机械端面密封技术研究现状及发展趋势

文章编号:　1005—0329(2004)10—0026—06技术进展

机械端面密封技术研究现状及发展趋势张金凤,袁寿其,曹武陵(江苏大学,江苏镇江　212013)摘　要:　从摩擦、结构、材料和设计等几个方面阐述了机械密封的研究现状、存在问题和发展趋势。关键词:　机械密封;摩擦;流体动压密封;密封系统中图分类号:　TH136 文献标识码:　APresentResearchStatusandProspectonMechanicalFaceSealZHANGJin-feng,YUANShou-qi,CAOWu-ling(JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)Abstract:　Presentresearchstatusandprospectonnormalfrictionstatu,sealstructureandsealsystems,materialandthemodernde-signofmechanicalfacesealwereintroduced.Keywords:　mechanicalfaceseals;friction;fluidhydrophilicseals;sealsystems

1　引言机械密封是流体机械和动力机械中重要的密封装置,它对整台机器设备、整套装置甚至对整个生产过程的安全性都有很大的影响,是机械设备防漏、节能以及控制环境污染的重要基础件。随着高新技术和工业的高速发展,机械密封以其多方面的优越性被广泛应用。目前石化行业中,80%～90%的叶片泵采用了机械密封;而在美国的旋转机械装置中,其用量甚至占到了全部密封件的90%以上。本文从摩擦、结构、材料和设计等几个方面阐述了机械密封的研究现状、存在问题和发展趋势。2　机械密封的研究现状2.1　密封端面摩擦的研究端面间的摩擦是决定密封性能的首要原因之一,也是长期以来研究的热点。Mayer认为普通机械密封的界面一般为边界摩擦[1],并基于边界摩擦学说提出了流体交换流动理论;Nau认为:目前应用的机械密封大都处于流体动力摩擦[2]。Lebeck的试验研究则表明,在水润滑条件下的普通机械密封中并不能形成足够的流体动压承载能力[3];A.И戈卢别夫研究了缝隙内的流体流动,指出密封元件的热弹性变形与表面缺陷之间的关系[2];Summers-smith等证明在一定条件下,端面处于混合摩擦状态[4]。因而对于普通机械密封,大多数人所接受的为混合摩擦学说,即机械密封正常工作状态为混合摩擦,在开、停车会出现干摩擦,在润滑性良好的工况可能会出现边界摩擦。但对此也尚未定论,需要进一步研究。同时还有很多学者对此进行了深入的研究。Christensen给出了详细的混合摩擦理论分析,并建立模型[3];戈建志等在Christensen的基础上,建立处于流体动压润滑的理论模型,并通过实验对收稿日期:　2004—03—22　修稿日期:　2004—06—0826 FLUIDMACHINERY Vol.32,No.10,2004其进行验证[5];葛培琪根据Re方程和弹性固体接触理论,建立了混合摩擦模型,并给出计算流程和实例[6]。这些为机械密封机理的研究奠定了一定的理论基础。2.2　流体动压密封的研究此方向是对摩擦状态研究的衍生。20世纪60年代初,试验证实了由于端面几何特征和运转振动的存在,机械密封界面间会产生流体动压和载荷。目前不仅能用仪器测试流体膜的参数,并已经研究了不少成膜效应,新建了很多密封结构模型。流体动压效应是目前国际上公认的机械密封流体膜承载机理[7],主要通过端面形貌特征来实现。2.2.1　摩擦副表面特征的流体动压密封研究(1)表面粗糙度的研究在机械密封运转中,由于密封摩擦表面粗糙度引起的凹凸不平,在受热、振动后使两摩擦副接触,从而形成很小的润滑楔,产生流体动压效应。Christensen提出的混合摩擦模型[3],考虑了粗糙度的作用,是对其进行的最早研究之一;戈建志等的研究表明:对于密封油类等粘度较大的流体,密封端面可以处于流体动压摩擦状态下[5]。但是这些模型还没有用到接触型密封。(2)表面波度的研究这方面的研究相对较早且较广泛[3]:Stang-han-Batch和Iny等给出了由波度引起的流体动压实验结果,并建立了数学模型;Lebeck提出了一个考虑到粗糙度影响计算波度引起的润滑作用的扩展模型,还进行了水中的波度密封实验。上述研究表明,端面中确实能产生流体动压开启力,且在某些情况下,波度是密封能够成功运转的原因。但是这些研究仅针对由于机加工产生的波度进行的,而实际两端面接触时,这种波度大都被压平,也就无从谈起其动压润滑作用。在实际运转中,由于热、力变形产生波度的动压效应却因为涉及热、力变形以及流固耦合等复杂问题很难开展。(3)锥面密封的研究Davie最早提出密封中存在微观不平度[3],并给出了端面楔形空间的压力变化有“承载能力”的概念。Etsion研究了锥面密封的径向力起源[9],给出了径向力和流体动压力表达式,并用数学方法得到动压承载力、刚度和倾斜率与泄漏量的关系,分析了锥面密封的理论可行性;在这些工作的基础上,得出了在同时存在周向波度和径向锥度的非接触密封适用的数学特征方法,给出了零泄漏的概念[9,10]。实际研究表明,由于安装、磨损或热、力变形引起的径向锥度,可以在短期内有一定的承载能力和动压效应,但是仅靠它是很难形成动压效应的,而且要控制维持这个锥度也很复杂,因而在工程中很少应用。(4)空化现象的研究Findly于1968年提出机械密封中的空化现象,并分析了在一定空化工况下波度密封的压力分布[11];Hughes等的研究表明,空穴的存在确实能产生不稳定的全液膜承载作用[3]。Nau在实验中观察了机械密封的空化现象[12],并用控制容积法分析密封边缘与空化边界控制单元,求出空化边界的坐标值;顾永泉在汽液两相流理论的应用及空化边界的确定上进行了研究[7],这种现象使得流体膜不会因为正负压相抵而失去承载能力,反而有一定的密封和保护作用,但其热效应会产生很大的不良影响。空化现象使本来就很复杂的问题更加难以解决,尤其是热不稳问题和边界条件的确定有待于进一步研究。2.2.2　端面改型的流体动压密封研究端面改型乃是通过在密封端面上开设各种形式的沟槽来改变端面间润滑状况实现机械密封长寿命运行。近年来新发展的有零泄漏密封技术、干气密封技术、上游泵送密封技术和热流体楔密封技术等。20世纪60年代初,Etsion等对锥面密封进行了广泛的研究[9,10],并提出了非接触和零泄漏的概念,同时受流体动压轴承的启示,人们开始对端面改型动压密封的研究。Muijderman在Whipple的基础上,得到的窄轴承理论,为流体动压型密封的研究奠定了理论基础[3],图1示出他提出的无泄漏人字形螺旋槽轴承结构。

图1　零泄漏人字螺旋槽轴承结构零泄漏人字螺旋槽轴承的研究首先应用在气体密封上,1968年JohnCrane公司研制成功,并在272004年第32卷第10期 流　体　机　械 1974年成功应用于炼油厂的透平压缩机上,其典型端面结构如图2所示。20世纪80年代,气体密封研究日趋成熟。液气的试验研究虽几乎同时进行,但发展相对缓慢。自Storm等进行了高温液态钠的实验研究后,开始了在试验台上研究水润滑螺旋槽密封性能。1990年Buck和Netzel等介绍了“上游泵送”密封的结构、工作原理和应用范围等,如图3所示[13];Etsion对表面多孔的激光纹理液压轴承进行研究[14];顾永泉、宋鹏云、彭建等也对这一技术进行了研究[7,15,16],并在实验和应用中也有一定的进展。

图2　高速螺旋槽气体密封

图3　上游泵送机械密封端面结构采用有限元(FEA)和计算机辅助设计(CAD)来模拟和预测各种条件下的密封性能,并与相关试验数据相互验证,进行密封机理的研究以及结构参数的优化是近期研究的热点。目前所用的槽型有周向台阶、斜面、直线槽、三角槽、矩形槽、螺旋槽、多孔及其组合等,其中以螺旋槽及其组合最为典型。2.3　机械密封的热影响机械密封的热影响表现在2个方面:(1)相变和相态稳定性问题;(2)热弹性失稳和热变形问题。Hughes等一直研究两相流动状态下流体端面密封和环形密封的稳态和动态特性[3],不但观测到了密封端面间的相变,还得出了存在全液膜承载平衡作用的结论;由于流体内的粘性耗散作用,低压闪蒸和(或)产生的热可能引起相变;并得出实际上大量的密封均在两相流动状态下运转的结论[17]。顾永泉、彭旭东也在此方面做了大量工作[18],并研究出了相态监控系统,且得到了一定的工业应用。Burton等提出了有关密封磨损对热弹性不稳定性的影响,并观测到局部热不稳的情况,得到存在油膜的密封稳定条件,他还观测了端面由均匀接触向局部接触转变产生干摩擦的过程,并得出干摩擦可能导致热裂的结论;Golubiev给出端面密封热应力裂变抵抗力的公式;Blach得出了存在均匀受热的密封环的热应力方程,并用它来估计热流密度;Netzel观测到端面密封的热弹性不稳定的情况[3],随后在石墨环上做深切口以改善润滑、冷却条件,从而减轻热力学影响。现代计算分析工具的发展使得该方向的研究成为可能,同时也推动了密封监控系统的发展。2.4　机械密封的结构研究机械密封的结构分为机械密封部分和密封系统两个部分。在机械密封的结构方面:(1)摩擦副,主要在配对宽度、端面的精度以及宏观开槽等方面做了很多的研究,而且以宏观开槽为研究的热点;(2)补偿机构,对弹簧的断裂失效尤为关注,而且很多的场合已改用波纹管形式,尤其在炼油厂中的热油泵、高温、低温泵效果更突出;(3)防转装置,仍未给予足够的重视,不同布置中的元件数在不同设计中也不一样,今后要在研究其形状、数量及其公差对密封运动学特性的影响等方面做更多的工作;(4)由于机械密封端面配合要求很高,这就对其安装提出严格的要求,标准化的卡式或集装式结构大大方便了用户,减少了因安装带来的诸多不利影响。在密封系统的研究方面,对冷却装置和空气杂质清除装置以及流体替代装置的研究相对成熟。有研究把密封室改为45°喇叭型或“旋风”式,对改善密封工作环境取得较好的效果。但是在一些工作条件苛刻的情况,需要引用组合式机械密封结构[19],而且迫切需求对监控系统和报警装置的深入研究。2.5　机械密封现代设计我国机械密封发展的另一个难关在于设计手段的落后。目前,国外著名的密封公司大多拥有28 FLUIDMACHINERY Vol.32,No.10,2004自主开发的机械密封CAD软件,典型的有JohnCrane公司的软件,具有计算运行密封模拟值的功能,而我国直到1996年才由合肥通用机械研究所开发研制了MSCAD[20]。就国内外对机械密封的机理和性能预测研究的现状来看,目前开发的机械密封CAD软件仅是某一类密封的数据库。3　存在的主要问题3.1　基础研究工作薄弱国内在机械密封的理论研究方面较薄弱,仅在有些大学(如石油大学、北京化工大学、华东理工大学等)和少数研究所(合肥通用机械研究所等)开展了研究课题,进行专题研究。而国外机械密封制造企业则是拨出专项资金、设立研究所或以与大学长年合作的方式,开展基础研究工作。另外,我国机械密封技术人员参加国际上的流体密封学术会议人员少、论文少、申报机械密封专利数量少,超前开发意识薄弱。3.2　密封用材性能较差随着对外商务接触及技术交流,国内不少企业直接或间接将产品送到国外机械密封公司进行材料检测,包括了硬质合金、石墨、碳化硅、氧化铝、锥形密封用热压铸钢等。从检测报告看,普遍存在性能不稳定,与国外差距大,品种规格少。对高参数工况或介质具有强腐蚀性、含有磨料颗粒等情况,传统材料不能完全满足要求。3.3　产品结构陈旧、加工水平落后虽然在普通机械密封中也出现了监控密封和集装式密封等新结构,但我国许多机械密封结构仍沿用国外上世纪50年代的结构,不能适应多方面的需求,应在这方面加快发展。目前制约我国机械密封产品发展的“瓶颈”在于生产条件和工艺水平的落后,而沟槽的加工则是另一技术关键。激光加工已被大多数研究人员认可,但如何降低其加工成本,形成通用的高精度自动加工系统是急需解决的问题。3.4　高参数密封可靠性较差据不完全统计,在炼油企业中(多为高温或高压密封),导致叶片泵非计划维修的主要原因是机械密封的失效,所占的比例为73%左右。在化工企业,机械密封的平均装机寿命大约也只有5.5个月;而在连续生产的装置上,一般都要求机械密封能保证1年以上的寿命。但实际只有不到20%的机械密封产品可以满足这一要求[17]。显然这类机械密封产品的可靠性问题应引起高度重视。4　今后发展方向现代工、农、医、电子、宇航、国防等各领域,对密封的可靠性及使用寿命提出了更高的要求:(1)无故障运行周期延长,如石化企业生产周期由过去的1年提高到了2年,相应密封的工作寿命至少要达到1年以上,对于关键机泵设备的密封至少不低于2年;(2)环保要求越来越高,控制泄漏和排放势在必行;(3)要求提高流体机械的效率,节能降耗。4.1　机械密封机理研究的深入以及现代设计的发展以往的机械密封研究仅在摩擦、材料或机械方面进行,至今没有得出令人满意的结论。目前已在端面微观形貌(粗糙度、波度、变形等)、相变、空化等方向开展了很多研究,但是很少从流体力学角度入手。考虑耦合传热、变形等因素,对流体膜内流动进行分析,建立比较实用的机械密封设计模型,提出相关的理论和相应的改型措施是当前需要深入进行的重要方面。现代设计和机理的研究相辅相成。把机械密封几何模型的建立和压力、温度变形的耦合计算作为对象处理,开发出图形交互式的机械密封计算分析系统,并同时与实验数据对比修正,以优化设计参数,最终形成一套完整的设计软件系统意义深远。这方面需要大量的数值模拟以及实验数据的搜集统计工作,需要更多的人员和经费投入并完善现有CAD软件功能。由于密封失效存在的原因很多,它和设计、操作以及使用条件的关系尚不清晰,可建立故障诊断和分析系统来进行研究。4.2　流体动压型机械密封的研究与开发从国内外密封技术的发展来看,在表面开设宏观沟槽的流体动压式机械密封能较好地满足高PV工况,在宇航、海洋及原子能工业中受到较大的重视。而且这类流体动压式机械密封具有巨大的潜在优势:省功、泄漏小、工作寿命长等,必将成为机械密封研究的主流。这种密封的沟槽形式通常有螺旋槽、雷列台阶面和多圆弧槽面等,最新的研究还有通过表面激光多孔以形成液压轴承的形292004年第32卷第10期 流　体　机　械