具有減摩抗磨和控漏功能的液膜機(jī)械密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討與應(yīng)用研究

任寶杰，郝木明，李勇凡，李香

（1.東營海森密封技術(shù)有限責(zé)任公司，山東 東營 257000；2.中國石油大學(xué)（華東）密封技術(shù)研究所，山東 青島 266580；3.合肥通用機(jī)械研究院有限公司機(jī)械工業(yè)機(jī)械密封工程技術(shù)研究中心，合肥 230031）

作為泵、壓縮機(jī)、釜、攪拌器、電機(jī)等旋轉(zhuǎn)設(shè)備中不可缺少的密封裝置——機(jī)械密封及系統(tǒng)已得到廣泛應(yīng)用，是決定設(shè)備密封性、安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性的主要因素。目前，滿足API 682《離心泵和轉(zhuǎn)子泵用軸封系統(tǒng)》、GB/T 33509《機(jī)械密封通用規(guī)范》等典型標(biāo)準(zhǔn)的各類型機(jī)械密封產(chǎn)品逐漸在國內(nèi)石油化工企業(yè)得以大規(guī)模的推廣和應(yīng)用，基本滿足了工藝裝置的安全性、長周期運(yùn)行等要求。但隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，機(jī)械密封的工作環(huán)境越來越苛刻，對機(jī)械密封的密封性、安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、適用性等整體要求越來越高[1-2]。

按照運(yùn)行時(shí)摩擦副端面接觸狀態(tài)可將機(jī)械密封分為普通接觸式機(jī)械密封（即摩擦副存在固相接觸）和非接觸式機(jī)械密封（即摩擦副不存在或近似不存在固相接觸，例如干氣密封）兩大類。最常見和通用的為普通接觸式機(jī)械密封，其端面基本處于混合摩擦狀態(tài)，端面間存在一層不連續(xù)、隨機(jī)分布的流體薄膜（液膜、氣膜、氣液混膜等），同時(shí)存在微凸體固相接觸部分，故普通接觸式機(jī)械密封存在固有的摩擦磨損、泄漏量不可預(yù)知等特點(diǎn)。對于普通機(jī)械密封而言，摩擦磨損和泄漏是一對永恒的矛盾，減少泄漏勢必帶來更重的摩擦磨損，減輕摩擦磨損一般會伴隨著泄漏量的增加，雖然可以通過改變摩擦副材質(zhì)等方法協(xié)調(diào)這對矛盾，但大量研究和使用證明，在摩擦副表面開設(shè)各種各樣的槽型結(jié)構(gòu)是一種更為行之有效的方法[3-10]，本文在液膜機(jī)械密封原理基礎(chǔ)上給出了一種具體設(shè)計(jì)思路及應(yīng)用案例。

1 液膜機(jī)械密封原理

在被密封介質(zhì)為液體的機(jī)械密封設(shè)計(jì)過程中，端面固相接觸比壓pc是指作用于密封端面單位面積上的力，即當(dāng)量固相接觸壓強(qiáng)，其計(jì)算公式見式（1）。

式中B——面積比；

psp——彈簧比壓；

ps——密封兩側(cè)壓差；

pm——端面平均膜壓，端面液體產(chǎn)生的總力∫p除以端面面積A；

Km——膜壓系數(shù)，Km=pm/ps。

將固相接觸比壓pc作為判斷機(jī)械密封類別的評價(jià)參數(shù)，具體標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 機(jī)械密封類別與接觸比壓關(guān)系表Tab.1 Relation table of seal class and contact stress

液膜機(jī)械密封（以下簡稱為“液膜密封”）基本原理是通過設(shè)計(jì)摩擦副端面間隙形狀，利用液體靜壓和動壓效應(yīng)，提高端面平均膜壓pm，達(dá)到降低或消除固相接觸的目的，從而實(shí)現(xiàn)減摩抗磨的效果，其中將固相接觸全部抵消的稱之為“非接觸式液膜密封”，將固相接觸部分抵消的稱之為“微接觸式液膜密封”。

非接觸式液膜密封端面間存在一層微米級厚度的連續(xù)液膜，微接觸式液膜密封端面可按平均流量模型進(jìn)行計(jì)算，其端面也存在一層連續(xù)的當(dāng)量液膜，根據(jù)描述流體潤滑力學(xué)特性的雷諾方程可知（見式（2）），端面間壓力分布、速度方向與液體物性（黏度、密度）、操作參數(shù)（線速度）、端面間隙等因素有關(guān)，因此，可在設(shè)計(jì)過程中主動控制端面平均膜壓、通過端面的泄漏量大小和泄漏方向，實(shí)現(xiàn)端面非接觸或微接觸的運(yùn)轉(zhuǎn)，以及泄漏量的可控。

式中x，y——直角坐標(biāo)系變量；

h——某點(diǎn)液膜厚度；

η——液體黏度；

ρ——流體密度；

p——流體某點(diǎn)壓力；

u0——?jiǎng)屿o環(huán)相對線速度；

t——時(shí)間。

對于特定工況，物性和操作參數(shù)一般來說是確定的，因此，如何設(shè)計(jì)端面間隙是改變和控制液膜端面液體壓力、速度大小和方向的唯一要素，端面改形技術(shù)是液膜密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心所在。

2 端面改形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

液膜密封最典型的特征是在摩擦副某一個(gè)環(huán)密封端面開設(shè)淺槽、深槽、微織構(gòu)等各類改形結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)起到減摩抗磨、控制泄漏等作用。按照其功能，本文將端面改形結(jié)構(gòu)分為四類基本結(jié)構(gòu)：強(qiáng)制引流結(jié)構(gòu)、運(yùn)動增壓結(jié)構(gòu)、空化抽吸結(jié)構(gòu)、黏性反輸結(jié)構(gòu)，實(shí)際采用的具體端面改形結(jié)構(gòu)屬于以上兩種或多種結(jié)構(gòu)的有機(jī)組合。

2.1 強(qiáng)制引流結(jié)構(gòu)

強(qiáng)制引流結(jié)構(gòu)最顯著的特點(diǎn)是改形結(jié)構(gòu)將端面部分區(qū)域與被密封介質(zhì)相貫通，典型的有 “激光臉”槽、雷列臺階槽、雙向類槽、螺旋線類槽等淺槽中的“引流槽”，深、淺槽中的圓弧槽、弓形槽等，如圖1所示深色填充部分。

圖1 幾種常見槽型中的強(qiáng)制引流結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of directly wetted structure in several typical grooves

強(qiáng)制引流結(jié)構(gòu)將被密封液體直接引入端面間，減少了端面名義接觸面積，增大了液膜靜壓反力，一定程度上降低了固相接觸比壓，有助于改善摩擦和磨損狀況。更為重要的是，對于一些潤滑性差的被密封介質(zhì)、端面摩擦生熱嚴(yán)重的工況，強(qiáng)制引流結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒁后w介質(zhì)強(qiáng)制帶進(jìn)端面內(nèi)部，增強(qiáng)端面間潤滑性和液體流動性，有效改善端面潤滑和冷卻狀態(tài)，降低端面摩擦和磨損，潤滑增效十分有效。

圖2給出了一組內(nèi)徑為30 mm 的SiC 密封環(huán)，在相同工況條件下（水介質(zhì)，10 000 r/min，2.5 MPa，配對環(huán)為浸銻石墨）運(yùn)轉(zhuǎn)0.5 h 后的端面磨損痕跡，可直觀地看出強(qiáng)制引流結(jié)構(gòu)對端面磨損情況有著明顯改善作用。

圖2 幾種端面強(qiáng)制引流結(jié)構(gòu)試驗(yàn)后的狀態(tài)Fig.2 State of several seal face structures after the test

2.2 運(yùn)動增壓結(jié)構(gòu)

運(yùn)動增壓結(jié)構(gòu)主要是通過動靜環(huán)之間非定常間隙的相對運(yùn)動產(chǎn)生的液體動壓效應(yīng)，增強(qiáng)端面平均膜壓，降低或消除固相接觸壓力。典型結(jié)構(gòu)分為三大類：以螺旋線型槽為代表的淺槽，表面微織構(gòu)以及表面波度結(jié)構(gòu)。

如圖3所示，螺旋槽以及“人字槽”、“八字槽”、“交錯(cuò)螺旋槽”等螺旋線組合槽、類似型線衍生槽，雷列臺階槽、雙向槽、圓葉槽、零泄漏全膜結(jié)構(gòu)中的周徑向“增壓槽”，周徑向變深度槽等動壓效果較強(qiáng)，一般能夠?qū)崿F(xiàn)端面的非接觸式運(yùn)行；多孔端面槽、“菱形槽”、“半圓槽”以及各種變體槽等表面微織構(gòu)，“激光臉”槽中的“彎月槽”、“梯形槽”等微織構(gòu)部分，其液體動壓效果一般較弱，端面基本處于“微接觸式”狀態(tài)，但仍能大大降低端面固相接觸比壓，減輕摩擦磨損；相對于前兩種結(jié)構(gòu)的主動改形（即主動在端面上加工相應(yīng)結(jié)構(gòu)），表面波度結(jié)構(gòu)既可以主動改形得到（例如磨削加工），也可以通過間接改形得到，例如上述開設(shè)在軟質(zhì)環(huán)上的“圓弧槽”、“弓形槽”深槽結(jié)構(gòu)，利用周向開槽處更強(qiáng)的冷卻效果，與非開槽處形成周向溫度梯度，由于熱膨脹量的不一致達(dá)到端面周、徑向波度的效果，其一般也是處于“微接觸式”狀態(tài)。

圖3 幾種常見槽型中的運(yùn)動增壓結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Diagram of pressurized structure in several typical grooves

圖4給出了端面內(nèi)外徑分別為40 mm 和52 mm同樣工況條件下（潤滑油介質(zhì)，6 000 r/min，外徑0.5 MPa，內(nèi)徑常壓大氣，計(jì)算膜厚取當(dāng)量臨界膜厚值0.9 μm）的端面液膜壓力場計(jì)算云圖，螺旋線型內(nèi)徑螺旋槽（a）流體動壓效果顯著，液體動靜壓效應(yīng)提供的開啟力達(dá)到49 951 N；雖然多孔端面槽（b）和波度面（c）也產(chǎn)生一定的動壓反力，但其流體反壓僅為1 655 N 和294 N，仍不足以克服閉合力，實(shí)現(xiàn)端面間固相零接觸。

圖4 幾種端面運(yùn)動增壓結(jié)構(gòu)的壓力場分布Fig.4 Pressure distributing picture of several seal face structures

利用紅外熱成像儀分別對相同工況下（基礎(chǔ)油溫28 ℃，壓力0.1 MPa，轉(zhuǎn)速1 000 r/min，穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)10 min，靜環(huán)為石英玻璃環(huán)）相同規(guī)格的接觸式機(jī)械密封和螺旋槽液膜密封進(jìn)行端面溫度采集，結(jié)果如圖5所示，圖中內(nèi)側(cè)紅圈處為端面內(nèi)徑標(biāo)識，可以看出，接觸式機(jī)械密封在端面溫度上存在明顯梯度，螺旋槽液膜密封幾乎不存在溫度梯度，接觸式密封端面溫度明顯高于螺旋槽液膜密封，端面摩擦性能得以明顯改善。

圖5 具有增壓結(jié)構(gòu)的螺旋槽液膜密封與接觸式密封溫度及分布對比圖Fig.5 Temperature distributing picture of two seal face structures

2.3 空化抽吸結(jié)構(gòu)

端面實(shí)現(xiàn)微接觸或非接觸后，密封會因間隙的增大而導(dǎo)致泄漏量變大，因此端面改形結(jié)構(gòu)還應(yīng)具備抑漏能力，空化抽吸結(jié)構(gòu)是其中一種有效方法。其基本原理仍然可用雷諾方程進(jìn)行較準(zhǔn)確的解釋，液體在增壓的過程中，勢必在某些區(qū)域內(nèi)造成低壓區(qū)，導(dǎo)致空化的出現(xiàn)，空化區(qū)相對周圍是一個(gè)低壓區(qū)，會對周圍液體造成抽吸，然后被端面改形結(jié)構(gòu)增壓輸送至高壓點(diǎn)。如果低壓區(qū)將密封端面內(nèi)外徑形成一個(gè)有效隔離，就能成功阻止泄漏，以“雷諾臺階—環(huán)形”槽、“螺旋槽—環(huán)形”槽為代表的內(nèi)側(cè)環(huán)槽結(jié)構(gòu)即為此類。如果低壓區(qū)雖然沒有形成一個(gè)隔絕式區(qū)域，但空化區(qū)和增壓區(qū)能夠形成一個(gè)完整的“抽吸—擠壓”循環(huán)過程并保持穩(wěn)定，端面液體被上述過程控制在端面和外徑側(cè)進(jìn)行循環(huán)，避免從內(nèi)徑處泄漏至大氣側(cè)，達(dá)到阻止泄漏的目的，一些螺旋線型槽及其衍生槽基于此原理實(shí)現(xiàn)抑漏。

圖6給出了“雷諾臺階—環(huán)形”槽和螺旋線型槽空化區(qū)域計(jì)算結(jié)果，圖中外徑處為高壓液體，內(nèi)徑處為大氣側(cè)，白色區(qū)域即為空化區(qū)。該“雷諾臺階—環(huán)形”槽算例靠內(nèi)徑側(cè)形成了半圈空化區(qū)，形成阻漏屏障，端面槽型數(shù)據(jù)經(jīng)過優(yōu)化后可形成整圈空化區(qū)，實(shí)現(xiàn)完全零泄漏；該螺旋線型槽算例在槽區(qū)背風(fēng)側(cè)形成穩(wěn)定的空化區(qū)，空化區(qū)對周圍區(qū)域形成抽吸效果，兩個(gè)相鄰的空化抽吸區(qū)相連，基本能夠避免內(nèi)徑側(cè)泄漏的發(fā)生。

圖6 兩種端面空化抽吸結(jié)構(gòu)的空化區(qū)域（白色部分）Fig.6 Cavitation area picture of two seal face structures

2.4 粘性反輸結(jié)構(gòu)

粘性反輸是一種更為靈活、適用性更強(qiáng)的控漏方法，螺旋槽以及“人字槽”、“交錯(cuò)螺旋槽”等螺旋線組合槽、衍生槽中的“反輸槽”部分，零泄漏全膜結(jié)構(gòu)是其典型結(jié)構(gòu)。以內(nèi)徑螺旋反輸槽型為例，如圖7所示當(dāng)動靜環(huán)相對運(yùn)動時(shí)，槽型結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的黏性剪切流方向由低壓側(cè)指向高壓側(cè)，與內(nèi)外徑壓差流的方向相反。當(dāng)剪切流和壓差流數(shù)值相等時(shí)，即實(shí)現(xiàn)了非接觸式狀態(tài)下的液相零泄漏；當(dāng)剪切流大于壓差流，且低壓側(cè)存在其他液體時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)將低壓的液體泵送反輸至高壓側(cè)，等同于改變了泄漏方向，也就是實(shí)現(xiàn)了被密封介質(zhì)的氣相零逸出；在某些特殊情況下，可以將剪切流設(shè)計(jì)得小于壓差流，從而保證一直存在一個(gè)穩(wěn)定的、可控的泄漏。

圖7 一種端面黏性反輸結(jié)構(gòu)的示例圖Fig.7 Example diagram of a seal face structure

圖8給出了在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)過程中（工況條件：外徑為0.1 MPa 潤滑油，內(nèi)徑為大氣側(cè)，3 000 r/min）觀測到“人字槽”結(jié)構(gòu)不同時(shí)刻的粘性反輸效果，圖中用紅框標(biāo)示出了端面中的氣液分界線大體位置，因拍攝光線和角度問題，圖片中靠上區(qū)域分界線未能全部拍攝出，槽型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了剪切流等于壓差流的零泄漏預(yù)期。

圖8 連續(xù)不同時(shí)刻的端面氣液分界面Fig.8 Gas-liquid interface picture of a seal face structure at different moments

綜上所述，強(qiáng)制引流和運(yùn)動增壓均是從減輕或消除端面間固相摩擦磨損角度進(jìn)行的分類，空化抽吸和黏性反輸均是以控制泄漏量或泄漏方向?yàn)槟康倪M(jìn)行的分類，同時(shí)基于雷諾方程或N-S 方程的各類計(jì)算模型中無論是否考慮熱力耦合變形、慣性力、湍流、粘溫效應(yīng)、非牛頓、瞬動態(tài)特性、時(shí)變等因素，其基本原理和作用均如上文所述。因此實(shí)際槽型結(jié)構(gòu)可能是上述兩項(xiàng)或者多項(xiàng)功能的綜合體，設(shè)計(jì)過程需要根據(jù)具體工況條件選用最適合的端面改形結(jié)構(gòu)匹配項(xiàng)。

3 工程應(yīng)用案例

丁二烯螺桿壓縮機(jī)是丁二烯裝置中的核心設(shè)備，其具有軸徑大、線速度高、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長等特點(diǎn)，普通接觸式機(jī)械密封結(jié)構(gòu)難以滿足使用要求，海森密封利用液膜密封技術(shù)，組合應(yīng)用運(yùn)動增壓結(jié)構(gòu)、空化抽吸結(jié)構(gòu)和黏性反輸結(jié)構(gòu)優(yōu)化出一種“人字槽”結(jié)構(gòu)，在試驗(yàn)室內(nèi)完成了100 h 認(rèn)證試驗(yàn)，其測試參數(shù)如表2所示，為了對比其性能設(shè)置了同工況、同尺寸的接觸式機(jī)械密封對照件，最終試驗(yàn)測試結(jié)果見表3。

表2 試驗(yàn)參數(shù)表Tab.2 Table of test parameters

表3 試驗(yàn)結(jié)果表Tab.3 Table of test parameters

圖9為100 h 認(rèn)證試驗(yàn)后未經(jīng)任何處理的液膜密封動靜環(huán)端面狀態(tài)，從試驗(yàn)結(jié)果來看，磨損量、沖洗液溫升、扭矩等參數(shù)以及端面狀態(tài)表明液膜密封基本上實(shí)現(xiàn)了非接觸式運(yùn)行，同時(shí)又滿足了零泄漏的要求，摩擦磨損性能和密封性較接觸式機(jī)械密封有著大幅提升。圖10為相同結(jié)構(gòu)液膜密封在中石化某廠連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)4年后未經(jīng)任何處理過的現(xiàn)場拆檢照片，動靜環(huán)表面均無任何明顯磨損痕跡，同時(shí)4年內(nèi)未補(bǔ)充過潤滑油，即被密封潤滑油總體泄漏量為0。上述認(rèn)證試驗(yàn)和現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果有力證明了該液膜密封槽型結(jié)構(gòu)能夠同時(shí)滿足減摩抗磨和控漏的雙重功能，也是對本文描述的液膜密封設(shè)計(jì)方法的具體成功實(shí)施案例。

圖9 認(rèn)證試驗(yàn)后的動靜環(huán)端面Fig.9 Seal ring face after certification test

圖10 現(xiàn)場運(yùn)轉(zhuǎn)4年后的動靜環(huán)拆檢圖Fig.10 Pictures of seal rings after 4 years operation

4 結(jié)束語

（1）液膜機(jī)械密封通過表面改形技術(shù)主動控制端面間隙形狀、液體流動方向和壓力分布，摩擦副固相接觸區(qū)域減少或消失，密封環(huán)磨損得以有效降低，端面溫升得以緩解，端面介質(zhì)氣化、熱變形、熱磨損、熱裂等由于溫度過高引起的問題可有效減少，使用壽命將會大大延長，泄漏量和泄漏方向可以得到有效控制。因此液膜機(jī)械密封能夠?qū)崿F(xiàn)降低或消除端面摩擦磨損和控制密封泄漏量的目的。

（2）本文從液膜機(jī)械密封原理出發(fā)，基于功能性對端面改形結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行了歸納與分類。提出在實(shí)際工程應(yīng)用中，可有針對性地選擇強(qiáng)制引流結(jié)構(gòu)、運(yùn)動增壓結(jié)構(gòu)、空化抽吸結(jié)構(gòu)、黏性反輸結(jié)構(gòu)中合適的改形結(jié)構(gòu)進(jìn)行有機(jī)組合，從而達(dá)到預(yù)期密封效果。

（3）液膜機(jī)械密封在整體結(jié)構(gòu)上相對接觸式機(jī)械密封而言變動極其微小，在高壓、高速、高PV 值、變工況、特殊介質(zhì)等特殊工況條件下，液膜機(jī)械密封是除了提升材料性能外更為簡便和可行的解決途徑。本文對其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行了總結(jié)，給出了設(shè)計(jì)要點(diǎn)和結(jié)論，希望能為從事機(jī)械密封研究和設(shè)計(jì)人員提供一些有益參考。