核主泵機械密封輔助O形密封圈摩擦學特性實驗研究

鄭嘉榕 文 學 楊全超 向先保 孟祥鎧

(1.福建福清核電有限公司 福建福清 350318；2.浙江工業大學過程裝備及其再制造教育部工程研究中心 浙江杭州 310032)

核主泵用流體動壓型機械密封起到防止核主泵內含有放射性物質的高溫、高壓水的泄漏，其安全性和可靠性對核電站的安全穩定運行具有重要的影響[1-8]。核主泵用機械密封第三級輔助密封圈安裝于靜環組件與密封法蘭(插入件)之間，起到防止水沿兩者間的縫隙泄漏的作用，并兼有吸振的功能，是核主泵用機械密封的關鍵輔助部件。現場使用發現，經過一定的使用周期后，機械密封插入件與O形密封圈接觸部位出現了嚴重的磨損，影響了機械密封的正常工作狀態，致使第三級密封前壓力升高，泄漏率升高，嚴重影響了核電站的安全運行。

針對核主泵機械密封輔助密封圈，劉瑩等人[9]采用SRV摩擦磨損試驗機對三元乙丙橡膠與具有DLC涂層的鋼配偶件進行対磨，獲得了密封材料的摩擦因數隨潤滑狀態、載荷、溫度及滑動速度的變化規律。鄭金鵬等[10]建立了輔助密封圈的有限元分析模型，研究了位移幅值、密封介質壓力、壓縮率及摩擦因數等對其微動特性的影響，指出O形密封圈在黏著狀態下的綜合性能最佳。廖傳軍等[11]針對核主泵用流體靜壓型機械密封中的O形密封圈，系統探討了其初始壓縮和受載壓縮2種狀態下幾何與力學特性的分析模型和計算方法，結合軸封系統，給出了O形密封圈結構參數、接觸幾何參數和力學參數的計算方法。

為便于輔助密封圈的安裝，現場一般需在O形密封圈表面涂抹硅脂以降低安裝時的摩擦力。為分析涂抹硅脂對輔助密封圈正常工作性能的影響，本文作者在前人對橡膠進行的摩擦學性能研究基礎上[12-16]，對機械密封輔助系統中O形密封圈摩擦性能做了進一步研究，評估安裝前涂抹潤滑脂在輔助密封系統服役過程中所起到的潤滑作用。重點分析了干摩擦狀態及脂潤滑兩種狀態下的摩擦因數與滑移速度之間的關系，并評估安裝前涂抹潤滑脂潤滑的必要性及其在密封服役過程中的潤滑作用，研究結果可為揭示輔助密封失效機制提供理論指導，并為核電站主泵機械密封的現場維護提供幫助。

1 試驗部分

1.1 試驗材料及制備

采用與輔助密封圈/插入件接觸方式相同的柱-面接觸，以核電站現行服役的三元乙丙橡膠(EPDM)O形密封圈/316L不銹鋼平面為研究對象。其中，橡膠柱面由現役核電站采用的O形密封圈(截面直徑5.33 mm，邵氏硬度70)截成10 mm長的圓柱作為上試樣，如圖1所示。

圖1 輔助O形密封圈

下試樣采用316L不銹鋼制備的平面試塊，尺寸為40 mm×30 mm×10 mm，其摩擦配對面粗糙度控制在Ra0.4 μm左右。試驗前，將不銹鋼對偶件放入丙酮中進行超聲波清洗以去除表面油,干燥后備用；橡膠柱面上試樣用去離子水清洗以去除表面灰塵并干燥。試驗所用潤滑脂為核電站安裝O形密封圈所使用的潤滑脂，型號為MOLYKOTE 111。

1.2 試驗方法

如圖2所示為流體動壓型機械密封結構示意圖，其密封動環組件安裝于核主泵主軸上并隨軸旋轉，由于主泵軸的軸向跳動，密封動環組件也隨之沿軸向方向做微小運動，而密封靜環在密封介質靜壓力和密封端面間液膜流體動壓作用下跟隨密封動環組件而產生軸向運動，因此輔助O形密封圈也處于軸向往復微動狀態之下。圖3所示為輔助密封結構示意圖。

圖2 機械密封結構示意

圖3 輔助密封結構示意

為模擬輔助密封圈的運動狀態，借助UMT-3多功能摩擦磨損試驗機，建立了如圖4所示的試驗模擬裝置。下試樣在伺服電機的帶動下作往復運動，從而模擬實際機械密封靜環組件的上下運動，橡膠柱上試樣安裝于夾具內，并與下試樣接觸，接觸力大小由上試樣夾具的伺服電機控制。試驗參數選擇如下：往復位移D=0.2、0.5、1 mm，頻率f=0.5、1、4 Hz，法向載荷Fn=40 N；試驗在大氣環境(溫度t=(25±1) ℃，相對濕度RH為55%±2%)下進行。利用該實驗臺，分別開展干摩擦狀態和脂潤滑狀態下輔助密封圈的摩擦學特性試驗研究，其中脂潤滑試驗前，先將定量潤滑脂均勻涂抹在配副金屬表面。

圖4 試驗原理示意

2 結果與討論

2.1 干摩擦工況下摩擦因數時變分析

為研究輔助密封系統安裝完成后，潤滑脂的存在是否會潤滑O形密封圈/插入件摩擦副，文中首先測量了干摩擦狀態下，不同往復位移及不同頻率下O形密封圈與插入件之間的摩擦阻力，從而得出了O形輔助密封圈在干摩擦工況下的摩擦學性能。

圖5所示為在干摩擦狀態下，O形密封圈在不同往復頻率和不同往復位移幅值下的摩擦因數變化規律。

可見，在固定往復位移幅值和固定頻率下，隨著試驗的進行，摩擦因數先迅速增大，后趨于穩定，這是由于試驗啟動時，密封圈與不銹鋼對偶件摩擦生熱，溫度升高的過程中橡膠材質本身的黏彈特性使得摩擦因數增大；隨著試驗的延長，摩擦生熱量與系統的對流換熱量平衡時，摩擦因數不再增大并趨于穩定值。

在文中試驗條件下，雖然往復運動頻率對摩擦因數的影響較小(如圖5(d)所示)，但過高的往復頻率增加了單位時間內的摩擦運動距離，將加劇密封圈和對偶件的磨損。從圖5(d)還可看出，在固定往復運動頻率下，摩擦因數隨往復運動幅值的增大而線性增大，摩擦因數由D=0.2 mm時的0.075左右增大為D=1 mm時的0.27左右。由此可見，隨著往復位移幅值的增大，O形密封圈由黏著狀態向滑移狀態逐漸過渡。這也表明控制核主泵主軸的軸向跳動不僅對機械密封端面有重要影響，對于輔助密封圈也有重要影響。

圖5 干摩擦條件下往復頻率及往復位移對摩擦因數的影響(40 N)

2.2 脂潤滑工況下摩擦因數時變分析

圖6所示為脂潤滑條件下，不同往復頻率和不同往復運動幅值下的摩擦因數隨試驗時間的變化情況。可見，在固定往復頻率和往復幅值下，摩擦因數先迅速增加至一定值后再緩慢增加至穩定值。其主要原因是試驗開始階段，摩擦副處于不穩定狀態，摩擦因數快速增大；隨著試驗的進行，不銹鋼表面的潤滑脂逐漸被O形密封圈排擠，從而造成摩擦界面的潤滑脂逐漸減少，其減摩效應逐漸減弱，摩擦因數緩慢增加。對比圖5可見，在穩定階段，脂潤滑條件下的摩擦因數接近于干摩擦狀態下的值，這也證明摩擦界面的潤滑脂已被擠出。從圖6(d)可發現在大往復運動幅值下，往復頻率對摩擦因數具有一定的影響，摩擦因數隨往復頻率的增大而增大。這可能是因為涂抹的潤滑脂受往復運動的影響被擠出而粘附于O形密封圈兩側，引起了摩擦因數的增大。

圖6 脂潤滑條件下往復頻率及往復位移對摩擦因數的影響(40 N)

2.3 脂潤滑效果評估

圖7所示為載荷40 N、往復頻率1 Hz、不同往復運動幅值下O形輔助密封圈在干摩擦狀態和脂潤滑狀態下摩擦因數的對比。

圖7 不同往復位移下潤滑脂的減摩效果(40 N,1 Hz)

可見，當往復運動幅值較小時(D=0.2 mm)，O形密封圈處于黏著狀態，脂潤滑在一定程度上減小了摩擦因數，但減小程度有限；當往復運動幅值D=0.5 mm時，O形密封圈處于部分滑移區，脂潤滑狀態下摩擦因數略微大于干摩擦狀態；當D=1 mm時，O形密封圈處于完全滑移區，脂潤滑狀態下摩擦因數小于干摩擦狀態，脂的減摩效果較為顯著。對于核主泵機械密封O形密封圈而言，泵主軸的軸向跳動一般不會超過0.1 mm，因此此時密封圈處于完全黏著狀態，硅脂對摩擦因數的減小作用不明顯，且隨著時間的延長，密封副接觸區的潤滑硅脂會被擠出，此外被擠出的硅脂集聚在O形密封圈背面支撐環處的較小間隙處，易吸納各種固體顆粒，從而對插入件或支撐環造成一定的磨損。

3 結論

(1)在干摩擦狀態下，O形密封圈與不銹鋼金屬對磨時，往復運動頻率對摩擦因數影響不大，而往復運動幅值影響較大，且隨幅值的增大摩擦因數線性增大。

(2)在脂潤滑狀態下，當往復位移較小(D=0.2,0.5 mm)時，O形密封圈處于黏著狀態或部分滑移區，往復頻率對摩擦因數影響較小；當往復位移達毫米級別(D=1 mm)時，O形密封圈處于完全滑移區，往復頻率的增大會使得密封界面的摩擦阻力變大。

(3)O形密封圈安裝所用的硅脂短時間內可起到降低摩擦因數的效果，但隨著工作時間的延長，硅脂被從密封界面擠出，起不到降低摩擦因數，減小磨損的作用。

(4)為提高O形密封圈的使用壽命，減小插入件的磨損，應盡量減小泵主軸的軸向跳動，使密封圈接觸界面處于黏著狀態。