3.6　隔離套的設(shè)計與計算

在磁力耦合傳動器中，隔離套位于內(nèi)、外磁轉(zhuǎn)子之間，高壓介質(zhì)的密封完全由隔離套承擔，因此，設(shè)計時應(yīng)滿足以下兩點要求，一是承受壓力時其變形量不宜超過設(shè)計的要求，二是要盡可能減少金屬隔離套在交變磁場作用下產(chǎn)生的渦流損失以提高磁力傳動的工作效率。

3.6.1　隔離套的結(jié)構(gòu)形式

隔離套的結(jié)構(gòu)是根據(jù)裝置的介質(zhì)狀態(tài)、壓力狀態(tài)及磁力耦合傳動器的結(jié)構(gòu)形式、磁場間隙的大小等進行設(shè)計的。隔離套的結(jié)構(gòu)形式較多，但歸納起來進行分類，其結(jié)構(gòu)形式原則上可分為三種，如圖3-22所示。圖中，（a）為平底式隔離套；（b）為軸承座式隔離套，分為內(nèi)凸和外凸兩種結(jié)構(gòu)；（c）為底部呈蘑菇形狀的隔離套。還有底部為外凸球形或可拆卸等多種結(jié)構(gòu)形式。

從圖3-22中可以看出，隔離套結(jié)構(gòu)主要由法蘭、薄壁筒和底板（有時帶有軸承座）三部分組成。從實用的性質(zhì)看，隔離套屬于液體在套內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)的小型壓力容器類產(chǎn)品；工作的筒壁位于交變磁場中，受交變磁場的渦流影響產(chǎn)生熱量；產(chǎn)品具有復(fù)雜的技術(shù)要求和特殊的性能。因此，在設(shè)計中應(yīng)給予足夠的重視。

3.6.2　隔離套材料的選擇

（1）對選用材料的要求

隔離套是應(yīng)用在磁力耦合傳動裝置中的密封件，在交變磁場中工作，一般承受內(nèi)壓力。隔離套中裝有內(nèi)磁轉(zhuǎn)子，空隙及空腔中裝滿系統(tǒng)傳輸?shù)墓ぷ鹘橘|(zhì)（并流動）。內(nèi)磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，由于內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)攪拌，空隙和空腔中的液體隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度而流動，此時，隔離套不但承受內(nèi)壓力，還要受到一定速度的液體的沖擊和沖刷，因此，在選擇材料時應(yīng)注意一些特殊的技術(shù)問題。

①非導(dǎo)磁性材料。在交變磁場中工作、不隔磁、磁損失小。

②注意材料的強度和韌性。因為在磁場間隙中工作，受磁場間隙的制約和磁場的影響，壁厚要求以薄為好。從理論上講，壁薄且耐壓高最佳，選擇材料時，應(yīng)在注意材料強度的同時兼顧材料的韌性。

③抗沖擊、耐沖刷和腐蝕。由于隔離套內(nèi)的內(nèi)磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的作用，液體具有一定的線速度，從而產(chǎn)生圓周力和切線力，對隔離套內(nèi)表面進行沖刷和沖擊，加速材料的摩擦、磨損和性能衰減。同時，在液體運動的過程中，還會出現(xiàn)其他一些如電化學(xué)腐蝕、晶間腐蝕、氧化腐蝕等腐蝕問題。所以，在材料選擇中應(yīng)注意材料的耐摩擦、抗沖擊和腐蝕等問題。

（2）隔離套材料的選擇

隔離套的常用材料有金屬和非金屬兩大類。

①金屬材料。不銹鋼具有工藝性好、適用介質(zhì)范圍廣等優(yōu)點，是使用最廣泛的金屬材料。常用的金屬材料還有316L、316不銹鋼，哈氏合金C、C276合金、鈦合金、718鉻鎳鐵合金等。幾種常用金屬材料的承壓能力如表3-5所示。金屬材料工藝性能好、強度高、壁厚小，但其局限性在于不能適用于強腐蝕性介質(zhì)，運行工作時存在渦流損失等問題。

②非金屬材料。常用非金屬材料有陶瓷和各種合成材料。陶瓷不僅可以完全消除渦流損失，還可以適用于幾乎所有的腐蝕性介質(zhì)和高溫、高磨損場合。某些化學(xué)介質(zhì)受熱時會產(chǎn)生聚合、結(jié)晶等變化，陶瓷密封套尤其適合于這些介質(zhì)的輸送。氧化鋯（ZrO2）是最常用的陶瓷材料。陶瓷材料的工藝性較差，由于受強度限制，壁厚較大，經(jīng)有限元優(yōu)化設(shè)計，2.5MPa壓力的陶瓷隔離套最小的壁厚為4mm。其他非金屬材料如塑料、碳素纖維等也開始用于不同用途的磁力耦合傳動泵中，其中，塑料的應(yīng)用最為廣泛。常用的工程塑料有聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯以及玻璃鋼增強纖維、高分子材料等。塑料價格低廉、工藝性好、無渦流損失，但不耐高溫，對輸送介質(zhì)有選擇性、強度低、壁厚大。

3.6.3　隔離套設(shè)計中特殊性問題的處理

掌握了隔離套的用途、技術(shù)要求以及技術(shù)條件，除一般常規(guī)性設(shè)計外，還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計中的特殊性問題。

（1）薄弱環(huán)節(jié)的處理

隔離套是薄壁型容器構(gòu)件，在完成結(jié)構(gòu)設(shè)計后，校核計算找出結(jié)構(gòu)中的最薄弱環(huán)節(jié)，分析具體情況，采取不同方式進行必要的處理，確保結(jié)構(gòu)的可靠性是必要的。上述介紹的三種結(jié)構(gòu)形式的隔離套，其薄弱環(huán)節(jié)均在筒壁與法蘭和底部隔板連接的筒壁端面處，如圖3-22（c）中A點剖視所示。處理的方法是調(diào)節(jié)相關(guān)尺寸，盡可能加大圓角R以增加結(jié)構(gòu)強度，如圖3-23所示。

（2）反扣封頭

隔離套底部如果按平板設(shè)計壁厚，其壁厚值很大，不但增加了泵的重量，也浪費了材料。由于隔離套在結(jié)構(gòu)設(shè)計上既要求足夠的強度，還要求壁薄，在設(shè)計思路上不能采取常規(guī)式的設(shè)計方法。因此，經(jīng)過設(shè)計、實驗的經(jīng)驗分析和對比，采用如圖3-24所示反扣封頭（壓力容器封頭）的方法，既增加了機械強度，又大大地減少了底部厚度。從圖中可以看出，隔離套底部分為A、B、C三個部分，這三個部分可分別視為兩個封頭的組合。圖中ΔQ箭頭表示流動介質(zhì)的流動方向。

（3）隔離套內(nèi)表面熱量的流線型考慮

金屬隔離套在交變磁場中工作，隔離套壁厚中所產(chǎn)生磁渦流熱使套壁的溫度急劇上升，嚴重時熱量會導(dǎo)致磁轉(zhuǎn)子退磁使設(shè)備不能正常運行。因此，設(shè)計隔離套時，一方面盡可能減少壁厚借以減小磁渦流熱的產(chǎn)生，另一方面應(yīng)考慮散熱問題，通常采用的方法是液體對流散熱，使隔離套內(nèi)表面液體流動，將產(chǎn)生的熱量由流動的液體帶走。

所以，隔離套內(nèi)表面要求光潔度高、液體流動性好；在各彎道處圓滑過渡，盡量減少流動介質(zhì)的阻力。如圖3-24箭頭所示，使隔離套內(nèi)壁形成理想的流線型結(jié)構(gòu)，保證液體暢通。

（4）防止汽蝕

實際工作中，隔離套內(nèi)液體流動的線型是螺旋線，其流速是流體的軸向速度和隨內(nèi)磁轉(zhuǎn)子作圓周運動的速度的疊加。流體的軸向速度高時，其疊加的線速度高于內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的線速度；軸向流速低時，液體的線速度接近于內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的線速度。

內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的線速度vcn表示為

vcn=πDcn（m/s）　　 （3-13）

式中　Dc——內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的外直徑，m；

n——內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，r/min。

流體在隔離套內(nèi)高速運動時，由于吸收隔離套上產(chǎn)生的磁渦流熱和摩擦及碰撞發(fā)熱，液體的溫度升高快，加速了液體汽化，液體在隔離套與內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的間隙中邊汽化邊螺旋流動，當穿過間隙到達隔離套底部時形成了螺旋運動的汽液混合物。隔離套內(nèi)表面處壓力提高，軸線中心處壓力低，螺旋形的汽液形成了壓力梯度，在這種情況下，由于軸線中心處壓力低，液體的溫度沒有發(fā)生變化，液體的汽化速度加快，導(dǎo)致出現(xiàn)真空狀態(tài)，產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，汽蝕嚴重時，隔離套底部中心易被穿孔。

磁力耦合傳動泵隔離套內(nèi)的汽蝕問題解決不好會影響泵的正常運行，產(chǎn)生汽蝕，特別是輸送易汽化的介質(zhì)時更應(yīng)注意。因此，防止汽蝕是設(shè)計和使用中應(yīng)注意的一個重要技術(shù)問題，故隔離套和冷卻系統(tǒng)在設(shè)計時應(yīng)采取一系列措施。

①設(shè)計必要的導(dǎo)流槽，使隔離套內(nèi)特別是在套底部具有一定的壓力，其壓力值為pD。

Δp=p1-p2　　 （3-14）

式中　Δp——泵出入口壓力差，MPa；

p2——泵出口壓力，MPa；

p1——泵入口壓力，MPa。

②流體要有一定的流動性，其流量的大小根據(jù)散熱量的多少來確定。

③內(nèi)磁轉(zhuǎn)子與隔離套之間的工作間隙的大小要合適，除一些特殊情況外，其工作間隙的截面積應(yīng)是導(dǎo)流孔截面積的7倍以上。

④減小內(nèi)磁轉(zhuǎn)子及隔離套的表面粗糙度和提高圓弧倒角等工藝性的技術(shù)要求。

以上介紹了一些防止汽蝕的措施，但在液體和一些特殊環(huán)境中工作，有時不能有效控制汽蝕的發(fā)生，因此，在隔離套的結(jié)構(gòu)設(shè)計上還應(yīng)采取措施。如圖3-22（c）所示，將隔離套底部設(shè)計為凸起的蘑菇形結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)形式經(jīng)試驗分析證明具有良好的抗汽蝕作用。具體結(jié)構(gòu)的尺寸是由內(nèi)磁轉(zhuǎn)子和隔離套端部的相關(guān)尺寸、外形結(jié)構(gòu)和幾何空間尺寸確定后，再根據(jù)實際狀態(tài)進行設(shè)計確定的。一般來說，蘑菇形外形型線尺寸與內(nèi)磁轉(zhuǎn)子外形型線間的間隙尺寸要大于內(nèi)磁轉(zhuǎn)子與隔離套之間的間隙尺寸。

3.6.4　隔離套的設(shè)計計算

（1）法蘭壁厚與強度計算

法蘭壁厚δF計算參照公式

　　 （3-15）

式中　DF——法蘭內(nèi)徑，mm；

K——平板系數(shù)，一般選0.3；

p——軸向載荷，MPa；

?——焊接系數(shù)；

［σb］——許用應(yīng)力，MPa；

σb——強度極限，MPa；

nb——安全系數(shù)。

（2）螺栓強度計算

①螺栓軸向受力計算。螺栓受力與軸線平行；由于螺栓均布，各螺栓受力均相等。

　　 （3-16）

式中　p——軸向總載荷，MPa；

Z——螺桿數(shù)量；

F——單個螺桿受力，MPa。

②螺栓最小直徑d1

　　 （3-17）

式中　QP——剩余預(yù)緊力，MPa；

［σ］——螺栓材料的許用應(yīng)力，MPa。

　　 （3-18）

式中　σs——材料的屈服極限，MPa；

ns——安全系數(shù)。

（3）預(yù)緊力QP

QP=Q'P+KcF（MPa）　　 （3-19）

式中　Q'P——剩余預(yù)緊力；

Kc——相對剛度系數(shù)，Kc=；

F——螺栓軸向受力，MPa。

由于剩余預(yù)緊力

式中，Kc=1-K'c=

通常，QP=K0F

式中，K0為預(yù)緊系數(shù)，通常K0在0.2～1.8之間。

Q'P=K0F-K'cF

Q'P分三種狀態(tài)分析計算：

①緊密性連接如汽缸、壓力容器等，Q'P=（1.5～1.8）F；

②工作載荷有變化的連接，Q'P=（0.6～1）F；

③工作載荷無變化的一般性連接，Q'P=（0.2～0.6）F。

（4）螺栓總拉力Q

　　 （3-20）

（5）螺栓的其他強度條件

螺栓的剪切強度條件

　　 （3-21）

螺栓與孔壁的擠壓強度條件

　　 （3-22）

式中　Fs——剪切力，MPa；

d1——螺栓直徑，mm；

Lmin——螺栓被擠壓面的最小長度，一般選Lmin≥1.5d1；

［τ］——材料的許用剪應(yīng)力，MPa；

［σp］——材料的許用擠壓應(yīng)力，MPa。

（6）隔離套壁厚的計算

①壁厚定義　壁厚度定義為：K<1.1或K>1.1，當K值小于1.1為薄壁容筒；當K值大于1.1為非薄壁容筒。

　　 （3-23）

式中　Dw——容筒外徑，mm；

Dn——容筒內(nèi)徑，mm。

②筒壁厚計算　筒壁厚δt為：

　　 （3-24）

③隔離套底板厚的計算　底板厚δD為：

　　 （3-25）

3.6.5　隔離套變形設(shè)計計算

隔離套因受壓引發(fā)變形時，會引起隔離套位置以及內(nèi)外間隙的變化，設(shè)計中，壓力小時的變形不必考慮；壓力大時，變形量較大，應(yīng)對變形量進行計算，以保證此變形不影響隔離套的正常工作。

一般，在設(shè)計中軸向尺寸留有較大空間，軸向變形量不計算，只計算徑向變形量。

　　 （3-26）

式中　ΔS——隔離套的徑向位移，mm；

R1——隔離套的內(nèi)徑，mm；

S——隔離套的壁厚，mm；

p——設(shè)計壓力，MPa；

E——彈性模量，MPa；

μ——泊松比。

3.6.6　壓力試驗

徑向變形量滿足設(shè)計要求，應(yīng)進行水壓試驗，而且試驗保壓時間大于10min時不得有滲水、冒汗等現(xiàn)象發(fā)生，并測量其變形以保證隔離套能可靠工作。對有加強筋的隔離套，進行計算時，應(yīng)考慮加強筋的作用。滿足水壓試驗要求的條件是：

　　 （3-27）

式中　p1——水壓試驗壓力，MPa；

σ1——水壓試驗時隔離套的周向應(yīng)力，MPa；

［σ］1——設(shè)計溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa。

隔離套在試壓過程中允許徑向、軸向及端部有一定的變形量，當壓力減為零時，允許有塑性變形量，其變形量應(yīng)符合表3-6要求。

壓力試驗的方法按壓力容器的有關(guān)規(guī)定和要求進行，其試驗方法如圖3-25所示。

3.6.7　隔離套結(jié)構(gòu)及材料的最新進展

隨著工業(yè)發(fā)展，磁力耦合傳動泵在技術(shù)上的要求更為嚴格，為了保證石化強腐蝕及核工業(yè)等有毒和危險介質(zhì)在輸送過程中的絕對安全和可靠，雙密封隔離套結(jié)構(gòu)得到了很快的發(fā)展。由于雙密封隔離套結(jié)構(gòu)具有內(nèi)、外兩層隔離套，二者均能單獨承受系統(tǒng)壓力，當其中之一發(fā)生破壞時，系統(tǒng)不會發(fā)生泄漏，這時可通過其監(jiān)控裝置取得失效信號，及時停機檢查和維修。

①金屬雙密封隔離套　金屬雙密封隔離套結(jié)構(gòu)具有強度高、壁厚薄、體積小、工藝性能好等優(yōu)點，其弱點是內(nèi)、外密封隔離套內(nèi)部存在渦流，而內(nèi)循環(huán)冷卻系統(tǒng)只能冷卻內(nèi)層隔離套，外層隔離套必須設(shè)置單獨的外層冷卻系統(tǒng)，這就增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且也不經(jīng)濟，一般很少采用。

②碳素纖維-陶瓷雙密封隔離套　如圖3-26所示，采用碳素纖維內(nèi)密封和陶瓷外密封相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。由于碳也是導(dǎo)體，放碳素纖維的密封套內(nèi)會產(chǎn)生一些渦流，但通過調(diào)整纖維的纏繞角度，可使其渦流減小到可以忽略的程度，陶瓷中完全無渦流，因此，內(nèi)、外套均無須冷卻。

碳素纖維的耐熱有限，不能用于高溫環(huán)境。此外，碳素纖維材料的任何損傷都會破壞其纖維網(wǎng)絡(luò)，從而降低整體強度，同時，碳素纖維材料的抗化學(xué)腐蝕能力很弱。其他合成材料同樣也存在類似問題。

③塑料-金屬雙層密封隔離套　這種隔離套在結(jié)構(gòu)上與圖3-26基本相似，只是將隔離套材質(zhì)采用塑料熱成型材料所代替，其渦流熱損失幾乎為零，抗腐蝕能力很強，成型工藝性好，成本低。但因塑料件嚴格限制使用溫度范圍且工作壓力低，為了使其提高耐壓性能和工作性能的穩(wěn)定性，可在塑料套外加上一層薄壁的金屬外殼或金屬網(wǎng)狀外殼，使得應(yīng)用效果更佳。

④金屬-陶瓷雙密封隔離套　如圖3-26所示，該結(jié)構(gòu)采用金屬（常用哈氏合金C）內(nèi)密封隔離套和陶瓷外密封套。金屬內(nèi)密封套中的渦流損失所產(chǎn)生的熱量由內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)冷卻，外密封套中沒有渦流，不需冷卻。這兩種材料均具有較好的強度和耐腐蝕性并可在高溫下運行。內(nèi) 、外密封套經(jīng)過各種不同材料組合的運行試驗表明，該結(jié)構(gòu)具有較大優(yōu)勢，適用性較強。

⑤監(jiān)控裝置　當雙密封隔離套其中之一失效時，系統(tǒng)可靠性大為降低，應(yīng)立即停機檢修。監(jiān)控裝置的功能就是及時地將失效信息反饋給操作者。如圖3-26所示，在內(nèi)、外隔離套之間有一密閉空隙，其內(nèi)的壓力變化可通過傳感器反饋儀表顯示出來。 當內(nèi)隔離套失效時，由于容器內(nèi)液體的泄出，空隙中處于正壓狀態(tài)；當外隔離套失效時，空隙中的壓力則為大氣壓。在兩種情況下，監(jiān)控裝置均自動發(fā)出警報。

雙密封隔離套的應(yīng)用極大地提高了磁力耦合傳動泵的運行可靠性，但是其內(nèi)、外磁環(huán)間的間隙卻明顯增大了，使得磁力耦合傳動效率受到影響，因此，傳遞相同扭矩時所需的體積和磁場強度均大于單密封隔離套結(jié)構(gòu)。表3-7所列為不同隔離套的試驗數(shù)據(jù)。

隨著磁力耦合傳動泵在石化、核工業(yè)及其他有毒、危險領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，雙隔離套技術(shù)將不斷地得到發(fā)展和完善。