浅探相关参数对机械密封摩擦热的影响

2021-05-18蔡清龙朱艳秋虞佳栋

中国设备工程 2021年9期

关键词：动环液膜密封面

蔡清龙，朱艳秋，虞佳栋

（1.中化兴中石油转运（舟山）有限公司；2.中化舟山危化品应急救援基地有限公司，浙江舟山 316000）

在石油化工行业，各类泵是油品输送的关键设备，而机械密封又是影响泵完好性的重要附件，因而其质量、寿命是选型重点。机械密封按照结构可分为旋转式、滑动式、静止式、内装式、外装式等。与填料密封相比，机械密封密封性好、寿命长，应用广泛。

在接触式机械密封中，动环和静环是关键部件，其接触端面相对运动产生摩擦热，摩擦热会造成局部的高温，进而影响密封的效果，甚至出现密封环断裂等现象。为保证密封效果稳定性，降低接触端面的温度，将是机械密封选型的关键指标。

1 机械密封结构特点

1.1 机械密封摩擦副材料

机械密封核心部件是摩擦副，即动环和静环，它很大程度上决定了机械密封的性能和寿命。动环和静环相对滑动将产生磨损和发热，因此，摩擦副材料应达到以下要求。

（1）物理性能：弹性模量大、密度小、导热性好、热膨胀系数低、耐热裂和热冲击性好。

（2）化学性能：耐腐蚀、抗溶胀、不易老化。

（3)机械性能：高机械强度、自润滑性好、低摩擦系数、能承受短时间的干摩擦、耐磨性好、适当的硬度。

在材料选取时，通常是动静环为一软一硬搭配。常用摩擦副软材料为碳-石墨、聚四氟乙烯等，硬质合金、陶瓷及青铜等多作为硬材料。碳-石墨由于其自润滑性、化学钝性、较高的化学耐蚀性及相对低的消耗广泛用作软材料。相对硬材料，石墨被摩擦，在其表面很快形成一层相当薄的膜，在摩擦过程中，这层膜对控制温度上升起着重要作用。

1.2 动环受力分析

如图1所示，机械密封在稳态工况下受力是平衡的，即有：

图1 动环受力分析

其中，psp为弹簧力，ps为作用于动环左侧的介质压力，p0为动环右侧液膜压力形成的推开力，p为端面密封压紧力，单位均为MPa。A为动静环密封面接触面积，A1、A2分别为动环左右两侧介质的作用面积，单位为m2。

则密封面单位面积上的力：

式中，G为弹簧弹性模量；D为弹簧丝径；n为弹簧有效圈数；d为弹簧直径。

如用p1表示平均液膜压力，则有：

式中，D2为密封面外径，m；D1为密封面内径，m；D0为轴径，m。p2为弹簧比压，，Pa；p1为介质压力，，Pa；λ为膜压系数，；k为载荷系数，；

再以平衡系数β=1-k代入上式，得端面比压：

2 相关参数对摩擦热的影响

2.1 k、b值的选取

k代表介质压力ps的作用面积与密封端面面积之比，与密封结构有关。密封流体压力作用在补偿环上（如机械密封动环），使其对于非补偿环（例如机械密封静环）趋于闭合的有效作用面积与密封环带面积之比称为载荷系数。

如图2示，D0≤D1，没有轴肩，所以k≥1，说明全部的介质压力作用在密封端面上。此时β≤0，说明介质压力完全没有被平衡，此结构为非平衡型。

图2 非平衡型机械密封

如图3示，为 10 <

如图4示，当D1=D0，此时k= 0,β=1，介质压力完全被平衡，此结构为完全平衡型。

图3 平衡型机械密封

图4 完全平衡型机械密封

载荷系数对密封性、使用寿命有很大影响，从密封性角度考虑，如果载荷系数大，端面比压高，密封的稳定性和可靠性都较好。同时，载荷系数大产生较高摩擦热，如不能及时散去热量，导致密封面温度过高，当达到介质气化温度时，介质发生气化，液膜破坏，磨损加大，使用寿命短。

因此，针对非平衡性机械密封，当轴径一定，k值对端面比压的影响至关重要，在选取机械密封型号时，应综合考虑密封端面b的大小。动静环接触宽度b太大，则磨损大，发热多，耗功大，冷却和润滑效果差，而且密封面的平直度不易保证。但宽度不易过小，否则，强度太低。高转速、易挥发的介质，应取小值。在摩擦副中，硬环的宽度应大于软环，以免硬环棱角嵌入软环中，破坏密封面而引起密封失效。

相关试验结果表明，密封面宽度b如采用窄面，相对于宽面，在相同转速的情况下，窄面机械密封可以明显降低温升。不同转速下，窄面静环的端面温升仅为宽面静环的20%左右，其原因是接触面的内外温差小，散热好、产生的摩擦耗功上相对较小。因此，在散热方面考虑，宜采用窄面。

当介质压力较高时，必须降低机械密封k值，而采用平衡型机械密封。一般情况下，当介质压力高于67.84×104Pa时，即应采用平衡型，对黏度小、润滑性差的介质，介质压力高于49.03×104Pa时，即采用平衡型。

2.2 端面比压pb的选取原则

端面比压pb是机械密封的重要参数，它与弹簧力大小、密封结构、介质压力和黏度有关。端面比压必须保持一定值，才能使两个密封端面始终紧密贴合，防止泄漏。比压也不宜过大，否则，会使磨损加剧，并产生大量的热量，甚至使液膜蒸发，变成干摩擦。合理的比压应使端面保持一层极薄的液膜，既能保证良好的润滑，又不使介质大量泄漏。端面比压选取原则：

（1）高于弹簧比压；

（2）大于介质在端面温度升高时的饱和蒸汽压；

（3）外装式机械密封，可取稍小值；

（4）高黏度介质，可取稍大值；

（5）易挥发油品或化工品，可取稍小值，以减少温升。

2.3 弹簧比压p2与泄漏量、摩擦耗功的关系

由式(2)可得，弹簧比压p2是端面比压pb的重要组成部分，当β与λ值和接近1时，p2将成为pb的主要部分。为保证有足够的pb以减少泄漏，必须增大p2，而过大的p2将产生较大的磨损，影响机械密封寿命。p2与泄漏量、摩擦耗功存在密切联系。

（1）在p2较小时，因平衡系数较大，平衡度较小，故p2对泄漏量的影响较小。如果p2接近一定值时，p2对泄漏量的影响明显增大。

（2）当p2愈大时，摩擦功耗愈亦大。p2大，意味着机械密封端面贴合紧密，机械密封动、静环密封端面之间的微凸体接触压力大，摩擦力大，摩擦功耗大。

随着转速的增大，p2对机械密封摩擦功耗的影响也相应增大，相同工作时间内机械密封的摩擦路程也相应增大。p2相同的机械密封，也会因为转速的增大而消耗更多的功率。p2增大，加大了不同转速下机械密封摩擦功耗的差别。机械密封p2在合适的范围内，可将泄漏率控制在一定范围内。值得注意的是，相同机械密封如在介质压力不同，存在不同的最佳弹簧比压。