CN110555288A - 用于静联接密封的石墨盘根环轴向载荷的确定方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于静联接密封的石墨盘根环轴向载荷的确定方法及***。本发明首先根据石墨盘根环的密度确定泄漏模型；然后根据泄漏模型、介质低压侧的压力、介质高压侧的压力及泄漏率确定石墨盘根环的径向接触应力；最后根据径向接触应力及单侧径向间隙量确定石墨盘根环需施加的最小轴向载荷。可见，本发明计算石墨盘根环需施加的最小轴向载荷时，不仅考虑了石墨盘根环的密度、介质压差和单侧径向间隙量，还考虑了基于环保要求及泄漏等级确定的泄漏率，能够确定密封当前工况所需施加的最小轴向载荷。因此，采用本发明提供的石墨盘根环轴向载荷的确定方法及***，能够使石墨盘根环既能实现期望的密封效果，又无需施加过大的轴向载荷。

Description

用于静联接密封的石墨盘根环轴向载荷的确定方法及***

技术领域

本发明涉及密封垫片领域，特别是涉及一种用于静联接密封的石墨盘根环轴向载荷的确定方法及***。

背景技术

石墨填料密封是一种利用石墨填料良好的压缩回弹特性，通过机械结构如压盖等对材料施加轴向载荷迫使其径向膨胀，接触挤压轴、填料函表面来阻止密封介质泄漏，实现密封的方式。

垫片泄漏形式根据泄漏孔隙直径与气体分子的平均自由程的相对大小可分为界面泄漏和渗透泄漏。现有研究所建立的垫片密封泄漏模型，可以为垫片选型与设计提供理论依据。但是，泄漏率的计算公式仅仅描述了密封介质通过流道泄漏时的一般规律，由于垫片结构、材料、密封面粗糙程度及预紧压力大小等因素都会影响密封效果，因此，实际应用中，如何保证轴向石墨盘根环的密封效果，成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于静联接密封的石墨盘根环轴向载荷的确定方法及***，能够使石墨盘根环既能实现期望的密封效果，又无需施加过大的轴向载荷。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种用于静联接密封的石墨盘根环轴向载荷的确定方法，所述确定方法包括：

获取石墨盘根环的密度、介质低压侧的压力、介质高压侧的压力、泄漏率及单侧径向间隙量；

根据所述密度确定所述石墨盘根环的泄漏模型；

根据所述泄漏模型、介质低压侧的压力、介质高压侧的压力及所述泄漏率确定石墨盘根环的径向接触应力；

根据所述径向接触应力及所述单侧径向间隙量确定所述石墨盘根环需施加的最小轴向载荷。

可选的，所述根据所述密度确定所述石墨盘根环的泄漏模型，具体包括：

判断所述石墨盘根环的密度是否为1.18g/cm³，获得第一判断结果；

当所述第一判断结果表示是，所述石墨盘根环的泄漏模型为：

其中，L表示泄漏率，σ_径表示石墨盘根环的径向接触应力，σ₀表示石墨盘根环的径向初始预紧力，P₁表示介质高压侧的压力，P₂表示介质低压侧的压力，D₁表示密封后石墨盘根环的内径，D₂表示密封后石墨盘根环的外径，表示标定泄漏率的石墨盘根环的内径；表示标定泄漏率的石墨盘根环的外径，l表示有效密封宽度。

可选的，所述根据所述密度确定所述石墨盘根环的泄漏模型，具体包括：

判断所述石墨盘根环的密度是否为1.56g/cm³，获得第二判断结果；

当所述第二判断结果表示是，所述石墨盘根环的泄漏模型为：

其中，L表示泄漏率，σ_径表示石墨盘根环的径向接触应力，σ₀表示石墨盘根环的径向初始预紧力，P₁表示介质高压侧的压力，P₂表示介质低压侧的压力，D₁表示密封后石墨盘根环的内径，D₂表示密封后石墨盘根环的外径，表示标定泄漏率的石墨盘根环的内径；表示标定泄漏率的石墨盘根环的外径，l表示有效密封宽度。

可选的，所述根据所述密度确定所述石墨盘根环的泄漏模型，具体包括：

判断所述石墨盘根环的密度是否为1.60g/cm³，获得第三判断结果；

当所述第三判断结果表示是，所述石墨盘根环的泄漏模型为：

其中，L表示泄漏率，σ_径表示石墨盘根环的径向接触应力，σ₀表示石墨盘根环的径向初始预紧力，P₁表示介质高压侧的压力，P₂表示介质低压侧的压力，D₁表示密封后石墨盘根环的内径，D₂表示密封后石墨盘根环的外径，表示标定泄漏率的石墨盘根环的内径；表示标定泄漏率的石墨盘根环的外径，l表示有效密封宽度。

可选的，所述根据所述径向接触应力及所述单侧径向间隙量确定所述石墨盘根环需施加的最小轴向载荷，具体包括：

判断所述单侧径向间隙量是否为0，获得第四判断结果；

当所述第四判断结果表示是，根据公式：σ_径＝1.087σ_轴-11.433，确定所述石墨盘根环需施加的最小轴向载荷；其中，σ_径表示石墨盘根环的径向接触应力，σ_轴表示石墨盘根环需施加的最小轴向载荷。

可选的，所述根据所述径向接触应力及所述单侧径向间隙量确定所述石墨盘根环需施加的最小轴向载荷，具体包括：

判断所述单侧径向间隙量是否为1，获得第五判断结果；

当所述第五判断结果表示是，根据公式:σ_径＝0.914σ_轴-9.801，确定所述石墨盘根环需施加的最小轴向载荷；其中，σ_径表示石墨盘根环的径向接触应力，σ_轴表示石墨盘根环需施加的最小轴向载荷。

可选的，所述根据所述径向接触应力及所述单侧径向间隙量确定所述石墨盘根环需施加的最小轴向载荷，具体包括：

判断所述单侧径向间隙量是否为2，获得第六判断结果；

当所述第六判断结果表示是，根据公式:σ_径＝0.673σ_轴-8.233，确定所述石墨盘根环需施加的最小轴向载荷；其中，σ_径表示石墨盘根环的径向接触应力，σ_轴表示石墨盘根环需施加的最小轴向载荷。

一种用于静联接密封的石墨盘根环轴向载荷的确定***，所述确定***包括：

参数获取模块，用于获取石墨盘根环的密度、介质低压侧的压力、介质高压侧的压力、泄漏率及单侧径向间隙量；

泄漏模型确定模块，用于根据所述密度确定所述石墨盘根环的泄漏模型；

径向接触应力确定模块，用于根据所述泄漏模型、介质低压侧的压力、介质高压侧的压力及所述泄漏率确定石墨盘根环的径向接触应力；

轴向载荷确定模块，用于根据所述径向接触应力及所述单侧径向间隙量确定所述石墨盘根环需施加的最小轴向载荷。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的一种用于静联接密封的石墨盘根环轴向载荷的确定方法及***，首先根据石墨盘根环的密度确定泄漏模型；然后根据泄漏模型、介质低压侧的压力、介质高压侧的压力及泄漏率确定石墨盘根环的径向接触应力；最后根据径向接触应力及单侧径向间隙量确定石墨盘根环需施加的最小轴向载荷。可见，本发明提供的石墨盘根环轴向载荷的确定方法及***，计算石墨盘根环需施加的最小轴向载荷时，不仅考虑了石墨盘根环的密度、介质压差和单侧径向间隙量，还考虑了基于环保要求及泄漏等级确定的泄漏率，能够确定密封当前工况所需施加的最小轴向载荷。因此，采用本发明提供的石墨盘根环轴向载荷的确定方法及***，能够使石墨盘根环既能实现期望的密封效果，又无需施加过大的轴向载荷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种用于静联接密封的石墨盘根环轴向载荷的确定方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种用于静联接密封的石墨盘根环轴向载荷的确定***的结构框图；

图3为本发明实施例提供的泄漏率随石墨盘根环应力变化的曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种用于静联接密封的石墨盘根环轴向载荷的确定方法及***，能够使石墨盘根环既能实现期望的密封效果，又无需施加过大的轴向载荷。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例提供的一种用于静联接密封的石墨盘根环轴向载荷的确定方法的流程图。如图1所示，所述确定方法包括：

步骤101：获取石墨盘根环的密度、介质低压侧的压力、介质高压侧的压力、泄漏率及单侧径向间隙量。

步骤102：根据所述密度确定所述石墨盘根环的泄漏模型。

步骤103：根据所述泄漏模型、介质低压侧的压力、介质高压侧的压力及所述泄漏率确定石墨盘根环的径向接触应力。

步骤104：根据所述径向接触应力及所述单侧径向间隙量确定所述石墨盘根环需施加的最小轴向载荷。

具体地，所述步骤102：根据所述密度确定所述石墨盘根环的泄漏模型，具体包括：

判断所述石墨盘根环的密度是否为1.18g/cm³，获得第一判断结果。

当所述第一判断结果表示是，所述石墨盘根环的泄漏模型为：

其中，L表示泄漏率，σ_径表示石墨盘根环的径向接触应力，σ₀表示石墨盘根环的径向初始预紧力，P₁表示介质高压侧的压力，P₂表示介质低压侧的压力，D₁表示密封后石墨盘根环的内径，D₂表示密封后石墨盘根环的外径，表示标定泄漏率的石墨盘根环的内径；表示标定泄漏率的石墨盘根环的外径，l表示有效密封宽度，本实施例中有效密封宽度为坐封后石墨盘根环的轴向高度。

判断所述石墨盘根环的密度是否为1.56g/cm³，获得第二判断结果。

当所述第二判断结果表示是，所述石墨盘根环的泄漏模型为：

判断所述石墨盘根环的密度是否为1.60g/cm³，获得第三判断结果。

当所述第三判断结果表示是，所述石墨盘根环的泄漏模型为：

具体地，所述步骤104：根据所述径向接触应力及所述单侧径向间隙量确定所述石墨盘根环需施加的最小轴向载荷，具体包括：

判断所述单侧径向间隙量是否为0，获得第四判断结果。

当所述第四判断结果表示是，根据公式：σ_径＝1.087σ_轴-11.433，确定所述石墨盘根环需施加的最小轴向载荷。其中，σ_径表示石墨盘根环的径向接触应力，σ_轴表示石墨盘根环需施加的最小轴向载荷。

判断所述单侧径向间隙量是否为1，获得第五判断结果。

当所述第五判断结果表示是，根据公式:σ_径＝0.914σ_轴-9.801，确定所述石墨盘根环需施加的最小轴向载荷。

判断所述单侧径向间隙量是否为2，获得第六判断结果。

当所述第六判断结果表示是，根据公式:σ_径＝0.673σ_轴-8.233，确定所述石墨盘根环需施加的最小轴向载荷。

图2为本发明实施例提供的一种用于静联接密封的石墨盘根环轴向载荷的确定***的结构框图。如图2所示，所述确定***包括：

参数获取模块201，用于获取石墨盘根环的密度、介质低压侧的压力、介质高压侧的压力、泄漏率及单侧径向间隙量。

泄漏模型确定模块202，用于根据所述密度确定所述石墨盘根环的泄漏模型。

径向接触应力确定模块203，用于根据所述泄漏模型、介质低压侧的压力、介质高压侧的压力及所述泄漏率确定石墨盘根环的径向接触应力。

轴向载荷确定模块204，用于根据所述径向接触应力及所述单侧径向间隙量确定所述石墨盘根环需施加的最小轴向载荷。

本发明提供的用于静联接密封的石墨盘根环轴向载荷的确定方法及***的具体实施流程如下：

(1)选定密封用石墨盘根环的密度，根据密封工况介质高压侧与低压侧的压差，基于环保要求及泄漏等级，确定密封泄漏率L。

(2)根据石墨盘根环的密度，选用合适的石墨环泄漏模型，不同密度石墨盘根环的泄漏模型见表1。结合介质高压侧的压力P₁、介质低压侧的压力P₂和泄漏率L的大小，即可计算出当前工况和密封要求下石墨盘根环所需的径向接触应力σ_径。本实施例中，根据试验结果确定σ₀为10MPa。实际应用中，石墨盘根环的密度因制作工艺的限制数值有限，并不能任意选择，一般石墨盘根环的密度即为表1中所示的数值。如有不同密度，可根据三个模型按区间线性插值计算得到。如，首先判断实际密度所属的区间范围，若实际密度大于1.18g/cm³且小于1.56g/cm³，则计算度密度为1.18g/cm³和密度为1.56g/cm³的径向接触应力，然后采用线性插值法计算当前密度对应的径向接触应力；若实际密度大于1.56g/cm³且小于1.60g/cm³，则计算度密度为1.60g/cm³和密度为1.56g/cm³的径向接触应力，然后采用线性插值法计算当前密度对应的径向接触应力。

(3)根据求得的径向接触应力σ_径及径向间隙量，在表2中选择合适间隙量下径向接触应力与轴向载荷的关系式，计算出满足当前密封工况所需施加的最小轴向载荷，完成石墨盘根环的密封设计。

实际应用中，对于单侧径向间隙量的选择，原则上为保证密封的可靠性，应越小越好，但仍需考量具体工况，适当调整径向间隙量，使其既能较好的实现密封，又不需施加过大的轴向载荷。而且，本发明提供的技术方案，已知径向间隙和密封压差，可以确定密封当前工况所需施加的最小轴向载荷；已知径向间隙和轴向载荷，可以确定当前工况所能密封的最大介质压差。

表1不同密度石墨盘根环的泄漏模型

表2不同间隙量下径向接触应力与轴向载荷关系

采用本发明提供的方法，结合具体的工况，如单侧径向间隙量和石墨盘根环密度，确定应施加的最小轴向载荷，能够在设计初期控制泄漏率更好地满足环保要求。如：已知某装置密封所需的石墨盘根环的内径为D₁＝60mm，外径为D₂＝100mm，单侧径向间隙为1mm，有效密封宽度l＝50mm，石墨盘根环密度为1.56g/cm³，需要密封的压差为4MPa，P₁＝5MPa，P₂＝1MPa，泄漏紧密度等级为T₂标准级：L＝2×10³mgs^-1mm^-1。

结合表1所示的不同密度石墨盘根环对应的泄漏模型，根据石墨盘根环密度选择相应的泄漏计算模型：

已知σ₀＝10MPa，将相关参数代入泄漏计算模型，得到相应的径向接触应力σ_径＝40MPa。

根据单侧径向密封间隙从表2选择相应的关系式：σ_径＝0.914σ_轴-9.801，计算得到所需的轴向载荷σ_轴＝64MPa。实际应用中，不同间隙值可采用线性插值法计算轴向载荷，但不支持大间隙外推。

图3为本发明实施例提供的泄漏率随石墨盘根环应力变化的曲线图。图3所示的泄漏率曲线为4MPa压差的工况，可以看到应力达到64MPa时，泄漏率低于2×10³mgs^-1mm^-1，泄露量符合要求，完全能够满足环保要求。可见，采用本发明提供的技术方案，能够使石墨盘根环既能实现期望的密封效果，又无需施加过大的轴向载荷，能够以最小轴向载荷密封当前工况介质。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种用于静联接密封的石墨盘根环轴向载荷的确定方法，其特征在于，所述确定方法包括：

获取石墨盘根环的密度、介质低压侧的压力、介质高压侧的压力、泄漏率及单侧径向间隙量；

根据所述密度确定所述石墨盘根环的泄漏模型；

根据所述泄漏模型、介质低压侧的压力、介质高压侧的压力及所述泄漏率确定石墨盘根环的径向接触应力；

根据所述径向接触应力及所述单侧径向间隙量确定所述石墨盘根环需施加的最小轴向载荷。

2.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述根据所述密度确定所述石墨盘根环的泄漏模型，具体包括：

判断所述石墨盘根环的密度是否为1.18g/cm³，获得第一判断结果；

当所述第一判断结果表示是，所述石墨盘根环的泄漏模型为：

其中，L表示泄漏率，σ_径表示石墨盘根环的径向接触应力，σ₀表示石墨盘根环的径向初始预紧力，P₁表示介质高压侧的压力，P₂表示介质低压侧的压力，D₁表示密封后石墨盘根环的内径，D₂表示密封后石墨盘根环的外径，表示标定泄漏率的石墨盘根环的内径；表示标定泄漏率的石墨盘根环的外径，l表示有效密封宽度。

3.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述根据所述密度确定所述石墨盘根环的泄漏模型，具体包括：

判断所述石墨盘根环的密度是否为1.56g/cm³，获得第二判断结果；

当所述第二判断结果表示是，所述石墨盘根环的泄漏模型为：

其中，L表示泄漏率，σ_径表示石墨盘根环的径向接触应力，σ₀表示石墨盘根环的径向初始预紧力，P₁表示介质高压侧的压力，P₂表示介质低压侧的压力，D₁表示密封后石墨盘根环的内径，D₂表示密封后石墨盘根环的外径，表示标定泄漏率的石墨盘根环的内径；表示标定泄漏率的石墨盘根环的外径，l表示有效密封宽度。

4.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述根据所述密度确定所述石墨盘根环的泄漏模型，具体包括：

判断所述石墨盘根环的密度是否为1.60g/cm³，获得第三判断结果；

当所述第三判断结果表示是，所述石墨盘根环的泄漏模型为：

其中，L表示泄漏率，σ_径表示石墨盘根环的径向接触应力，σ₀表示石墨盘根环的径向初始预紧力，P₁表示介质高压侧的压力，P₂表示介质低压侧的压力，D₁表示密封后石墨盘根环的内径，D₂表示密封后石墨盘根环的外径，表示标定泄漏率的石墨盘根环的内径；表示标定泄漏率的石墨盘根环的外径，l表示有效密封宽度。

5.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述根据所述径向接触应力及所述单侧径向间隙量确定所述石墨盘根环需施加的最小轴向载荷，具体包括：

判断所述单侧径向间隙量是否为0，获得第四判断结果；

当所述第四判断结果表示是，根据公式：σ_径＝1.087σ_轴-11.433，确定所述石墨盘根环需施加的最小轴向载荷；其中，σ_径表示石墨盘根环的径向接触应力，σ_轴表示石墨盘根环需施加的最小轴向载荷。

6.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述根据所述径向接触应力及所述单侧径向间隙量确定所述石墨盘根环需施加的最小轴向载荷，具体包括：

判断所述单侧径向间隙量是否为1，获得第五判断结果；

当所述第五判断结果表示是，根据公式:σ_径＝0.914σ_轴-9.801，确定所述石墨盘根环需施加的最小轴向载荷；其中，σ_径表示石墨盘根环的径向接触应力，σ_轴表示石墨盘根环需施加的最小轴向载荷。

7.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，所述根据所述径向接触应力及所述单侧径向间隙量确定所述石墨盘根环需施加的最小轴向载荷，具体包括：

判断所述单侧径向间隙量是否为2，获得第六判断结果；

当所述第六判断结果表示是，根据公式:σ_径＝0.673σ_轴-8.233，确定所述石墨盘根环需施加的最小轴向载荷；其中，σ_径表示石墨盘根环的径向接触应力，σ_轴表示石墨盘根环需施加的最小轴向载荷。

8.一种用于静联接密封的石墨盘根环轴向载荷的确定***，其特征在于，所述确定***包括：

参数获取模块，用于获取石墨盘根环的密度、介质低压侧的压力、介质高压侧的压力、泄漏率及单侧径向间隙量；

泄漏模型确定模块，用于根据所述密度确定所述石墨盘根环的泄漏模型；

径向接触应力确定模块，用于根据所述泄漏模型、介质低压侧的压力、介质高压侧的压力及所述泄漏率确定石墨盘根环的径向接触应力；

轴向载荷确定模块，用于根据所述径向接触应力及所述单侧径向间隙量确定所述石墨盘根环需施加的最小轴向载荷。