淺探相關參數對機械密封摩擦熱的影響

蔡清龍，朱艷秋，虞佳棟

（1.中化興中石油轉運（舟山）有限公司；2.中化舟山危化品應急救援基地有限公司，浙江 舟山 316000）

在石油化工行業，各類泵是油品輸送的關鍵設備，而機械密封又是影響泵完好性的重要附件，因而其質量、壽命是選型重點。機械密封按照結構可分為旋轉式、滑動式、靜止式、內裝式、外裝式等。與填料密封相比，機械密封密封性好、壽命長，應用廣泛。

在接觸式機械密封中，動環和靜環是關鍵部件，其接觸端面相對運動產生摩擦熱，摩擦熱會造成局部的高溫，進而影響密封的效果，甚至出現密封環斷裂等現象。為保證密封效果穩定性，降低接觸端面的溫度，將是機械密封選型的關鍵指標。

1 機械密封結構特點

1.1 機械密封摩擦副材料

機械密封核心部件是摩擦副，即動環和靜環，它很大程度上決定了機械密封的性能和壽命。動環和靜環相對滑動將產生磨損和發熱，因此，摩擦副材料應達到以下要求。

（1）物理性能：彈性模量大、密度小、導熱性好、熱膨脹系數低、耐熱裂和熱沖擊性好。

（2）化學性能：耐腐蝕、抗溶脹、不易老化。

（3)機械性能：高機械強度、自潤滑性好、低摩擦系數、能承受短時間的干摩擦、耐磨性好、適當的硬度。

在材料選取時，通常是動靜環為一軟一硬搭配。常用摩擦副軟材料為碳-石墨、聚四氟乙烯等，硬質合金、陶瓷及青銅等多作為硬材料。碳-石墨由于其自潤滑性、化學鈍性、較高的化學耐蝕性及相對低的消耗廣泛用作軟材料。相對硬材料，石墨被摩擦，在其表面很快形成一層相當薄的膜，在摩擦過程中，這層膜對控制溫度上升起著重要作用。

1.2 動環受力分析

如圖1所示，機械密封在穩態工況下受力是平衡的，即有：

圖1 動環受力分析

其中，psp為彈簧力，ps為作用于動環左側的介質壓力，p0為動環右側液膜壓力形成的推開力，p為端面密封壓緊力，單位均為MPa。A為動靜環密封面接觸面積，A1、A2分別為動環左右兩側介質的作用面積，單位為m2。

則密封面單位面積上的力：

式中，G為彈簧彈性模量；D為彈簧絲徑；n為彈簧有效圈數；d為彈簧直徑。

如用p1表示平均液膜壓力，則有：

式中，D2為密封面外徑，m；D1為密封面內徑，m；D0為軸徑，m。p2為彈簧比壓，，Pa；p1為介質壓力，，Pa；λ為膜壓系數，；k為載荷系數，；

再以平衡系數β=1-k代入上式，得端面比壓：

2 相關參數對摩擦熱的影響

2.1 k、b值的選取

k代表介質壓力ps的作用面積與密封端面面積之比，與密封結構有關。密封流體壓力作用在補償環上（如機械密封動環），使其對于非補償環（例如機械密封靜環）趨于閉合的有效作用面積與密封環帶面積之比稱為載荷系數。

如圖2示，D0≤D1，沒有軸肩，所以k≥1，說明全部的介質壓力作用在密封端面上。此時β≤0，說明介質壓力完全沒有被平衡，此結構為非平衡型。

圖2 非平衡型機械密封

如圖3示，為 10 <

如圖4示，當D1=D0，此時k= 0,β=1，介質壓力完全被平衡，此結構為完全平衡型。

圖3 平衡型機械密封

圖4 完全平衡型機械密封

載荷系數對密封性、使用壽命有很大影響，從密封性角度考慮，如果載荷系數大，端面比壓高，密封的穩定性和可靠性都較好。同時，載荷系數大產生較高摩擦熱，如不能及時散去熱量，導致密封面溫度過高，當達到介質氣化溫度時，介質發生氣化，液膜破壞，磨損加大，使用壽命短。

因此，針對非平衡性機械密封，當軸徑一定，k值對端面比壓的影響至關重要，在選取機械密封型號時，應綜合考慮密封端面b的大小。動靜環接觸寬度b太大，則磨損大，發熱多，耗功大，冷卻和潤滑效果差，而且密封面的平直度不易保證。但寬度不易過小，否則，強度太低。高轉速、易揮發的介質，應取小值。在摩擦副中，硬環的寬度應大于軟環，以免硬環棱角嵌入軟環中，破壞密封面而引起密封失效。

相關試驗結果表明，密封面寬度b如采用窄面，相對于寬面，在相同轉速的情況下，窄面機械密封可以明顯降低溫升。不同轉速下，窄面靜環的端面溫升僅為寬面靜環的20%左右，其原因是接觸面的內外溫差小，散熱好、產生的摩擦耗功上相對較小。因此，在散熱方面考慮，宜采用窄面。

當介質壓力較高時，必須降低機械密封k值，而采用平衡型機械密封。一般情況下，當介質壓力高于67.84×104Pa時，即應采用平衡型，對黏度小、潤滑性差的介質，介質壓力高于49.03×104Pa時，即采用平衡型。

2.2 端面比壓pb的選取原則

端面比壓pb是機械密封的重要參數，它與彈簧力大小、密封結構、介質壓力和黏度有關。端面比壓必須保持一定值，才能使兩個密封端面始終緊密貼合，防止泄漏。比壓也不宜過大，否則，會使磨損加劇，并產生大量的熱量，甚至使液膜蒸發，變成干摩擦。合理的比壓應使端面保持一層極薄的液膜，既能保證良好的潤滑，又不使介質大量泄漏。端面比壓選取原則：

（1）高于彈簧比壓；

（2）大于介質在端面溫度升高時的飽和蒸汽壓；

（3）外裝式機械密封，可取稍小值；

（4）高黏度介質，可取稍大值；

（5）易揮發油品或化工品，可取稍小值，以減少溫升。

2.3 彈簧比壓p2與泄漏量、摩擦耗功的關系

由式(2)可得，彈簧比壓p2是端面比壓pb的重要組成部分，當β與λ值和接近1時，p2將成為pb的主要部分。為保證有足夠的pb以減少泄漏，必須增大p2，而過大的p2將產生較大的磨損，影響機械密封壽命。p2與泄漏量、摩擦耗功存在密切聯系。

（1）在p2較小時，因平衡系數較大，平衡度較小，故p2對泄漏量的影響較小。如果p2接近一定值時，p2對泄漏量的影響明顯增大。

（2）當p2愈大時，摩擦功耗愈亦大。p2大，意味著機械密封端面貼合緊密，機械密封動、靜環密封端面之間的微凸體接觸壓力大，摩擦力大，摩擦功耗大。

隨著轉速的增大，p2對機械密封摩擦功耗的影響也相應增大，相同工作時間內機械密封的摩擦路程也相應增大。p2相同的機械密封，也會因為轉速的增大而消耗更多的功率。p2增大，加大了不同轉速下機械密封摩擦功耗的差別。機械密封p2在合適的范圍內，可將泄漏率控制在一定范圍內。值得注意的是，相同機械密封如在介質壓力不同，存在不同的最佳彈簧比壓。

2.4 摩擦熱Q的計算

式中，Q為端面摩擦熱；f為摩擦副的摩擦系數；，為端面面積；pb為端面比壓；為摩擦端面平均線速度；為端面平均直徑；

由上式可以看出，密封端面的摩擦熱同時取決于壓力、速度。密封端面的性質要考慮pb、VC的乘積，即PV值。PV值也是衡量機械密封工作狀況的重要參數，針對不同工況，PV值應選擇合適范圍，如PV值過大，液膜氣化嚴重，端面容易磨損導致密封失效。

摩擦熱量是機械密封內產生高溫的主要因素，有研究表明，密封腔內的溫度超過150℃時機械密封可能出現以下問題：

（1）端面摩擦熱不能被帶走，還會對密封環起起到加熱作用，使密封端面溫度高，造成端面液膜汽化，出現干摩擦。

（2）密封環摩擦副發生熱變形和熱裂。產生熱裂的主要原因是密封端面在回轉過程中，不斷產生大量摩擦熱使表面凹凸不平而加速了磨損。同時，熱裂都是徑向的，加大泄漏的渠道，改變端面間的壓力分布，影響密封。

（3）輔助密封圈迅速老化和變形。

3 結語

載荷系數k、端面寬度b、端面比壓pb、彈簧比壓p2將對機械密封端面的摩擦熱量產生重要影響，在機械密封選型時，除綜合以上參數外，還要考慮工況，合理選型。在不同設備使用同一機械密封時，要注意彈簧比壓p2的預測和調整，以保證機械密封的良好密封性能和摩擦特性。

泵在運行過程中，機械密封端面相互摩擦，當端面溫度超過某一介質的汽化溫度時，會在密封端面局部汽化（沸騰），形成局部干摩擦，密封面出現凹坑，是機械密封泄漏的主要原因之一。因此，有效的機械密封冷卻裝置必不可少，保證能及時帶走摩擦熱，有效延長機械密封使用壽命。