给水泵油封装置O形密封圈的有限元非线性分析

张振兴1, 张江涛, 公茂涛, 夏轶捷

(1. 烟台台海玛努尔核电设备股份有限公司， 山东烟台 264003；2. 中国电建集团上海能源装备有限公司， 上海 201316)

引言

为贯彻国家节能降耗方针，我国火力发电“上大压小”已向大容量、高效能的超超临界先进燃煤发电机组发展，机组对高效率、连续可靠地运行提出更高的要求。锅炉给水泵是电厂系统中最核心的辅机设备，其油封装置易出现的油泄漏、使用寿命短、磨损主轴等实际问题严重影响了机组的安全性、稳定性，困扰着电厂维护人员。油封装置中，密封关键元件为O形圈，其性能的优劣决定了泵密封好坏，如选择的密封圈材料是否适合工业润滑油的酸碱性，防止腐蚀失效； 密封圈尺寸保证有合理的压缩率，避免胶料“挤出”而损坏；密封转动环槽加工精度必须满足O形圈的要求，防止被沟槽划损失效等现象[1-2]。

目前，国内不少学者已对影响O形圈密封性能的各种因素进行了大量研究[3-6]，但针对在泵油封装置中通过有限元法解决实际密封问题的应用研究颇少。本研究采用Neo-Hookean本构模型对给水泵油封装置用O形密封圈进行轴对称有限元接触分析，研究O形圈在安装过程中截面不同压缩率及油压轴向力作用下对密封性能的影响，进而改进油封装置为双密封圈结构进行分析，了解其表面接触应力及应变情况的综合变化规律。将改进后油封装置实物装配于给水泵中进行不同工况下的密封性能试验，验证有限元分析的有效性，为探究油封装置密封O形圈的失效准则，解决电厂实际问题提供技术依据。

1 物理模型

图1为锅炉给水泵用油封装置结构示意图，主要由转动环、静环、O形圈、限位螺钉等组成。油封装置采用非接触式结构，O形圈1安装在转动环2环形槽内，仅靠与主轴的压缩接触使转动环与主轴一起高速旋转，使用过程中不会发生磨损主轴的情况，大大提高了使用寿命。静环4的内壁设置限位螺钉3，安装在转动环的外槽内， 以防止转动环与静环分离。同时静环沿轴向设置了回油槽， 当油从轴承腔喷溅而出时，经过三道回油槽(I-III)减速流入回油口。由于高速旋转产生的离心力，油液有可能越过油槽而作用在密封圈上。

1.O形圈 2.转动环 3.限位螺钉 4.静环 5.O形副圈图1 油封装置结构示意图

O形密封圈安装后会受到主轴与转动环的挤压作用而发生非线性变形，接触面上会产生应力分布，该接触应力起到初始密封的作用。当转动环槽内充入一定压力油介质后，O形圈在横向受到挤压，纵向会伸长，因而密封面的最大接触应力会变大。O形圈不仅因压缩变形而产生接触应力，而且也会受到轴向油压的作用，其最大接触应力要始终大于油压，保证密封面能够阻断油泄漏，实现自密封功能[7-8]。

2 有限元接触模型

油封装置用O形圈分析模型为接触强非线性，其接触行为为刚性体-柔性体，O形圈与转动环沟槽及主轴的接触状态为不相互穿透，并且能够传递法向压力和切向摩擦力，同时蠕变不引起体积的变化。实际运行工况下，O形圈会在预接触压力和油压共同作用下，产生大变形，材料表现为超弹特性。为保证计算精度，同时又提高模型收敛性，将模型简化为二维轴对称模型，如图2所示。

图2 O形圈有限元接触模型

O形圈接触模型来源于国内首台1000 MW等级超超临界100%容量锅炉给水泵。其中O形圈内径φ170.6 mm，截面直径φ3.1 mm，材料为丁晴橡胶，弹性模量为9.3 MPa,泊松比为0.498，采用Neo-Hookean超弹本构模型，剪切模量为3.1 MPa,不可压缩参数为1.2 MPa-1；转动环沟槽宽度4 mm，材质ZQSn10-1，主轴材质为0Cr13Ni4Mo，其弹性模量均远大于O形圈，均设为刚性体。工作过程主要3个接触面，接触类型为Frictional,摩擦系数为0.1，采用Augmented Lagrange公式求解；转动环全约束，施加荷载分为两时间步，第一步为O形圈预压缩，给主轴施加一个位移荷载，模拟实际安装过程；第二步施加油压，在靠近油压侧施加压力，模拟O形圈自密封效果[6]。

3 计算结果与分析

3.1 压缩率影响

压缩率是衡量O形密封圈密封性能和使用寿命的重要参数，合适的压缩率既可以保证密封接触面足够的接触压力，又可以避免发生永久变形，它是密封设计的重要因素[9-10]。假设油压已在油封装置3道层叠回油槽完全卸压，无压力作用在密封圈上，压缩量分别设置为10%，15%，20%，25%，得到O形圈在不同压缩率下的接触应力云图如图3所示。

图3 不同压缩率下O形密封圈接触压应力分布

从图3可知，随着O形圈压缩率的增大，接触压应力在不断增大，10%压缩率下密封面上最大压应力为0.53 MPa，在油压设定范围值0.2～0.6 MPa内，其余压缩率均满足最大接触压力大于油压的设计要求。同时接触宽度也随着压缩量的增大而增大，密封面积越大，密封效果越好。

从图4可知，不同压缩率下O形圈Von-Mises应力均成“哑铃状”分布，最大应力值发生在密封圈与转动环接触面上。O形圈压缩率越大，Von-Mises区域应力越大，越容易出现密封圈裂纹而导致性能降低，影响使用寿命；如果压缩率过小，密封圈则不能提供足够的接触应力，导致密封泄漏[6]。因此，选择O形圈压缩率的原则是在保证密封接触压力前提下，压缩率尽量小来延长使用寿命。

3.2 轴向压力影响

给水泵油封装置实际作业过程中，部分油液会沿着转动环与轴之间的间隙高速离心旋转，形成侧向油压作用在密封O形圈上，改变密封圈的受力状态，从而影响密封性能。根据密封圈压缩率的选择原则， O形圈初步压缩率选定为15%，分别施加侧向油压0.2, 0,3, 0.4, 0.6 MPa。O形密封圈在不同油压下的接触应力云图如图5所示。

图4 不同压缩率下O形密封圈Von-Mises应力分布

图5 不同油压下O形密封圈接触压应力分布

从图5可知，不同油压作用下，O形圈3个接触面均出现了压应力，随着左侧油压逐渐增大，O形圈的应力分布开始发生变化，侧面接触应力值逐渐增大。当油压大于0.3 MPa时，侧面应力值大于了主压应力，而主应力远大于无油压作用的接触应力，说明O形圈受到横向油压的挤压越大，传递纵向的接触应力越大，这也说明密封性能良好。

从图6油压对O形圈Von-Mises应力分布可知，随着左侧油压逐渐的增大，O形圈Von-Mises应力由主接触面底部向侧面逐步集中，接触应力也随之增大。同时，O形圈应变也发生了较大改变，侧面接触宽度急剧增大。虽然O形圈无发生 “挤出”现象，但如果硬度选择不当，转动环槽内表面粗糙度低或圆角不合理都会引起O形圈发生蠕变，撕裂或磨损，降低其使用寿命[10]。因此，在设计油封装置O形圈时，即要考虑到压缩率的作用，同时也要充分考虑恶劣工况下油压对O形圈性能的影响。

图6 不同油压下O形密封圈Von-Mises应力分布

4 结构改进与分析

4.1 结构改进模型

为提高密封效果的可靠性，将油封装置中的转动环单密封改进为双密封结构，如图7所示。转动环中双密封O形圈与单密封尺寸规格保持一致，材料均为丁睛橡胶，其余油封装置中的零件均未发生变化。理论上密封效果将优于常规轴面密封效果的2倍，而且双O形圈能够提供更完整的驱动，并优化动态运行期间油封装置的稳定性。

图7 油封装置转动环密封结构改进前、后对比

4.2 运行工况分析

不同工况下双密封O形圈结构接触压应力云图如图8所示，密封圈压缩率为15%，模拟恶劣运行工况两转动环凹槽油压分别为p1，p2。

装配过程工况下，无油压作用，两个O形圈变形基本一致，上下主面承受压接触压力，最大应力为0.61 MPa，均大于外荷载油压，侧面接触应力则非常小；油液首先作用于左端O形圈，施加荷载p1,当此出现密封不严问题时，油液流向右端O形圈，考虑了多个可能性来模拟实际过程,p2对第一道(左侧)密封圈的作用力是很小的。假设工况为油压p1分别为0.25， 0.4 MPa,而p2相应地衰减到0.2， 0.1 MPa作业时，不难发现，随着油介质压力的不断增大，左侧凹槽内O形圈侧面应力增大，逐渐成为主接触应力，接触宽度变长，密封圈有被挤入转动环与轴之间间隙的趋势，右侧凹槽内O形圈变化趋势基本与左侧一致，接触应力超过了介质压力，起到自密封的效果，双O形圈结构大大增强了密封性能的可靠性。

图8 不同工况下双密封O形圈接触压应力分布

从图9不同工况下O形圈Von-Mises分布可知，最大应力随着油压的增大而增大， 发生在左侧凹槽底部接触面上；两槽内由于荷载的不同，应力也相应有所不同，均小于密封圈材料的许用应力，如长期作业于过大的工作压力会对O形圈使用寿命不利，而油封装置中的双密封结构提供了 “双保险”，延长了装置的适用寿命。

图9 不同工况下双密封O形圈Von-Mises应力分布

4.3 实物模型及试验

图10为1000 MW超超临界100%容量锅炉给水泵油封装置实物，采用了改进后的双密封结构，装配过程中每个零件表面清洗干净，不得有杂质或毛刺，各配合面涂上透平油，将有油封装置安装于给水泵传动端、自由端两侧，共3套进行性能试验如图11所示，测试不同工况下油封装置的密封性能。

图10 1000 MW全容量给水泵油封装置实物图

图11 1000 MW全容量给水泵试验装置

通过工厂热态联机试验，1000 MW等级100%容量锅炉给水泵从小流量工况到大流量工况，自由端、传动端油封装置均未发现漏油现象；芯包解体检查油封装置零件未擦痕，转动环凹槽内的O形圈完好无损。给水泵油封装置用双O形密封圈结构简单，安装、拆卸便捷，有效地提高了给水泵的运行安全系数，减小了日常维修量， 确保电厂生产安全和稳定，具有一定的经济效益和推广价值。

5 结论

本研究利用有限元法，建立1000 MW等级100%容量锅炉给水泵油封装置O形圈非线性接触模型，研究不同压缩率、轴向油压等因素对密封性能的影响，进而改进结构分析，最后加工成实物装配于泵中进行密封性能试验。结果表明：

(1) O形圈接触应力和Von-Mises应力随着压缩率的增大而增大，保证密封接触压力前提下，压缩率尽量小来越长使用寿命，选定压缩率为15%；

(2) 在一定的压缩率下,随着轴向油压的增加，侧面接触应力值逐渐增大，最大接触压应力始终大于油压，自密封性能良好；在荷载设计范围，O形圈无“挤出”现象；

(3) 改进后的双O形圈结构在不同工况下进行密封性能试验，密封装置无“滴、漏”现象，解体O形圈无磨损，密封性、可靠性能良好，延长了是使用寿命。