超臨界CO2連續萃取裝置不同密封結構性能比較

徐 揚 吳俊飛 王威強,2

(1.青島科技大學機電工程學院 山東青島 266100；2.山東大學機械工程學院 山東濟南 250061)

超臨界CO2連續萃取技術克服了間歇式萃取技術效率低下、能耗高、安全隱患大的缺點，極大地促進了超臨界CO2萃取技術向高效節能、安全可靠的方向發展[1]。但該技術也對動密封提出了較高要求，一方面，雖然密封件承壓下兩側壓差為8 MPa，但設備工作時最大內壓可達32 MPa，需要密封結構具有較好的承壓能力；另一方面，被萃取物多為粉體物料，在高壓環境下帶壓粉體對密封件有較大磨損，需要密封件具有較強的耐磨性[2]。

目前很多學者通過有限元分析軟件對動密封的密封性能、結構優化設計進行了一系列分析。蔡智媛等[3]針對O形圈的安裝過程對操作參數和安裝結構參數進行了優化。周立臣[4]對O形圈進行了結構改進并分析了改進后4種結構密封性能。王琦等人[5]研究了短唇傾角、唇谷高2個結構參數對Y形圈靜態密封性能的影響。汝紹鋒和劉廷嬌[6]對比分析了O形和Y形圈在預壓縮過程中的密封性能，發現Y形圈更適合壓力較高的動密封工況。陳國強等[7]分析了高壓大流量水閥用U形密封圈的失效機制，確定了失效的邊界條件。但是，現有文獻大多針對O形圈，對唇形密封圈的研究相對較少，缺乏多種密封圈在同一工況下的密封性能對比。唇形密封圈依靠自密封作用具有更好的耐壓性能和密封可靠性，更適合高壓動密封。

高低唇Y形圈兼具高壓密封與阻粉能力，現代U杯形圈作為新型密封件雖理論性能良好但鮮有分析[8]。因此本文作者選擇O形、Y形與U杯形3種密封件結構，以超臨界CO2萃取裝置中的料倉密封圈為研究對象，利用ANSYS軟件對預安裝狀態下考慮壓縮率與摩擦因數影響的密封件密封性能，以及承壓狀態下密封件的應力分布與應力變化進行了分析，對比唇型密封圈與O形圈在高壓工況下的密封表現。

1 超臨界CO2連續萃取工作分析

料倉式萃取器工作狀態可分為推入狀態與承壓工作狀態，推入包括徑向壓縮與軸向推進，建立模型時用徑向壓縮量來控制壓縮率。如圖1所示，工作狀態下料倉沿筒壁向前運動，共經過5個工作段，分別為為排空段、逐級升壓段、萃取段、逐級降壓段以及抽回段。進行萃取工作時，超臨界流體通過筒壁流體進口進入筒內，萃取過程結束后經流體出口排出[9]。

圖1 料倉工作示意

料倉承壓示意如圖2所示。料倉在承壓萃取過程中需經過4級萃取壓力，密封件兩側壓力從0-8 MPa開始，保持8 MPa壓差，逐級增長至24-32 MPa。即上側介質壓力p1初始壓力為8 MPa，逐級增長到16、24和32 MPa，下側介質壓力p2初始壓力為0，逐級增長到8、16和24 MPa。

圖2 料倉承壓示意

2 有限元分析

2.1 幾何模型建立

根據有限元分析原理，結構簡化后由筒體、料倉及密封圈3部分組成，如圖3所示。其中密封圈分別采用O形、Y形與U杯形。密封腔體內徑為237 mm，溝槽深度為5.85 mm，溝槽寬度為9.5 mm，引入角為20°。密封圈材料均選擇聚氨酯橡膠，擋圈材料為聚四氟乙烯[10]。

圖3 3種密封件仿真模型

2.2 材料本構模型

聚氨酯是一種近似不可壓縮、高彈性、高度非線性的超彈性體，文中采用三參數Mooney-Rivlin模型來定義材料[11]，參數分別為C10=14.02 MPa，C01=-5.21 MPa，C11=-0.35 MPa。

對研究對象進行以下假設：

(1)密封圈具有確定的彈性模量與泊松比；

(2)筒體壁的剛度遠大于橡膠材料，視為密封圈的邊界約束；

(3)密封圈受到的軸向壓縮視為由筒體約束邊界的位移引起的；

(4)不考慮溫度變化對密封圈的影響。

2.3 邊界條件

對于帶擋圈的O形圈需建立5對接觸對，包括密封圈與料倉接觸對、密封圈與筒體接觸對、密封圈與擋圈接觸對、擋圈與料倉接觸對以及擋圈與筒體接觸對。Y形與U杯形圈則需設置3對接觸對，分別為密封圈唇部與筒體接觸對、密封圈底部與筒體接觸對和密封圈唇部與料倉接觸對。

具體加載步驟如下：

(1)整個過程對筒體施加全位移約束；

(2)通過設置料倉和筒體的間隙來控制密封圈壓縮率；

(3)對料倉施加X軸方向位移約束，Y軸正向位移為20 mm；

(4)受壓狀態下對密封圈兩側施加所需壓力。

3 推入過程中密封性能分析

3.1 等效應力分布

推入過程中3種密封件等效應力分布如圖4所示。O形圈最大等效應力為4.215 1 MPa；Y形圈最大等效應力為4.478 5 MPa，值最大；U杯形圈最大等效應力為2.165 1 MPa，值最小。O形圈最大應力的位置集中在引入角與密封圈接觸部位，這是由于在安裝過程中，O形圈受到引入角切入的軸向力與摩擦力共同作用所造成的材料堆積。Y形圈最大等效應力主要集中在唇口底部，此處為最容易損傷的部位。李騰等人[12]在進行Y形圈靜密封性能分析時也發現靜壓工作時Y形圈最大等效應力均出現在唇谷底部。汝紹鋒和劉廷嬌[6]在對比O形圈和Y形圈的密封性能時也發現Y形圈最大剪切應力發生在兩唇交匯處。U杯形圈等效應力則均勻分布在兩側，且應力分布均勻。Y形圈唇口相對較深窄，雙唇較長，而U杯形圈唇口較寬且呈梯形，增加了對雙唇的支撐能力。在推入時Y形圈唇口收縮，唇谷受到擠壓，由于支撐能力差更易松弛開裂。

圖4 推入過程中3種密封件等效應力分布云圖

3.2 影響推入過程的因素

3.2.1 預壓縮量

將各接觸對摩擦因數均設定為0.1，密封件壓縮率分別取11%、12%、13%、14%、15%，得到的最大等效應力與最大接觸應力變化如圖5所示。可見，密封件各應力均隨壓縮率的增大而增大。O形圈的最大應力變化趨勢與Y形圈相同，在壓縮率為11%～13%時最大應力呈線性增長，大于13%時應力增長較迅速，聚氨酯橡膠材料的非線性表現出來，因此不應選擇過大的壓縮率以免密封件受壓損壞[13]。U杯形圈最大應力隨壓縮率增大始終線性增長。因此，密封件的壓縮率選擇13%較為合適。

圖5 推入過程中應力隨壓縮率變化

3.2.2 摩擦因數

料倉的行進速度較慢，筒體內壁的粗糙度對密封性能有較大影響。取密封件預安裝壓縮率為13%，摩擦因數分別取0.05、0.1、0.15、0.2、0.25，得到的應力隨摩擦因數的變化如圖6所示。可見，摩擦因數的增大對O形圈有較大影響，在摩擦因數為0.20時最大應力發生較大波動；Y形圈與U杯形圈的最大接觸應力隨摩擦因數增大而線性增大，最大等效應力幾乎不受摩擦因數的影響。因此，在滿足預安裝條件的同時為了避免過大摩擦力造成磨損，摩擦因數選擇0.1。

圖6 推入過程中應力隨摩擦因數變化

在推入過程中，O形圈接觸應力最大，有較好的預緊密封性能，但受引入角影響，應避免選用過大的壓縮率與摩擦因數使O形圈發生磨損和變形。Y形圈等效應力最大且集中在唇口底部，此部位更容易老化發生破壞。U杯形圈各應力線性增大，在安裝過程中具有較好的密封可靠性。

4 承壓工作狀態密封性能分析

經過預安裝模擬分析選擇密封件壓縮率為13%，密封圈與料倉和筒體的摩擦因數均為0.1。

4.1 應力分布

圖7展示了不同密封件在兩側介質壓力為16-24 MPa下與主、副密封面之間的接觸壓力分布，各密封件最大接觸應力均大于此時的最大內壓24 MPa，滿足密封條件。O形圈接觸應力最小，最大接觸應力分布在副密封面，密封性能較弱。Y形與U杯形圈最大接觸應力均集中在主密封面，有較大的接觸應力，說明唇型密封件在較高介質壓力下密封性能優于O形圈。Y形圈唇口受壓后擠壓兩側雙唇，使唇部與密封面之配合更緊密，與密封面之間的接觸應力與接觸長度最大，擁有更強的密封性能[14]。

圖7 承壓工作狀態下3種密封件接觸應力分布云圖

圖8給出了兩側介質壓力在24-32 MPa下不同密封件的剪切應力分布。增加擋圈后避免了O形圈的間隙擠出，其最大剪切應力主要分布在密封圈與擋圈接觸部位，此處剪切應力較大且應力集中現象明顯，極易造成剪切破壞[15]。Y形圈的剪切應力最大，最大應力集中部位為低唇唇底。王召巖等[16]在進行等高唇Y形圈受壓分析時發現位于主密封面的唇口更易受到剪切破壞，而文中選用的高低唇Y形圈中低唇口為主要密封區域，集中部位是由低唇承壓時擠壓密封件底部造成的。U杯形圈剪切應力最小，最大應力位于底部右側與密封溝槽接觸處，這是密封間隙擠出造成的。

圖8 承壓工作狀態下3種密封件剪切應力分布云圖

4.2 應力變化趨勢

如圖9所示為承壓工作狀態下應力隨兩側介質壓力變化。

圖9 承壓狀態下3種密封件應力隨兩側介質壓力變化

由圖9可以看出，兩側介質壓力的增大對密封件摩擦應力影響較小。O形圈最大剪切應力在兩側介質壓力為8-16 MPa時突然驟增，并最終大于最大接觸壓力。增加擋圈雖然緩解了O形圈的扭轉現象，但簡單的環形截面使其在較高工作壓力下并不穩定。Y形圈在兩側介質壓力為24—32 MPa下接觸壓力最大，具有最好的密封性能，但此時剪切應力也最大，低唇底部是最容易發生剪切破壞的部位。U杯形圈最大應力增長趨勢無較大波動，始終保持接觸應力大于剪切應力，密封性能表現最穩定。在高壓動密封工況下，3種密封結構最大接觸應力力均大于此時最大內壓，滿足密封要求，可有效實現密封，唇形密封件的綜合表現優于O形圈。

5 結論

以超臨界CO2萃取裝置中的料倉密封圈為研究對象，利用ANSYS軟件研究預安裝狀態下考慮壓縮率與摩擦因數影響時O形、Y形與U杯形3種密封結構的密封性能，以及承壓狀態下密封件的應力分布與應力變化，對比高壓工況下的密封表現。主要結論如下：

(1)在推入過程中，O形與Y形圈等效應力會出現集中現象，U杯形圈的等效應力最小且應力分布均勻。

(2)隨著壓縮量與摩擦因數的增大密封件各應力也隨之增大，O形與Y形圈壓力變化會發生波動，而U杯形圈保持線性增長，具有較好的密封可靠性。最終結構參數確定為：密封件壓縮率選擇13%，摩擦因數選擇0.1。

(3)承壓工作狀態下，3種密封件均滿足密封要求，唇形密封件密封性能優于O形圈。

(4)綜合分析發現，O形圈擁有較好的預緊密封性能，Y形圈在高壓工況下密封性能最優異，但低唇底部容易發生剪切破壞，影響其使用壽命，U杯形圈密封性能表現最穩定可靠。