淺析高壓機械密封的設計和應用

摘要：伴隨著機械密封技術的不斷發展，高壓機械密封的設計與應用逐漸成為眾多機械專家研究的重點。這一技術也是進行自動化以及文明生產必要的環節。文章主要就高壓機械密封的設計以及應用進行探討，通過介紹高壓機械密封的概況，介紹了機械密封的種類、主要類型等，還分析了目前高壓機械密封的現狀，著重介紹了結構設計方面的內容。同時，對影響高壓機械密封設計的因素進行分析。并提出相應的解決措施，還對高壓機械密封的應用情況進行了分析。

關鍵詞：高壓機械密封；設計；應用

0.引言

高壓機械密封是船舶及高壓容器常用的轉軸密封裝置，其主要是通過動、靜兩環之間發生摩擦來實現密封功能，這主要是因為摩擦生熱，端面在溫度升高的情況下發生磨損，從而影響高壓機械密封的使用壽命，降低了安全系數[1]。所以說，在設計時，一定要對溫度進行嚴格的控制，降低端面的溫度，從而確保高壓機械裝置的安全性。

1.高壓機械密封概況

1.1. 機械密封設計概況

1.1.1.機械密封設計研發的目的

機械密封的主要目的其實是對可能出現泄漏的地方或者已經發生泄漏的地方進行密封，設置好物理壁壘，根據其用途以及實際所需，從而進行設計，以實現多種功能，達到延長使用壽命，增加安全性，滿足社會各方面的需求的目的[2]。

1.1.2.機械密封種類

按照作用來分，可以分為軸用密封、防塵密封以及導向環，還有孔用密封與固定密封等，而按照材料來分，可以分為工程塑料、聚氦酯以及橡膠等[3]。

1.1.3.機械密封的主要類型

機械密封與相對運動有關，一種是相互之間不存在相對運動，一種是相互之間存在相對運動，前者產生密封性的靜密封件，后者產生密封性的動密封件。除此之外，機械密封系統還有根據專門為了防止灰塵或者其他有害物質進入而進行設計，這種設計一般都是采用防護罩或者與之類似的結構，這種機械密封是一種半靜密封件。

1.1.4.密封件的命名及歸類

靜密封件通常依型式來命名，如墊片、環形密封件等墊片又可以進步按材料來分類，像橡膠墊片、非金屬墊片、金屬墊片等，或者按其結構化分為平墊片、螺旋纏繞墊片等密封膠常被看作是靜密封中單獨的類，分別為液態聯結、液體墊片、螺紋密封膠等；而動密封件則可以歸為強制壓力下貼壓在密封而上的接觸型密封件與靠固定間隙（即沒有摩擦接觸）起作用的間隙密封件兩大類[4]。

1.2. 高壓機械密封的現狀

密封腔體壓力超過3MPa時所采用的機械密封屬高壓機械密封，其零件選材、可靠性要求、結構等都有別于通用型機械密封[5]。就目前而言，我國對高壓機械密封技術的研究還是比較落后，性能穩定性較差，且多是從國外引進。經過多年的研究，我國已經有所收獲，研究出了一系列的高壓機械密封產品。如圖1所示，圖為高壓機械密封裝置簡圖：

密封與零件結構型式是高壓機械密封的兩種結構型式，在對結構進行設計時，需要將壓力的平衡問題放在首要位置來考慮，因為壓力不平衡可能導致密封發生變形或者改變位置的情況，這會大大影響密封情況。

2. 1.傳動機構設計

一般在高壓情況下，高壓機械密封裝置多是通過一些承受力極其差的小零件來進行傳動操作。因此，想要加強傳動的承受力度，可以通過增強起動扭矩來加強，并將起動扭矩估算為4倍的工作扭矩。

2. 2.密封端面設計

高溫性端面設計對摩擦副的要求比較嚴格，因為摩擦副是機械密封的重要零件，不僅要保證摩擦副的平面、粗糙度，而且材料必須具備很強的耐磨、耐腐蝕以及擁有足夠的強度[6]。由此，在對斷面進行設計時，一定要充分考慮摩擦面是否能夠導熱，通過導熱可以減少溫差的變化，保持作用力之間的平衡，從而防止端面發生變形。

密封端面除了可以在動環端面或者靜環端面的作用下形成流體動壓槽，這種槽的深度一般在1毫米上下，如圖2所示，圖為典型流體動壓端面型式。圖中的槽形有各種模式，這些模式多是通過PV來進行設計，并通過實驗一步一步來進行確立。這種新型的流體動壓式密封即使在高壓的情況下，也可以保持端面的穩定性，同時，在摩擦產生熱的情況下，端面依舊穩定。當密封環出現旋轉時，槽可以使得離密封端面距離較遠的液體快速冷卻，詳細如圖3所示：

在進行冷卻操作時，密封環會出現流動楔以及高壓區，這與槽數是一樣的，其主要原因在于切向流以及壓力降，在每一槽后形成慧星狀潤滑楔，密封面上載荷、滑動速度與摩擦系數呈現反比[7]。

2. 3.載荷系數

在高壓的情況下對載荷系數進行取值有著一定的難度，因為只要載荷系數有稍微的變化就可能導致斷面的比壓出現很明顯的變化，這大大影響了參考取值。密封結構對高壓機械密封載荷系數起著重要的影響，同時，介質性質對載荷系數也起著影響，在對載荷系數進行確定時，需要經過很多的實驗來獲取。

經過研究發現，針對非流體動壓式密封，高壓機械密封的載荷系數比膜壓系數高0.05一 0. 15，配合彈簧比壓選取；對于流體動壓式密封，載荷系數應設計成0. 7—0. 85，這使得高壓與密封端面的比壓相對比較小，并且確保了密封端面一直處于貼合的狀態[8]。

2. 4.材料

在材料的選擇上，高壓機械密封必須要是非常耐熱，且容易導熱，同時，還要具備耐摩擦與高強度的相關性能。同時，這些材料除了這些性能，還要滿足工況要求。

在對高壓機械密封的摩擦副進行設計時，一定要重點考慮碳石墨，確保其強度以及剛度達到要求，防止碳石墨環變形，導致性能受到影響。摩擦副的硬環材料，比如硬質合金、碳化硅等，少的強度比碳石墨材料高一個數量級，因此硬環的強度與剛度均能滿足要求，但是這些材料一旦變形就不易復原，設計時應注意熱變形以及抗沖擊性能，過高的負荷，特別是可變的密封壓力，會引起端面變形，即使微米級的變形也將影響密封的性能[9]。

3. 影響高壓機械密封設計性能的因素

3.1.高壓機械進行密封設計的主要目的在于避免出現泄漏，在其他進行密封的地方設置完善的物理壁壘。想要達到此目的，則必須確保密封件具有很大的彈性，可以保證填充密封面的任何的一個不平整之處，并使得此處的剛度不發生任何改變。通過壓緊加載可以形成彈性流動，從而使得密封件保持在受力狀態。如果系統中應力發生任何的松弛，都會對密封件的性能發生影響，導致這種的原因，與密封材料自身的原因有很大的關系，比如其自身的應力松弛，還有熱脹冷縮等。

3.2.高壓機械額密封性的強弱與被密封面上是否留有足夠的壓力有非常大的關系。與此同時，還要盡可能地減低密封件的磨損，從而確保系統的穩定性，保證動態響應以及伺服精度，也可以較少對載荷功率的損耗。在接觸型密封結構中，由于靜態壓縮應力，密封件摩擦作用過程中的周期載荷，以及具有化學和物理化學活性的密封介質的侵蝕作用，對密封材料性能隨時間的穩定也提出了較高的要求，限制了接觸密封元件的使用條件[10]。

4. 提高高壓機械密封設計質量的措施

4.1.對密封件相互之間的功能要進行明確的規定，并且都要滿足密封系統的要求，密封件的每項功能都要致力于保證密封功能。

4.2.在結構上，要盡可能地在使用過程中出現的有害因素，保證密封功能。

4.3.密封在進行連接時，避免生成熱。采取的措施可以是通過采用非接觸密封代替接觸密封，還可以通過用焊接代替連接或者縮短密封周邊。

4.4.人才永遠是各項競爭的關鍵，要大力培養高科技人才，加強人才隊伍建設，在企業內部形成優秀的人才隊伍，從而為高壓機械密封設計提供技術保障。

5.高壓機械密封應用

5. 1.高壓機械密封的技術參數

5. 2.試驗及實際運行

實驗是在現場進行，按照相關的要求將機械密封裝上設備，按機械密封試驗規范，先作靜壓試驗，靜壓合格后，再作動壓試驗[11]。此泵工作參數如下：介質：水，進口壓力8. 6MPa，出口壓力9. 5MPa，密封腔壓力9. 65MPa，溫度187 0C[12]。此外，在齊魯塑料廠聚丙烯裝置的P200泵上采用的雙端面密封和P201泵上采用的三端面密封，并堅持用了6年；在內蒙化肥廠和九江大化肥合成氨裝置午GA 302泵上使用也已超過2年；現場運行表明該高壓機械密封設計合理，參數和結構選擇正確，所研制產品可完全替代進口同類產品，有些產品的使用壽命甚至超過了國外同類產品[13]。

6.結語

在對高壓機械密封進行設計時，先要避免石墨環出現變形，保證密封的穩定性。同時，在文中提及的結構設計中是在高壓的狀態下進行，及時在壓力出現波動的情況下，密封的變形還是相對比較小的，且這種結構還可以用于雙端面密封，可以確保工作的可靠性。此外，這種結構很大程度上提升了密封的PV值，使得水中的PV值是原先結構的好幾倍。綜上所述，高壓機械密封受到越來越多機械制造專家們的注意，在多個領域發揮著重大的影響。

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