鋼質顆粒輸送裝置旋葉及端部密封結構設計

李建波

（中海油能源發展股份有限公司，北京 100027）

0 引言

固體顆粒輸送機被廣泛應用于各行各業中，用于輸送各種用途的固體顆粒。在粒子沖擊鉆井過程中，鋼質顆粒存儲在高壓粒子罐中，鋼質粒子通過輸送裝置與高壓鉆井液混合，然后經過管路輸送至鉆頭噴嘴，從噴嘴噴出高速沖擊巖石，以顯著提高硬巖破巖效率。然而，如何設計鋼質顆粒輸送裝置，將粒子罐中存儲的鋼質粒子混雜到高壓鉆井液中，目前仍然存在挑戰[1-6]。本文優化設計了輸送裝置的旋葉及端部密封結構并對關鍵部件進行強度校核，形成高壓下鋼質顆粒輸送裝置旋葉及端部密封結構的設計方案。

1 鋼質顆粒輸送裝置

鋼質顆粒輸送裝置采用葉輪旋轉刮進的方式將鋼質粒子輸送到高壓鉆井液中。電動機或液壓馬達通過傳動裝置帶動旋葉轉動，同時鋼粒在自重條件下從上部高壓儲罐落入葉輪料槽，鋼粒隨著旋葉的穩定轉動會均勻落入各個葉槽，當轉至出料口時鋼粒在自重條件下排出，實現均勻輸送粒子。鋼質顆粒輸送裝置整體結構如圖1所示，其中旋葉和端部結構是該裝置的關鍵部件。

圖1 鋼質顆粒輸送裝置結構

2 旋葉設計

旋葉和機筒是鋼質顆粒輸送機輸送粒子的執行部件，旋葉結構參數會對粒子輸送速率及效果產生影響。從加工工藝、經濟性及易損件的互換性角度出發，旋葉結構分為軸和葉輪兩部分。

2.1 軸的設計

1）軸的材料選擇及熱處理方式。

軸為輸送鋼粒的葉輪傳遞轉矩，并且承受30 MPa壓力，這對軸的強度、剛度、耐磨性等提出了較高要求。根據實際生產經驗，軸材料選定為Q235鋼。旋轉密封結構對軸的硬度及表面粗糙度有嚴格要求，對軸進行調質處理，密封面結合處噴涂硬質合金。

2）軸的結構設計。

本設備功能是在高壓環境下實現向鉆井液中均勻、穩定、可控地輸送鋼粒，考慮旋轉軸的受載情況、零配件的布置及固定方式、密封配合面質量要求、軸承類型尺寸、配合精度要求、制造和裝配工藝等因素[7]，確定軸承配合面軸徑為50 mm，利用AutoCAD軟件進行輔助設計，并用SolidWorks建立三維模型，如圖2所示。

圖2 軸三維模型

2.2 葉輪的設計

1）已知參數及條件。

輸送介質為鉆井液與粒徑1～2 mm鋼質粒子的混合物，鉆井現場鉆井液排量為25 L/s，鉆井液密度按1.25 g/cm3計算，可知粒子堆積密度為4.8 g/cm3。粒子鉆井工藝要求粒子體積濃度為1%～3%，即要求輸送機輸送能力為7.1～21.7 t/h。

2）葉輪形狀確定。

前彎弧形葉片強度大，但加工工藝復雜、難度大，單板式葉片適用于流動性較好的粉狀物料的氣力輸送，該設備輸送介質為鋼質粒子，考慮加工工藝、經濟性等因素，選擇直板式葉輪結構形式。

3）葉輪斷面形狀及厚度確定。

常見斷面形狀有矩形、鋸齒形和雙楔形3種[8]，如圖3所示。矩形斷面一定程度上增大了料槽容積，適用于物料輸送；鋸齒形斷面料槽底部后緣面的過渡圓角與傾角較大，有利于物料在料槽中的運動；雙楔形斷面是在鋸齒形斷面的基礎上優化產生的，其輸送效率比矩形螺棱斷面提高30%左右。考慮經濟性與加工工藝等因素，且在保證使用功能與輸送速率的前提下，采用矩形斷面。

圖3 螺棱斷面形狀

葉輪厚度e一般取（0.08～0.12）Ds，Ds為葉輪外徑。若葉輪厚度e太小，考慮到本設備中葉輪是在高壓環境中對鋼質粒子的輸送作業，葉輪不能滿足強度要求，所以e應取較大值，但并非e越大越好，厚度越大越會占據更多的料槽容積，降低輸送效率。所以選定葉輪厚度e為15 mm。

4）葉輪料槽深度確定。

鋼質顆粒輸送裝置的輸送能力計算公式[9]為：

式中：Q為輸送裝置輸送能力，t/h；Kt為葉輪料槽的充填系數，細粒物料為0.7～0.8，粉狀物料為0.5～0.6，輕、細粉狀物料為0.1～0.2；Vb為葉輪旋轉一周排出的幾何體積，m3/r；n為葉輪的轉速，r/min；ρ為物料密度，t/m3；Do為葉輪外徑，mm；Di為葉輪內徑，mm；h為葉輪長度，mm；m為葉輪葉片數量；H為料槽深度，mm。根據已知設計參數，確定旋葉式輸送裝置輸送能力為1.48～4.52 m3/h。鋼粒直徑為1～3 mm，Kt取0.75。為使輸送達到均勻、穩定的效果，且不超過設計轉速，選取葉輪葉片數量m為6個。將已知參數代入式（1）、式（2）、式（3），確定葉槽深度H為35 mm。

3 端部密封結構設計

端部結構由密封結構、軸承支承結構和循環冷卻結構組成。為了防止工作介質侵入軸承，提高軸承使用壽命，故密封結構置于壓力一側。循環冷卻結構設計為外置式，在不影響冷卻效果的前提下，較大程度提高了拆裝維修效率。根據密封面間是否存在間隙，分為接觸型密封和非接觸型密封[10]。在本設計中，密封的工作介質是摻混粒子的鉆井液，設計工作壓力達到30 MPa。與筒體之間的密封的配合面無相對運動，即屬于靜密封，由于軸為旋轉運動，配合面之間存在相對運動，與軸之間為動密封。

1）靜密封結構設計。

筒體之間的密封屬于高壓靜密封。根據密封可靠性、使用壽命及經濟性等因素，選擇應用廣泛、技術成熟的O形圈。O形密封圈從筒體孔端插入，密封形式類似液壓缸中活塞密封，依據筒體密封結合面內徑尺寸，選擇O形圈線徑為3.55 mm。在選擇O形圈內徑前，先進行溝槽設計，合理的溝槽形狀和尺寸可以保證O形圈裝配輕便及使用壽命長[11]。常用密封圈溝槽形狀有矩形、半圓形、燕尾形、V形、三角形等形狀，考慮到加工、應用等因素，選擇矩形溝槽。O形圈選型時，注意將O形圈內徑d1略小于溝槽內徑d3，d3（H9）=d4－2t，t為溝槽深度。已知d2=3.55 mm，求得溝槽內徑d3=172.4（h8）mm。為了增大密封的可靠性，設計了兩道靜密封。根據O形圈型號、溝槽尺寸，利用AutoCAD軟件進行密封結構設計，O形圈型號為?170×3.55 mm。

2）動密封結構設計。

動密封通常分為旋轉軸的密封和往復運動密封兩大類，按本設備的實際運動方式，該動密封為接觸型旋轉動密封。動密封結構要達到耐壓30 MPa（機筒內高壓與筒外大氣壓力壓差）要求，其作用是防止機筒內的高壓流體從旋轉軸與機筒的配合面泄漏。旋轉軸設計轉速為20～60 r/min，動密封結合面處軸徑為60 mm，可知密封面線速度為0.063～0.188 m/s。綜合工況、密封件可靠性等因素分析，選擇滑環式組合密封型式。滑環式組合密封由1個O形密封圈、1個加強聚四氟乙烯的齒形滑環和1個夾布木膠材質的擋圈3部分組成。聚四氟乙烯齒形滑環具有摩擦因數小（僅為0.02～0.04）、自潤滑、耐腐蝕、溫度范圍大（-100～+250 ℃） 等特性。O形密封圈采用GB 3452.1—1992標準系列，屬于標準件，用作靜密封時，可以實現完全密封效果。

齒形滑環由主密封唇和副密封唇組成。主密封唇在齒形滑環前端，特定的幾何形狀可產生較大的徑向力，利于理想潤滑油膜（臨界油膜厚度2.5 μm）建立，而且利于軸旋轉摩擦產生熱量的散失。副密封唇位于齒形滑環后端，具有防塵和阻隔油膜的作用。齒形滑環裝配時，唇口方向必須面對機筒內壓力腔。組合密封中的O形密封圈起提供相對于筒體和齒形滑環的靜密封作用。因具有一定的壓縮量，O形密封圈產生的徑向力可使主密封唇緊抱在密封面上，從而達到動密封的效果。O形密封圈受齒形滑環側邊約束，故耐高壓，且介質壓力越大，密封抱緊力就會越大，密封性能就會越好。

O形密封圈起提供相對于筒體和齒形滑環的靜密封作用。O形密封圈具有一定的壓縮量，在安裝時被壓縮，產生預壓縮應力達到密封作用。當O形密封圈應用到旋轉動密封中時，要達到密封作用，就要保證其最大壓縮應力p大于工作介質壓力。由經驗公式（4）計算O形圈壓縮應力[12]。

式中：p為O形密封圈最大壓縮應力，MPa；d為O形密封圈的線徑，d=5.30 mm；D為O形密封圈的平均直徑，D=65.3 mm；E為O形密封圈材料的彈性模量，本設備中所用O形密封圈為通用標準件，材料為丁腈橡膠（材料編號N7096AA），其彈性模量E=710 MPa；x為O形圈的截面壓縮量，x=0.55 mm；b為O形圈的密封接觸寬度，可近似計算為b=2.4x=1.32 mm。

將上述數據代入式（4）中，可得p=59.64 MPa，遠大于設計壓力30 MPa，故可起到密封作用。

密封結構設計要滿足運行壽命和方便拆裝要求。為了保證齒形滑環式組合密封的使用壽命，當旋轉軸直徑小于70 mm時，一般采用開式溝槽，故在本設備中專門設計了密封盒結構，并且串聯成組使用，以增大密封性能的安全系數。為了避免鉆井液中的異物或破碎的粒子對組合密封件的損害，在密封盒結構前部設置了一道擋塵圈。同時，為了減小旋轉軸徑向振動對密封盒結構造成的不利影響，在密封盒結構上設置了一道導向帶溝槽。組合密封件長時間工作會產生大量熱量，會嚴重影響密封的效果，為了及時將旋轉密封處因摩擦產生的熱量及時導出，專門設計了循環冷卻結構，很大程度上改善了組合密封的工作條件，提高了密封件使用壽命。為了保證密封盒結構裝配便利，在密封盒結構端面上設置了專用拆卸結構。綜上所述，利用AutoCAD軟件進行密封結構設計，如圖4所示。

圖4 旋轉密封結構

3 結論

1）鋼質顆粒注入裝置采用旋葉旋轉刮進的方式將鋼質粒子輸送至高壓鉆井液中，旋葉分軸和葉輪兩部分。

2）軸材料選定為Q235鋼，對軸進行調質處理，密封面結合處噴涂硬質合金，軸承配合面軸徑為50 mm。

3）葉輪形狀選擇直板式葉輪結構形式，葉輪斷面形狀采用矩形斷面，葉輪厚度e為15 mm，葉輪葉片數量m為6個，葉槽深度H為35 mm。

4）筒體之間的密封屬于高壓靜密封，O形圈線徑為3.55 mm，溝槽內徑d3=172.4 mm，O形圈型號為?170×3.55 mm。

5）動密封結構選擇滑環式組合密封型式，由O形密封圈、加強聚四氟乙烯的齒形滑環和夾布木膠材質的擋圈3部分組成；循環冷卻結構，改善了組合密封工作條件，密封盒結構端面上設置專用拆卸結構。