增加，当孔隙增加到一定数量时孔隙之间会相互连通形成泄漏通道，影响密封性能。现有的粗糙表面密封分析基于均化思想、逾渗理论和多孔介质思想等方法建立泄漏通道模型，考虑表面粗糙度、表面纹理以及表面载荷等对密封性能的影响。对现有的粗糙表面间密封性能的研究现状进行综述，分析现有的粗糙表面密封研究方法存在的不足之处，指出粗糙表面间密封研究可能的方向，为进一步研究粗糙表面密封机制提供了参考。     

金属垫片密封机制研究

对金属垫片的泄漏形式和微观密封过程进行分析研究,并对金属垫片密封性能进行试验研究。研究表明:金属垫片密封泄漏形式主要是界面泄漏,而渗透泄漏通常可忽略不计;密封表面的表面形貌、压紧应力以及介质压力是金属垫片界面泄漏的主要影响因素,但密封表面的表面形貌对金属垫片密封效果影响比压紧应力和介质压力要显著得多。     

井下封堵球密封副密封性能理论分析

封堵球密封副是石油钻采施工中常用的井下工具密封形式,目前其设计缺乏理论指导。建立密封副接触应力(比压)和接触宽度的理论模型和有限元模型,分别采用理论计算方法和有限元模拟方法分析几何参数和材料特性对密封副密封性能的影响规律。结果表明:在一定的施工工况下,井下封堵球的密封性能主要受球座锥面半锥角以及材料特性的影响;采用小半锥角设计可以同时增大密封比压和接触宽度,而选用较高弹性模量的封堵球材料在提高密封比压的同时却减小了接触宽度,因此,当以提高密封副密封性能为目标进行优化设计时,应选用较小的半锥角,同时选择合适弹性模量的封堵球材料,以达到密封效果最优。采用理论模型和有限元分析对封堵球密封副密封性能的分析结果相近。     

液压往复密封的摩擦特性分析

基于往复式密封的弹性流体动力润滑的数学模型,对影响密封性能的因素进行了综合分析。综合考虑了形变理论、接触力学理论以及流体-固体耦合理论,采用MATLAB数值分析法,通过数学迭代计算完成最终求解。深入研究了润滑油黏度、界面摩擦系数以及密封圈的表面粗糙度对密封性能的综合影响。结果表明:随着耦合界面摩擦系数的增加,接触摩擦力都呈现出增大的趋势;总摩擦力随着粗糙度的增加呈现出抛物线式变化趋势;润滑油的黏度存在一个临界值,当润滑油黏度小于此临界值时,随着润滑油黏度的增加,总摩擦力先增加后降低;当润滑油黏度超过此临界值时,接触摩擦力呈现出单调增加的趋势;润滑油黏度和界面粗糙度的增加会导致流体泄漏的增大。     

盾构机唇形密封流固热耦合仿真研究

盾构机主驱动唇形密封性能直接影响整台盾构机的施工效率。盾构机主驱动唇封密封介质为润滑脂,工作时唇口温度可达50～60℃,为更好地预测唇封的密封性能,考虑润滑脂流变特性、唇口温度对流场分析、密封材料的影响,建立盾构机唇形密封流固热耦合仿真模型。利用流速分离法推导润滑脂二维雷诺方程,采用赫兹接触模型计算粗糙峰接触压力,结合有限元软件开展热力耦合分析,实现唇封温度场及摩擦力矩、泄漏率等关键性能参数的定量预测。结果表明：考虑温度场后唇封最大接触压力减小,接触宽度增大,摩擦力矩减小。温度对唇封应力应变状态及密封性能产生较大影响,这对盾构机主驱动唇形密封设计具有一定指导作用。     

静压型机械密封中螺钉预紧调节机制的研究

螺钉预紧力大小是静压型机械密封中重要的设计参数,考虑密封组件之间的多体接触关系与O形圈副密封的影响,建立了静压型机械密封的热流固耦合计算模型(Thermal fluid-solid interaction,TFSI),根据密封环与环座之间接触关系的转变,分析研究了螺钉预紧力对密封性能的调节机制。结果表明,螺钉预紧力对密封性能有着显著的影响,预紧力增大使得泄漏率增大,但其影响规律与密封环与环座之间接触关系有着密切的联系,同时发现,动环和静环在密封中起着不同的功能,并且环座的结构及边界条件的不同是导致动、静环功能差异性的重要原因。