机械密封的发展历程与研究动向 南京廖华

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机械密封的发展历程与研究动向

作为旋转设备中不可缺少的密封装置, 机械密封因其工作可靠、泄漏量小、使用寿命长、功率消耗少等特点, 在泵、压缩机、反应釜、搅拌器、转盘塔、离心机和过滤机等工艺设备上得到了广泛应用。据统计, 为阻止动力输入轴与壳体间介质的泄漏, 国外化工流程中95 %左右的旋转设备采用了机械密封。随着工业的发展以及环境保护的需要, 人们对机械密封性能又提出了更高的要求。长寿命、低泄漏率、高参数的机械密封产品需要新理论、新技术的支持。了解机械密封的发展背景, 对于创造新型机械密封技术具有重要的现实意义, 了解机械密封研究动向, 为工程技术人员投身研究指明了方向。

1机械密封的概述

机械密封自本世纪初问世至今,已在各类旋转机械中得到了广泛应用。通常,机械密封可分为接触式和非接触式两大类。接触式机械密封是在密封面间没有建立润滑手段的密封,它们是依靠密封面间的微凸体接触紧密地密封住 ,因而有时可以认为是“平面”密封或“平行面”密封。普通机械密封大多数属于这种型式密封 ,广泛地应用于各种工业设备中,该种密封在运转中常常表现为混合摩擦状态,个别表现为边界摩擦状态非接触式机械密封也就是全流体润滑密封。这种型式密封的端面间被润滑剂 液体或气体完全分隔开来,并且流体润滑膜是连续的

2机械密封机理研究进展

对于机械密封而言, 形成密封作用的假说基本上分成两类, 即表面张力假说和粘滞力假说。

最早提出表面张力假说的是A Brkich。该假说认为端面间稳定而可靠的密封主要是表面张力作用的结果, 密封端面实际上并不是理想的光滑平面, 少量突起部分存在着直接接触。G E Rajakovics采用试验论述了表面张力是密封重要因素这一观点。同时对粘滞假说提出了异议: ①粘滞力 (主要是指液体和固体表面的附着力) 要在间隙为10 - 9m或更小时才起作用,在微米级的密封间隙中不起作用; ②粘滞是一种动力学的特征, 而在密封处于零泄漏时, 径向是没有动力学过程的。国内李克永等也著文赞同表面张力假说。

P Basu , E Schwaiger 和 U W Sen fert 等人认为密封面间的液膜起一个软密封垫那样的作用, 液体分子间的分子力随粘度增加而上升, 且随密封间隙的增大而下降。J Digard及M G enhle 等在低压机械密封润滑状况的试验研究中, 观察到液膜内存在着张力区。通过密封运转期间压力传感器测出了相变区的压力及液膜破坏前在相变区受到张力的作用。基于端面内有空化、汽化现象的事实, J Digard 及 M G enhle 认为多级气隙形成多次表面张力作用是提高总的密封能力的主要原因。

然而, 以E F Boon为代表的粘滞假说, 认为某些液体分子由于粘性被粘贴在密封面上, 这种因压差在密封间隙中产生粘滞力能阻止介质的泄漏。

在国内郑海泉、陈汝灼从反面论证了表面张力假说的局限性: ①按表面张力计算出的最大密封能力其数值太小, 以表面张力较大的水来说, 在密封间隙为1μm的正常情况下, 最大的密封能力不足 0115MPa。若要考虑各种因素的影响, 修正后数值更小。空化现象的成因、性质、形态、分布等尚不清楚, 且密封处于静止时并不产生空化现象, 因此解释不了静止时仍有很高密封能力这一事实; ②表面张力假说必须以不漏为前提, 一旦泄漏就几乎完全丧失密封能力。因为泄漏不但使湿润角降低, 特别是弯月面的形状和对应的液膜厚度都要朝降低密封能力的方向变化, 故密封能力会显著降低。这不但不能解释一般密封或多或少有点泄漏的实际情况, 对密封面内外都有液体的多端面密封的密封能力更无法解释。

E Mayer 通过大量试验, 分析了粘度在机械密封机理中的地位。基于粘滞力假说, 人们对机械密封端面间的润滑状态进行了研究与探讨。Mayer 认为普通机械密封的摩擦副之间, 液膜之薄, 牛顿型流体方程缺乏有效的应用条件。在普通机械密封上, 摩擦副端面间总是存在着接触, 形成许多彼此间很少连通的空隙, 当两环相对转动时, 液体从一个空隙转移到另一个空隙中去, 一直到液体质点达到缝隙的终端为止,密封端面处于边界润滑状态。戈卢别夫、Sum2mers - Smith和国内顾永泉、王汝美等认为实际运行的普通机械密封一般处于混合润滑状态。流体静压效应和流体动压效应在形成液膜过程中起着不同的作用。然而, A O Lebeak 在“端面密封的波度预计、测量、起因和影响”一文中, 指出水介质中工作的普通端面密封并未产生流体动压效应, 这不能不使人们对此前在机械密封领域占有重要位置的混合润滑理论重新认识。

可见机械密封机理至今仍然没有一个完整的密封理论为人们所认同。尽管如此, 人们仍孜孜不倦地追寻, 因为每一步探索以及由此而提出的假设或获得的结论, 对机械密封的设计制造以及应用都起着重要的指导作用。

3机械密封端面摩擦机制与摩擦状态

机械密封是机械设备防止泄漏、节约能源、控制环境污染的重要功能基础件, 在石油、化工、轻工、冶金、机械、航空和原子能等工业中获得了广泛的应用。据我国石化行业统计, 80%～90%的离心泵采用机械密封。工业发达国家旋转机械的密封装置中, 机械密封的用量占全部密封使用量的 90%以上。机械密封是靠动、静环的接触端面在密封流体压力和弹性元件的压紧力作用下紧密贴合, 并相对滑动达到密封的。工作时, 机械密封端面上同时发生摩擦、润滑与磨损等现象, 其中摩擦是基本的, 润滑是为了改善摩擦工况, 磨损是摩擦的结果。

4可控机械密封的设计

不同普通机械密封,可控机械密封是一种主动装置 ,它可以以一种预程序化受控方式对密封的工作条件或和环境条件的变化作出积极快速反应。这种密封具有可调节的可变膜厚 ,在工作期间,如果膜厚值太大或太小,通过调节可将膜厚调至最佳值。膜厚的调节,可以通过控制冲洗液量或温度间接地获得 ,也可 以通过

控制端面开启力或闭合力直接地获得。调节方式有手工调节,但更有效而可靠的方法是使用 自动控制系统,即利用微机的控制系统和传感器不断地自动调节膜厚使之设置在最佳膜厚或最佳膜温。

普通机械密封往往只能在设计点稳定运行,一旦工作条件或 和环境条件发生变化 ,则可能产生的高值端面载荷将导致高磨损,缩短密封寿命甚至完全失效 或者是端面膜厚过大,产生严重泄漏而导致密封的失效。这类失效造成的停产、环境污染等方面的损失 ,往往是密封本身价格的数倍甚至几十倍,上百倍。特别是对一些工况十分苛刻和关键的设备 如输送剧毒、易燃和易爆介质泵及核电站主冷泵等 来讲 ,失效造成的损失将是无法估量的。所以在这类应用场合,采用较复杂和较 昂贵的主动控制的密封 ,既可大大提高密封的工作寿命,又可提高整套装置的可靠性及允许更宽范围的工作条件 ,同时还可避免 由于制造及安装产生的问题。

可控机械密封控制系统的反馈信号为端面温升。但当密封箱内介质温度基本恒定时,反馈信号就仅指端面温度。端面温升同润滑膜厚关系重大,易于测量,而且精度较高。到目前为止,还不曾见有对机械密封实际运行时的端面扭矩或功耗的成熟测量方法,为此 ,将端面扭矩作为控制系统的反馈信号的方法值得进一步探讨。

为完善可控机械密封 ,应使规则系统更为完善,并应用微 电子学,采取在线控制 ,使得控制系统尺寸小且费用低。随着工业生产水平和要求的提高,将来的密封面临的可能是更高速度和压力以及更严格的排放物标准。为了满足这些要求,就应研究设计并制造出能投入工业应用的、最大程度地限制泄漏的装置,即带有反馈信号系统的能有效受控的机械密封。

参考文献

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