上游泵送机械密封技术发展状况与趋势.doc

上游泵送机械密封技术发展情况与趋势
钱经纬
(南京林业大学机电院 江苏南京 210037)
摘要: 上游泵送机械密封是一个含有环境保护、 长寿命、 低能耗、 利用低压流体实现对高压流体密封一项密封技术,它经典特征是在一密封端面开有起上游泵送作用浅槽,利用流体动压效应使得两密封端面被一完整流体膜分开,这极大地改善了密封端面润滑状态。应用前景将宽广。对上游泵送机械密封研究国外开展较早, 而且已生产出多类高性能产品, 实际使用取得良好效果。中国研究较晚, 但多年来已经成为研究热点, 理论与实际应用发展较快。Pro/E、 Fluent、 CAD等软件已及有限元分析等方法是进行该类密封机理研究以及结构参数优化热点之一。在机械密封环上低成当地开出所需形状及尺寸上游泵送槽、 依据密封工况,正确合理地设计出上游泵送机械密封结构等是现在上游泵送机械密封技术发展趋势。
关键字: 上游泵送; 机械密封; 发展情况; 发展趋势
一 引言
机械密封是一个流体旋转机械轴封装置,又称端面密封。传统接触式机械密封是在赔偿机构弹性力作用下,使其充足贴合,以阻止密封介质从密封端面间泄漏。其动/静环组成摩擦副通常处于边界摩擦或混合摩擦状态,在高参数工况(高温、 高压、 高速等)条件下,摩擦因数较大,功耗高,磨损严重,寿命短,使用和维护成本较高。伴随航空航天、 核电、 天然气输送和石油化工等工业快速发展,对机械密封提出了更高要求,从而推进了密封技术进步。
在各类机械密封中, 上游泵送机械密封以其密封性能稳定可靠, 磨损少, 寿命长, 能耗低等优点在机械密封中占有独特优势, 含有宽广应用前景。其采取液体作为密封介质, 是一个非接触式新型轴端密封。上游泵送机械密封产品已成功应用于工程实践, 但不管中国或国外, 对于上游泵送机械密封端面间摩擦特征研究鲜见报到。
文章从密封机理、 特点、 密封效果影响原因、 研究及应用等多个方面叙述了上游泵送机械密封研究现实状况、 存在问题和发展趋势。
二 上游泵送机械密封基础原理【1】
上游泵送机械密封,简单说来,就是一般机械密封端面由一含有低流量、 高压力“端面泵”所替换,该“泵”把少许隔离流体(buffer liquid)沿着密封端面输送到密封腔。该密封端面“泵”效应经过在端面开多种流体动压槽来实现,最常见是螺旋槽。因为密封腔液体压力比隔离流体压力高,而隔离流体流向是从低压隔离流体腔流向高压密封腔,该密封就被称为向“上游”泵送。
经典上游泵送机械密封见图1,其螺旋槽端面结构见图2。图1所表示上游泵送机械密封由一内装式机械密封和装于外端唇型密封所组成,机械密封端面含有螺旋槽,将隔离流体从密封压盖空腔泵送入泵腔。唇型密封作为隔离流体屏障,将隔离流体限制在密封压盖腔内。图2为图1所表示机械密封旋转环示意图,端面有螺旋槽,依据密封工况不作者介绍:钱经纬（1991—）,男,工学学士
南京林业大学机电学院.
同,其深度从2微米到十几微米不等。该端面内半径(R
i)处液体压力即为隔离流体系统压力,外径(Ro)处
液体压力即泵密封腔液体压力。
上游泵送机构密封经过端面螺旋槽作用,在密封端面间建立了正膜压分布,此膜压最大值(Pg)稍微超出被密封介质压力(Po),二者之差(Pg-Po)组成了液体上游泵送推进力。上游泵送机械密封端面间膜压分布示意图见图3,一般机构密封端面间膜压分布见图4。上游泵送机构密封,因为端面间正膜压分布,使两端面稍微分离,方便将下游流体送入上游,结果端面间为100%液膜,极大地改善了端面间润滑情况。上游泵送速率是这类密封关键指标之一,它取决于密封尺寸、 转速、 螺旋槽端面结构、 压力和下游液体粘度,通常为每分钟几毫升。低压隔离流体应与工艺介质相容,通常情况下为一般清水,因为泵送速率很小,对产品稀释问题通常能够无须考虑。

三上游泵送机械密封技术发展情况
1.国外上游泵送机械密封技术发展情况
1981年J Sedy受螺旋槽气体润滑密封技术成功应用启发,将螺旋槽密封技术应用于液体介质研究而取得了高压上游泵送密封专利技术[1],该技术可应用于苛刻密封工况。1984年,J P Netzel在第三界国际泵讨论会上明确解释了上游泵送密封概念:利用密封环端面开流体槽将下游少许泄漏流体泵送回上游。1987年美国Buck、 Volden等在第45界STLE春季年会上发表了“上游泵送机械密封新概念”论文,给出了上游泵送机械密封设计思想。美国John Crane企业研制并生产了8000系列螺旋槽上游泵送机械密封,这类机械密封结构特点是:采取浅槽,其膜厚和流槽槽深均属微米级,并采取润滑槽、 径向密封坝和周向密封堰组成密封和承载部分。其优点是泄漏量小(甚至是无泄漏),膜厚大,消除了接触摩擦,功耗和发烧量小。1989年,A Ali在第六界国际泵用户讨论会上介绍上游泵送机械密封设计思想。1990年,G S Buck、 D Volde以及J P Net-zel分别在摩擦学家和润滑工程师学会(STLE)会刊《润滑工程》介绍了上游泵送机械密封经典用例。1993年R F Salant等探讨了上游泵送机械密封刚度和泄漏率,1995年TOM LAI开发非接触零泄漏螺旋槽液体端面密封结构也有上游泵送密封结构[7]。同年,J P Netzel、 A Parmar介绍了利用优异计算机工具来优化液体润滑机械密封性能,其中就包含上游泵送机械密封[2]。
2.中国上游泵送机械密封技术发展情况
1990年石油大学顾永泉和董飙等研制出了泵出式圆弧槽液体端面密封获国家实用型专利。1998年彭建等对上游泵送机构密封进行了部分试验研究。同年,李克永、 王玉明[3]发明了双环带螺旋槽端面密封,研究结果表明该机械密封含有很好防固体颗粒能力和停车性能。1999年宋鹏云[4]介绍了上游泵送机械密封应用实例,并探讨了计算螺旋槽上游泵送机械密封性能解析计算方法.又对上游泵送机械密封基础原理进行了分析。自以来, 石油大学郝木明、 胡丹梅等人前后开发出单列流体压槽上游泵送机械密封、 双列同向流体动压槽上游泵送机械密封、 单列交错流体动压上游泵送机械密封, 获国家实用型专利。—于新奇等对激光加工多孔端面机械密封摩擦性能进行了试验研究和分析。清华大学摩擦学试验室研究了一个新型双列螺旋槽机械密封工作机制。同年,江苏大学符永宏[5]等发明了一个型零泄漏非接触式机械密封,在机械密封动环(或静环)上开设含有一定分布微观润滑腔和一定形式宏观泵送槽,并获国家发明专利。戴路玲等从密封机理、 研究开发与应用、 研究热点及存在问题和展望多个方面对上游泵送机械密封进行了叙述。周剑锋[6]等对上游泵送机械密封在真空装备中应用开展了研究。研究了上游泵送机械密封在真空装备轴封中应用。该类机械密封动环端面螺旋槽含有泵送效应,可将真空侧阻塞介质向大气侧泵送,从而阻止外界空气向真空腔内渗透。设计了真空腔体外装式和内装式轴封结构,分别研究了动环端面外侧和内侧开螺旋槽时液膜压力分布规律。研究表明,低转速条件下,螺旋槽深度对液膜压力分布影响显著。合理设计螺旋槽槽形参数,可实现空气零渗透,且仅伴随微量阻塞介质泄漏。
江苏大学华希俊[7]等对上游泵送机械密封及其加工新技术进行了研究。综述了中国外上游泵送机械密封技术发展现实状况,介绍了机械密封端面结构及其密封性能,以及包含激光加工在内密封环端面结构多种加工方法及其优缺点,提出了泵送槽快速成型方法,提升了高性能机械密封工业应用价值。高华[8]对上游泵送机械密封在海洋石油平台应用进行了研究。冯秀对螺旋槽上游泵送机械密封摩擦特征试验开展了研究。指出端面摩擦特征是决定上游泵送机械密封工作寿命和密封性能好坏关键原因。对螺旋槽上游泵送机械密封端面摩擦系数进行了试验研究, 结果表明, 伴随端面比压增大, 摩擦系数快速减小, 当端面比压增加到0．3 MPa以后, 变成缓慢减小。当端面比压较小时, 伴随转速增大, 摩擦系数缓慢减小。当弹簧比压达成0．15 MPa左右后, 转速对摩擦系数影响非常小, 可近似认为此时摩擦系数不随转速而改变。在槽型参数中槽深、 螺旋角对端面摩擦系数影响较大, 而槽数、 槽宽比和槽长比对于端面摩擦系数影响较小。此研究结果为上游泵送机械密封正确使用和设计提供依据。同年陈汇龙等人对基于动网格上游泵送机械密封性能参数进行了分析。验证了动网格技术在机械密封内流场模拟中可行性, 同时指出机械密封内流场计算应该考虑空化问题, 才能得到比较真实内流场特征;液膜厚度、 泄漏量和液膜刚度伴随转速、 介质压力增大而增大, 端面螺旋槽在产生泵送效应同时也产生动压效应。同年她还基于Fluent螺旋槽对上游泵送机械密封三维微间隙流场数值进行了模拟。表明所采取模拟方案可对螺旋槽上游泵送机械密封微间隙三维流场进行很好地描述, 该方法可用于密封端面微间隙流场及性能系统研究;对端面压强分布进行分析, 结果表明, 在螺旋槽外槽根处存在最大静压, 液膜开启力增大关键起源于槽根产生最大静压。
另外四川日机密封件有限责任企业对槽型进行了化, 得出螺旋槽密封结构综合性能比人字槽和斜线槽稍好结论, 并用试验证实了化设计出三种上游泵送机械密封结构达成了微泄漏、 微磨损。大庆石油化工总厂伯超从理论上对上游泵送机械密封进行了研究, 编写了计算上游泵送密封端面压力分及端面结构优化程序, 对螺旋槽、 人字槽以及斜线槽上游泵送密封端面进行了设计计算而且对密封面槽型进行了优化。能够看出, 自从提出上游泵送机械密封概念以来, 这种密封得到了广泛应用发展。中国外都不停开发出新槽型结构, 密封可靠性得到了提升。不过针对端面构研究还处于经验阶段, 研究方法还是采取传统设计计算, 工况条件单一。密封设计研究应以计算机为工具, 依据不一样工况条件, 采取软件和数据库, 优化密封结构分析密封性能, 采取参数化设计, 尽可能在设计阶段使密封性能达成最优, 实现设计高效和方便, 满足密封规模化生产。
四 上游泵送机械密封技术发展趋势
1.使用Pro/E、 Fluent等应用软件对上游泵送机械密封性能参数以及三维微间隙流场模拟是对上游泵送机械密封进行研究有效方法。多采取有限元和计算机辅助设计来模拟和估计多种条件下密封性能, 并与相关试验数据相互验证, 这是进行该类密封机理研究以及结构参数优化热点之一。
2.怎样依据密封工况,正确合理地设计出上游泵送机械密封结构,这是设计理论要处理问题。这包含材料选择、 端面结构、 端面泵送液体槽型结构和尺寸、 赔偿结构及赔偿力、 隔离流体及其系统等方面。其中最为关键是怎样综合考虑力变形、 热变形等对密封端面影响,正确确定出螺旋槽在端面间所能产生最大液 体膜压力以及下游隔离流体上游泵送速率。因为上游泵送机械密封是非接触密封,端面因为压力、 温度或制造造成变形都不能经过磨合来修正,这意味着设计时就要考虑这些原因。　
3.能否在机械密封环上低成当地开出所需形状及尺寸上游泵送槽,是这类密封能否推广应用另一关键。选择一个适宜方法改善机械密封环端面泵送槽实现工艺,能够提升现在密封环端面微造型加工。效率,节省成本,降低污染,同时提升机械密封性能,增强上游泵送机械密封工业应用价值。现在,在密封环上开槽方法有腐蚀加工、 摄影腐蚀加工、 放电加工、 磨料加工、 激光加工、 镀膜等,但都因为技术难度大、 成本高、 质量难于控制,在实用密封环上经济开槽工艺还有待深入探索。
五 结束语
上游泵送机械密封是一个新型机械密封, 密封端面为全液膜,冲破了传统密封观念和理论, 含有比一般接触式机械密封更为优良使用性能: 无泄漏, 无污染, 长寿命, 低能耗和辅助系统简单等优点, 含有宽广发展前景。目前高性能机械密封产品关键被欧美大型企业垄断,中国所需大量机械密封产品需要进口,所以,研制含有自主知识产权、 高附加值产品,对于节省外汇,参与猛烈国际市场竞争含有非常关键现实意义。

参考文件
［1］ 宋鹏云.上游泵送机械密封基础原理分析［J］.云南化工,, 27（4）
［2］ 戴路玲、 顾海明.零泄漏上游泵送机械密封机理、 应用及展望 ［J］. 运行与应用 ,,11(2)
［3］ 李克永,王玉明.双环带螺旋槽端面密封,实用新型专利,.6,1998
［4］ 宋鹏云等.螺旋槽上游泵送机械密封性能解析计算[J].润滑与密封,1999,(4):5-7
［5］ 华希俊　黄　骞　符永宏　汤新雄　张彦虎.上游泵送机械密封及其加工新技术研究［J］. 润滑与密封,,35(2)
［6］ 周剑锋,顾伯勤.上游泵送机械密封在真空装备中应用［J］.南京工业大学机械与动力工程学院,,33(1)
［7］ 华希俊　黄　骞　符永宏　汤新雄　张彦虎.上游泵送机械密封及其加工新技术研究［J］. 润滑与密封,,35(2)
［8］ 高华 上游泵送机械密封在海洋石油平台应用［J］. 中国科技信息.(5)