核主泵机械密封辅助O形密封圈摩擦学特性实验研究

郑嘉榕 文 学 杨全超 向先保 孟祥铠

(1.福建福清核电有限公司 福建福清 350318；2.浙江工业大学过程装备及其再制造教育部工程研究中心 浙江杭州 310032)

核主泵用流体动压型机械密封起到防止核主泵内含有放射性物质的高温、高压水的泄漏，其安全性和可靠性对核电站的安全稳定运行具有重要的影响[1-8]。核主泵用机械密封第三级辅助密封圈安装于静环组件与密封法兰(插入件)之间，起到防止水沿两者间的缝隙泄漏的作用，并兼有吸振的功能，是核主泵用机械密封的关键辅助部件。现场使用发现，经过一定的使用周期后，机械密封插入件与O形密封圈接触部位出现了严重的磨损，影响了机械密封的正常工作状态，致使第三级密封前压力升高，泄漏率升高，严重影响了核电站的安全运行。

针对核主泵机械密封辅助密封圈，刘莹等人[9]采用SRV摩擦磨损试验机对三元乙丙橡胶与具有DLC涂层的钢配偶件进行対磨，获得了密封材料的摩擦因数随润滑状态、载荷、温度及滑动速度的变化规律。郑金鹏等[10]建立了辅助密封圈的有限元分析模型，研究了位移幅值、密封介质压力、压缩率及摩擦因数等对其微动特性的影响，指出O形密封圈在黏着状态下的综合性能最佳。廖传军等[11]针对核主泵用流体静压型机械密封中的O形密封圈，系统探讨了其初始压缩和受载压缩2种状态下几何与力学特性的分析模型和计算方法，结合轴封系统，给出了O形密封圈结构参数、接触几何参数和力学参数的计算方法。

为便于辅助密封圈的安装，现场一般需在O形密封圈表面涂抹硅脂以降低安装时的摩擦力。为分析涂抹硅脂对辅助密封圈正常工作性能的影响，本文作者在前人对橡胶进行的摩擦学性能研究基础上[12-16]，对机械密封辅助系统中O形密封圈摩擦性能做了进一步研究，评估安装前涂抹润滑脂在辅助密封系统服役过程中所起到的润滑作用。重点分析了干摩擦状态及脂润滑两种状态下的摩擦因数与滑移速度之间的关系，并评估安装前涂抹润滑脂润滑的必要性及其在密封服役过程中的润滑作用，研究结果可为揭示辅助密封失效机制提供理论指导，并为核电站主泵机械密封的现场维护提供帮助。

1 试验部分

1.1 试验材料及制备

采用与辅助密封圈/插入件接触方式相同的柱-面接触，以核电站现行服役的三元乙丙橡胶(EPDM)O形密封圈/316L不锈钢平面为研究对象。其中，橡胶柱面由现役核电站采用的O形密封圈(截面直径5.33 mm，邵氏硬度70)截成10 mm长的圆柱作为上试样，如图1所示。

图1 辅助O形密封圈

下试样采用316L不锈钢制备的平面试块，尺寸为40 mm×30 mm×10 mm，其摩擦配对面粗糙度控制在Ra0.4 μm左右。试验前，将不锈钢对偶件放入丙酮中进行超声波清洗以去除表面油,干燥后备用；橡胶柱面上试样用去离子水清洗以去除表面灰尘并干燥。试验所用润滑脂为核电站安装O形密封圈所使用的润滑脂，型号为MOLYKOTE 111。

1.2 试验方法

如图2所示为流体动压型机械密封结构示意图，其密封动环组件安装于核主泵主轴上并随轴旋转，由于主泵轴的轴向跳动，密封动环组件也随之沿轴向方向做微小运动，而密封静环在密封介质静压力和密封端面间液膜流体动压作用下跟随密封动环组件而产生轴向运动，因此辅助O形密封圈也处于轴向往复微动状态之下。图3所示为辅助密封结构示意图。

图2 机械密封结构示意

图3 辅助密封结构示意

为模拟辅助密封圈的运动状态，借助UMT-3多功能摩擦磨损试验机，建立了如图4所示的试验模拟装置。下试样在伺服电机的带动下作往复运动，从而模拟实际机械密封静环组件的上下运动，橡胶柱上试样安装于夹具内，并与下试样接触，接触力大小由上试样夹具的伺服电机控制。试验参数选择如下：往复位移D=0.2、0.5、1 mm，频率f=0.5、1、4 Hz，法向载荷Fn=40 N；试验在大气环境(温度t=(25±1) ℃，相对湿度RH为55%±2%)下进行。利用该实验台，分别开展干摩擦状态和脂润滑状态下辅助密封圈的摩擦学特性试验研究，其中脂润滑试验前，先将定量润滑脂均匀涂抹在配副金属表面。

图4 试验原理示意

2 结果与讨论

2.1 干摩擦工况下摩擦因数时变分析

为研究辅助密封系统安装完成后，润滑脂的存在是否会润滑O形密封圈/插入件摩擦副，文中首先测量了干摩擦状态下，不同往复位移及不同频率下O形密封圈与插入件之间的摩擦阻力，从而得出了O形辅助密封圈在干摩擦工况下的摩擦学性能。

图5所示为在干摩擦状态下，O形密封圈在不同往复频率和不同往复位移幅值下的摩擦因数变化规律。

可见，在固定往复位移幅值和固定频率下，随着试验的进行，摩擦因数先迅速增大，后趋于稳定，这是由于试验启动时，密封圈与不锈钢对偶件摩擦生热，温度升高的过程中橡胶材质本身的黏弹特性使得摩擦因数增大；随着试验的延长，摩擦生热量与系统的对流换热量平衡时，摩擦因数不再增大并趋于稳定值。

在文中试验条件下，虽然往复运动频率对摩擦因数的影响较小(如图5(d)所示)，但过高的往复频率增加了单位时间内的摩擦运动距离，将加剧密封圈和对偶件的磨损。从图5(d)还可看出，在固定往复运动频率下，摩擦因数随往复运动幅值的增大而线性增大，摩擦因数由D=0.2 mm时的0.075左右增大为D=1 mm时的0.27左右。由此可见，随着往复位移幅值的增大，O形密封圈由黏着状态向滑移状态逐渐过渡。这也表明控制核主泵主轴的轴向跳动不仅对机械密封端面有重要影响，对于辅助密封圈也有重要影响。

图5 干摩擦条件下往复频率及往复位移对摩擦因数的影响(40 N)

2.2 脂润滑工况下摩擦因数时变分析

图6所示为脂润滑条件下，不同往复频率和不同往复运动幅值下的摩擦因数随试验时间的变化情况。可见，在固定往复频率和往复幅值下，摩擦因数先迅速增加至一定值后再缓慢增加至稳定值。其主要原因是试验开始阶段，摩擦副处于不稳定状态，摩擦因数快速增大；随着试验的进行，不锈钢表面的润滑脂逐渐被O形密封圈排挤，从而造成摩擦界面的润滑脂逐渐减少，其减摩效应逐渐减弱，摩擦因数缓慢增加。对比图5可见，在稳定阶段，脂润滑条件下的摩擦因数接近于干摩擦状态下的值，这也证明摩擦界面的润滑脂已被挤出。从图6(d)可发现在大往复运动幅值下，往复频率对摩擦因数具有一定的影响，摩擦因数随往复频率的增大而增大。这可能是因为涂抹的润滑脂受往复运动的影响被挤出而粘附于O形密封圈两侧，引起了摩擦因数的增大。

图6 脂润滑条件下往复频率及往复位移对摩擦因数的影响(40 N)

2.3 脂润滑效果评估

图7所示为载荷40 N、往复频率1 Hz、不同往复运动幅值下O形辅助密封圈在干摩擦状态和脂润滑状态下摩擦因数的对比。

图7 不同往复位移下润滑脂的减摩效果(40 N,1 Hz)

可见，当往复运动幅值较小时(D=0.2 mm)，O形密封圈处于黏着状态，脂润滑在一定程度上减小了摩擦因数，但减小程度有限；当往复运动幅值D=0.5 mm时，O形密封圈处于部分滑移区，脂润滑状态下摩擦因数略微大于干摩擦状态；当D=1 mm时，O形密封圈处于完全滑移区，脂润滑状态下摩擦因数小于干摩擦状态，脂的减摩效果较为显著。对于核主泵机械密封O形密封圈而言，泵主轴的轴向跳动一般不会超过0.1 mm，因此此时密封圈处于完全黏着状态，硅脂对摩擦因数的减小作用不明显，且随着时间的延长，密封副接触区的润滑硅脂会被挤出，此外被挤出的硅脂集聚在O形密封圈背面支撑环处的较小间隙处，易吸纳各种固体颗粒，从而对插入件或支撑环造成一定的磨损。

3 结论

(1)在干摩擦状态下，O形密封圈与不锈钢金属对磨时，往复运动频率对摩擦因数影响不大，而往复运动幅值影响较大，且随幅值的增大摩擦因数线性增大。

(2)在脂润滑状态下，当往复位移较小(D=0.2,0.5 mm)时，O形密封圈处于黏着状态或部分滑移区，往复频率对摩擦因数影响较小；当往复位移达毫米级别(D=1 mm)时，O形密封圈处于完全滑移区，往复频率的增大会使得密封界面的摩擦阻力变大。

(3)O形密封圈安装所用的硅脂短时间内可起到降低摩擦因数的效果，但随着工作时间的延长，硅脂被从密封界面挤出，起不到降低摩擦因数，减小磨损的作用。

(4)为提高O形密封圈的使用寿命，减小插入件的磨损，应尽量减小泵主轴的轴向跳动，使密封圈接触界面处于黏着状态。