3.6　隔离套的设计与计算

在磁力耦合传动器中，隔离套位于内、外磁转子之间，高压介质的密封完全由隔离套承担，因此，设计时应满足以下两点要求，一是承受压力时其变形量不宜超过设计的要求，二是要尽可能减少金属隔离套在交变磁场作用下产生的涡流损失以提高磁力传动的工作效率。

3.6.1　隔离套的结构形式

隔离套的结构是根据装置的介质状态、压力状态及磁力耦合传动器的结构形式、磁场间隙的大小等进行设计的。隔离套的结构形式较多，但归纳起来进行分类，其结构形式原则上可分为三种，如图3-22所示。图中，（a）为平底式隔离套；（b）为轴承座式隔离套，分为内凸和外凸两种结构；（c）为底部呈蘑菇形状的隔离套。还有底部为外凸球形或可拆卸等多种结构形式。

从图3-22中可以看出，隔离套结构主要由法兰、薄壁筒和底板（有时带有轴承座）三部分组成。从实用的性质看，隔离套属于液体在套内高速旋转的小型压力容器类产品；工作的筒壁位于交变磁场中，受交变磁场的涡流影响产生热量；产品具有复杂的技术要求和特殊的性能。因此，在设计中应给予足够的重视。

3.6.2　隔离套材料的选择

（1）对选用材料的要求

隔离套是应用在磁力耦合传动装置中的密封件，在交变磁场中工作，一般承受内压力。隔离套中装有内磁转子，空隙及空腔中装满系统传输的工作介质（并流动）。内磁转子旋转时，由于内磁转子的旋转搅拌，空隙和空腔中的液体随着转子的旋转速度而流动，此时，隔离套不但承受内压力，还要受到一定速度的液体的冲击和冲刷，因此，在选择材料时应注意一些特殊的技术问题。

①非导磁性材料。在交变磁场中工作、不隔磁、磁损失小。

②注意材料的强度和韧性。因为在磁场间隙中工作，受磁场间隙的制约和磁场的影响，壁厚要求以薄为好。从理论上讲，壁薄且耐压高最佳，选择材料时，应在注意材料强度的同时兼顾材料的韧性。

③抗冲击、耐冲刷和腐蚀。由于隔离套内的内磁转子旋转的作用，液体具有一定的线速度，从而产生圆周力和切线力，对隔离套内表面进行冲刷和冲击，加速材料的摩擦、磨损和性能衰减。同时，在液体运动的过程中，还会出现其他一些如电化学腐蚀、晶间腐蚀、氧化腐蚀等腐蚀问题。所以，在材料选择中应注意材料的耐摩擦、抗冲击和腐蚀等问题。

（2）隔离套材料的选择

隔离套的常用材料有金属和非金属两大类。

①金属材料。不锈钢具有工艺性好、适用介质范围广等优点，是使用最广泛的金属材料。常用的金属材料还有316L、316不锈钢，哈氏合金C、C276合金、钛合金、718铬镍铁合金等。几种常用金属材料的承压能力如表3-5所示。金属材料工艺性能好、强度高、壁厚小，但其局限性在于不能适用于强腐蚀性介质，运行工作时存在涡流损失等问题。

②非金属材料。常用非金属材料有陶瓷和各种合成材料。陶瓷不仅可以完全消除涡流损失，还可以适用于几乎所有的腐蚀性介质和高温、高磨损场合。某些化学介质受热时会产生聚合、结晶等变化，陶瓷密封套尤其适合于这些介质的输送。氧化锆（ZrO2）是最常用的陶瓷材料。陶瓷材料的工艺性较差，由于受强度限制，壁厚较大，经有限元优化设计，2.5MPa压力的陶瓷隔离套最小的壁厚为4mm。其他非金属材料如塑料、碳素纤维等也开始用于不同用途的磁力耦合传动泵中，其中，塑料的应用最为广泛。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钢增强纤维、高分子材料等。塑料价格低廉、工艺性好、无涡流损失，但不耐高温，对输送介质有选择性、强度低、壁厚大。

3.6.3　隔离套设计中特殊性问题的处理

掌握了隔离套的用途、技术要求以及技术条件，除一般常规性设计外，还应考虑结构设计中的特殊性问题。

（1）薄弱环节的处理

隔离套是薄壁型容器构件，在完成结构设计后，校核计算找出结构中的最薄弱环节，分析具体情况，采取不同方式进行必要的处理，确保结构的可靠性是必要的。上述介绍的三种结构形式的隔离套，其薄弱环节均在筒壁与法兰和底部隔板连接的筒壁端面处，如图3-22（c）中A点剖视所示。处理的方法是调节相关尺寸，尽可能加大圆角R以增加结构强度，如图3-23所示。

（2）反扣封头

隔离套底部如果按平板设计壁厚，其壁厚值很大，不但增加了泵的重量，也浪费了材料。由于隔离套在结构设计上既要求足够的强度，还要求壁薄，在设计思路上不能采取常规式的设计方法。因此，经过设计、实验的经验分析和对比，采用如图3-24所示反扣封头（压力容器封头）的方法，既增加了机械强度，又大大地减少了底部厚度。从图中可以看出，隔离套底部分为A、B、C三个部分，这三个部分可分别视为两个封头的组合。图中ΔQ箭头表示流动介质的流动方向。

（3）隔离套内表面热量的流线型考虑

金属隔离套在交变磁场中工作，隔离套壁厚中所产生磁涡流热使套壁的温度急剧上升，严重时热量会导致磁转子退磁使设备不能正常运行。因此，设计隔离套时，一方面尽可能减少壁厚借以减小磁涡流热的产生，另一方面应考虑散热问题，通常采用的方法是液体对流散热，使隔离套内表面液体流动，将产生的热量由流动的液体带走。

所以，隔离套内表面要求光洁度高、液体流动性好；在各弯道处圆滑过渡，尽量减少流动介质的阻力。如图3-24箭头所示，使隔离套内壁形成理想的流线型结构，保证液体畅通。

（4）防止汽蚀

实际工作中，隔离套内液体流动的线型是螺旋线，其流速是流体的轴向速度和随内磁转子作圆周运动的速度的叠加。流体的轴向速度高时，其叠加的线速度高于内磁转子的线速度；轴向流速低时，液体的线速度接近于内磁转子的线速度。

内磁转子的线速度vcn表示为

vcn=πDcn（m/s）　　 （3-13）

式中　Dc——内磁转子的外直径，m；

n——内磁转子的转速，r/min。

流体在隔离套内高速运动时，由于吸收隔离套上产生的磁涡流热和摩擦及碰撞发热，液体的温度升高快，加速了液体汽化，液体在隔离套与内磁转子的间隙中边汽化边螺旋流动，当穿过间隙到达隔离套底部时形成了螺旋运动的汽液混合物。隔离套内表面处压力提高，轴线中心处压力低，螺旋形的汽液形成了压力梯度，在这种情况下，由于轴线中心处压力低，液体的温度没有发生变化，液体的汽化速度加快，导致出现真空状态，产生汽蚀现象，汽蚀严重时，隔离套底部中心易被穿孔。

磁力耦合传动泵隔离套内的汽蚀问题解决不好会影响泵的正常运行，产生汽蚀，特别是输送易汽化的介质时更应注意。因此，防止汽蚀是设计和使用中应注意的一个重要技术问题，故隔离套和冷却系统在设计时应采取一系列措施。

①设计必要的导流槽，使隔离套内特别是在套底部具有一定的压力，其压力值为pD。

Δp=p1-p2　　 （3-14）

式中　Δp——泵出入口压力差，MPa；

p2——泵出口压力，MPa；

p1——泵入口压力，MPa。

②流体要有一定的流动性，其流量的大小根据散热量的多少来确定。

③内磁转子与隔离套之间的工作间隙的大小要合适，除一些特殊情况外，其工作间隙的截面积应是导流孔截面积的7倍以上。

④减小内磁转子及隔离套的表面粗糙度和提高圆弧倒角等工艺性的技术要求。

以上介绍了一些防止汽蚀的措施，但在液体和一些特殊环境中工作，有时不能有效控制汽蚀的发生，因此，在隔离套的结构设计上还应采取措施。如图3-22（c）所示，将隔离套底部设计为凸起的蘑菇形结构，这种结构形式经试验分析证明具有良好的抗汽蚀作用。具体结构的尺寸是由内磁转子和隔离套端部的相关尺寸、外形结构和几何空间尺寸确定后，再根据实际状态进行设计确定的。一般来说，蘑菇形外形型线尺寸与内磁转子外形型线间的间隙尺寸要大于内磁转子与隔离套之间的间隙尺寸。

3.6.4　隔离套的设计计算

（1）法兰壁厚与强度计算

法兰壁厚δF计算参照公式

　　 （3-15）

式中　DF——法兰内径，mm；

K——平板系数，一般选0.3；

p——轴向载荷，MPa；

ϕ——焊接系数；

［σb］——许用应力，MPa；

σb——强度极限，MPa；

nb——安全系数。

（2）螺栓强度计算

①螺栓轴向受力计算。螺栓受力与轴线平行；由于螺栓均布，各螺栓受力均相等。

　　 （3-16）

式中　p——轴向总载荷，MPa；

Z——螺杆数量；

F——单个螺杆受力，MPa。

②螺栓最小直径d1

　　 （3-17）

式中　QP——剩余预紧力，MPa；

［σ］——螺栓材料的许用应力，MPa。

　　 （3-18）

式中　σs——材料的屈服极限，MPa；

ns——安全系数。

（3）预紧力QP

QP=Q'P+KcF（MPa）　　 （3-19）

式中　Q'P——剩余预紧力；

Kc——相对刚度系数，Kc=；

F——螺栓轴向受力，MPa。

由于剩余预紧力

式中，Kc=1-K'c=

通常，QP=K0F

式中，K0为预紧系数，通常K0在0.2～1.8之间。

Q'P=K0F-K'cF

Q'P分三种状态分析计算：

①紧密性连接如汽缸、压力容器等，Q'P=（1.5～1.8）F；

②工作载荷有变化的连接，Q'P=（0.6～1）F；

③工作载荷无变化的一般性连接，Q'P=（0.2～0.6）F。

（4）螺栓总拉力Q

　　 （3-20）

（5）螺栓的其他强度条件

螺栓的剪切强度条件

　　 （3-21）

螺栓与孔壁的挤压强度条件

　　 （3-22）

式中　Fs——剪切力，MPa；

d1——螺栓直径，mm；

Lmin——螺栓被挤压面的最小长度，一般选Lmin≥1.5d1；

［τ］——材料的许用剪应力，MPa；

［σp］——材料的许用挤压应力，MPa。

（6）隔离套壁厚的计算

①壁厚定义　壁厚度定义为：K<1.1或K>1.1，当K值小于1.1为薄壁容筒；当K值大于1.1为非薄壁容筒。

　　 （3-23）

式中　Dw——容筒外径，mm；

Dn——容筒内径，mm。

②筒壁厚计算　筒壁厚δt为：

　　 （3-24）

③隔离套底板厚的计算　底板厚δD为：

　　 （3-25）

3.6.5　隔离套变形设计计算

隔离套因受压引发变形时，会引起隔离套位置以及内外间隙的变化，设计中，压力小时的变形不必考虑；压力大时，变形量较大，应对变形量进行计算，以保证此变形不影响隔离套的正常工作。

一般，在设计中轴向尺寸留有较大空间，轴向变形量不计算，只计算径向变形量。

　　 （3-26）

式中　ΔS——隔离套的径向位移，mm；

R1——隔离套的内径，mm；

S——隔离套的壁厚，mm；

p——设计压力，MPa；

E——弹性模量，MPa；

μ——泊松比。

3.6.6　压力试验

径向变形量满足设计要求，应进行水压试验，而且试验保压时间大于10min时不得有渗水、冒汗等现象发生，并测量其变形以保证隔离套能可靠工作。对有加强筋的隔离套，进行计算时，应考虑加强筋的作用。满足水压试验要求的条件是：

　　 （3-27）

式中　p1——水压试验压力，MPa；

σ1——水压试验时隔离套的周向应力，MPa；

［σ］1——设计温度下材料的许用应力，MPa。

隔离套在试压过程中允许径向、轴向及端部有一定的变形量，当压力减为零时，允许有塑性变形量，其变形量应符合表3-6要求。

压力试验的方法按压力容器的有关规定和要求进行，其试验方法如图3-25所示。

3.6.7　隔离套结构及材料的最新进展

随着工业发展，磁力耦合传动泵在技术上的要求更为严格，为了保证石化强腐蚀及核工业等有毒和危险介质在输送过程中的绝对安全和可靠，双密封隔离套结构得到了很快的发展。由于双密封隔离套结构具有内、外两层隔离套，二者均能单独承受系统压力，当其中之一发生破坏时，系统不会发生泄漏，这时可通过其监控装置取得失效信号，及时停机检查和维修。

①金属双密封隔离套　金属双密封隔离套结构具有强度高、壁厚薄、体积小、工艺性能好等优点，其弱点是内、外密封隔离套内部存在涡流，而内循环冷却系统只能冷却内层隔离套，外层隔离套必须设置单独的外层冷却系统，这就增加了系统的复杂性，而且也不经济，一般很少采用。

②碳素纤维-陶瓷双密封隔离套　如图3-26所示，采用碳素纤维内密封和陶瓷外密封相结合的结构。由于碳也是导体，放碳素纤维的密封套内会产生一些涡流，但通过调整纤维的缠绕角度，可使其涡流减小到可以忽略的程度，陶瓷中完全无涡流，因此，内、外套均无须冷却。

碳素纤维的耐热有限，不能用于高温环境。此外，碳素纤维材料的任何损伤都会破坏其纤维网络，从而降低整体强度，同时，碳素纤维材料的抗化学腐蚀能力很弱。其他合成材料同样也存在类似问题。

③塑料-金属双层密封隔离套　这种隔离套在结构上与图3-26基本相似，只是将隔离套材质采用塑料热成型材料所代替，其涡流热损失几乎为零，抗腐蚀能力很强，成型工艺性好，成本低。但因塑料件严格限制使用温度范围且工作压力低，为了使其提高耐压性能和工作性能的稳定性，可在塑料套外加上一层薄壁的金属外壳或金属网状外壳，使得应用效果更佳。

④金属-陶瓷双密封隔离套　如图3-26所示，该结构采用金属（常用哈氏合金C）内密封隔离套和陶瓷外密封套。金属内密封套中的涡流损失所产生的热量由内循环系统冷却，外密封套中没有涡流，不需冷却。这两种材料均具有较好的强度和耐腐蚀性并可在高温下运行。内 、外密封套经过各种不同材料组合的运行试验表明，该结构具有较大优势，适用性较强。

⑤监控装置　当双密封隔离套其中之一失效时，系统可靠性大为降低，应立即停机检修。监控装置的功能就是及时地将失效信息反馈给操作者。如图3-26所示，在内、外隔离套之间有一密闭空隙，其内的压力变化可通过传感器反馈仪表显示出来。 当内隔离套失效时，由于容器内液体的泄出，空隙中处于正压状态；当外隔离套失效时，空隙中的压力则为大气压。在两种情况下，监控装置均自动发出警报。

双密封隔离套的应用极大地提高了磁力耦合传动泵的运行可靠性，但是其内、外磁环间的间隙却明显增大了，使得磁力耦合传动效率受到影响，因此，传递相同扭矩时所需的体积和磁场强度均大于单密封隔离套结构。表3-7所列为不同隔离套的试验数据。

随着磁力耦合传动泵在石化、核工业及其他有毒、危险领域的广泛应用，双隔离套技术将不断地得到发展和完善。