国外船用密封件应用现状及特点分析

汪晓菲，李佳佳，王娜娜

（上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

船用密封件主要用于船艇主辅机的冷却、消防、压载、舱底等系统中，是设备及管道连接处以防止其漏油、漏气、漏水以及外界环境介质侵入的基础组件。当前，各国船用密封件都在向高压力、高耐磨性、高润滑性和超高/低温性等方向发展[1]。

1 国外船用密封件应用现状分析

1.1 军船应用

在军船应用领域，各国供应商主要关注密封件的故障率及可维修性，倾向于研发抗腐蚀性良好、密封性好、寿命更长的密封件。在美国Huntington Ingalls工业公司的一级供应商名单中[2]，主要有5家供应商（见表1）为海军提供船用密封件。其中，美国Fort Worth Gasket & Supply公司及美国Grayloc Products公司更专注于国防军事领域，其产品符合多项军用标准。当前，供应商提供的产品多为传统密封产品，如：O形密封圈和机械密封等，其中，美国Dresser-Rand公司可提供干气密封这一新型密封技术。

表1 Huntington Ingalls 工业公司密封件一级供应商

除此之外，美国Flowserve公司的GX-200非接触式金属波纹管干气密封件也是值得重点关注的。

该密封件属于加压气体屏障密封件，采用Flowserve非接触式外装式金属波纹管双端面技术，运行参数为：压力为1.38 MPa，温度范围为−260 ℃～−40 ℃，速度为2.5 m/s～35.0 m/s，轴径为1 in～3 in（1 in＝2.54 cm）[3]；主要材料为合金C-276或合金718金属，其防颗粒的特征最大程度地降低了污染，且可以在危险事件中实现零排放。该型密封件在美国海军“Spruance DD 963”级驱逐舰、“CG47”级巡洋舰和“DDG”级驱逐舰上得到了应用，以解决燃油泄漏及密封件故障频率上升的问题。该型密封件能在超过规定的1 000 h测试期限后继续运行，通过了海军的技术要求。

1.2 民船应用

目前，在民船领域，密封件技术规格要求一般参照美国材料与试验协会（American Society of Testing Materials，ASTM）和美国机动车工程师学会（Society of Automotive Engineers，SAE）等行业组织颁布的密封件工业标准，如：ASTM F1511-18 Standard Specification for MechanicalSeals for Shipboard Pump Applications（船用泵机械密封件的标准规范）等的技术要求。因不同船型产生了许多专用密封件，并通过研发不同材料及技术来适应各类船型对密封的需求。全球知名的密封件供应商在民船领域主要专注于特殊应用领域或船用配套设备细分产品方面，相关情况见表2。

表2 国外知名密封件供应商基本情况表

续表2：

其中，美国Flowserve公司提供了多种用于船舶领域的密封件技术，主要为机械密封，如：金属波纹管密封和推杆密封等；同时，也提供干气密封等新型密封技术，并提供特种密封及浆液密封技术用于特殊船用领域。该公司设计的泥浆船专用SLC重载工矿集装式推进型密封（见图1）的特点如下：密封固体含量比重达60%的浆液；采用非阻塞锥形弹簧设计；无动态O型圈被卡滞的现象；操作时无需冲洗，因而可降低运行成本，避免对产品的稀释。该密封件压力达2.06 MPa，运行温度在−18 ℃～110 ℃，轴径为32 mm～220 mm。

图1 美国Flowserve 公司浆液密封件SLC 外形图

瑞典SKF集团的船舶密封件产品组合包括径向轴密封件、Simplex艉轴管密封件、液压密封和Simplex Centrax舱壁密封件等，应用于螺旋桨、轴承、舵机、辅助设备和甲板设备等领域。其中，HMS5型及HMSA10型径向轴密封件是根据国际标准ISO 6194-1及德国工业标准DIN 3760设计的，广泛应用于工业领域。

1.3 特殊环境应用

1）极地环境应用

根据挪威·德国劳氏船级社（DNV·GL）于2015 年发布的PART 6 ADDITIONAL CLASS NOTATIONS CHAPTER 6 COLD CLIMATE相关章节提出了极地船密封件的基本要求：“密封应防止污染物流出，并适合工作温度。应急计划为防止故障条件下污染物的排放，应记录在案；密封件进行型式认证型或其他经验证的设计[4]。”在DNV GL 的严格要求下，英国Roxtec 公司于2018 年为英国RRS Sir David Attenborough 极地研究船提供密封解决方案，为使该船能够在南极和北极的极端条件下运行60 天，英国Roxtec 公司将密封件安装在关键区域，包括机舱、发电机和外部照明设备等，同时密封件还提供一定的保护措施，使其免受多种危害，如：火灾、水、气体、振动、电磁干扰和爆炸。

2）深潜环境应用

深海装备在深海高压环境下需安全稳定运行，因此其对密封件的要求较高。目前，美国Oceaneering 公司和法国MAUCOUR 公司等开展了深海环境下的密封件技术研究。其中，美国Oceaneering 公司开发了双手柄液压密封连接器（Hydraulic Double Grip and Seal Connector，HDGSC），该连接器通过在跨接管和现有海底管道之间建立连接件来满足深水连接的要求，并提供深海管道修复解决方案（见图2）。通过遥控无人潜水器（Remote Operated Vehicle，ROV）操纵HDGSC 实现海底阀芯件维修，进而完成密封过程。

图2 美国Oceaneering 公司双手柄液压密封连接器

图3 法国MAUCOUR 公司深海密封件结构图

2 国外船用密封件应用特点分析

2.1 注重聚氨酯、超高分子量聚乙烯、三元乙丙等密封新材料的应用

随着船用密封件使用要求的提高，密封新材料的研究与应用也进入新的阶段。如德国Simrit公司独家推出用自润滑材料PU 92 AU 21100 聚氨酯PU 材料，具有良好的润滑性，耐超低温（可达−253℃）；而超高分子量聚乙烯的应用，更是使其具有了一定的润滑性、耐磨损和耐冲击性等，被广泛应用于船舶领域；德国Freudenberg Sealing Technologies 公司研发出低温三元乙丙橡胶LM426288 材料和耐低温氟橡胶LM426776 材料，推出耐高低温密封件。

2.2 加强干气密封、磁流体密封、刷式密封等前沿密封技术的研发

当前，密封产品不断推陈出新，科研人员相继研发出具有零泄漏、高性能、高可靠性及寿命长的干气密封件、磁流体密封件、刷式密封等新兴密封技术。如：美国Flowserve 公司推出了GX-200 非接触式金属波纹管干气密封件，缓解了OEM 接触式机械密封件无法达到燃油零泄漏要求，故障率较高的现状。另外，为提高船舶航行速度，代替传统盘根密封的磁流体密封技术被用于舰船螺旋推进器的主轴密封，使主轴功率损耗降低10%～40%。德国MTU 发动机公司已申请了刷式密封专利，这是一种高效阻尼密封，有效避免了因直接长时间高频率与转动部件碰磨后而导致密封件与转动部件之间密封间隙永久性增大，一定程度上降低了燃油消耗、二氧化碳和氮氧化物排放。

2.3 重视耐高低温、减阻性能好、寿命长等密封件性能的提升

国外企业通过研制新材料、新工艺、新设计等方面不断提升密封件的高低温性能、减阻性能、寿命等性能。例如美国金属碳公司（Metcar）研发了一种将碳石墨注入一系列材料中的专利工艺，致力于提高密封件的耐高温性能；德国Freudenberg Sealing Technologies 公司研发了一种耐低温氟橡胶，以用于O 形环和小型橡胶低温静态密封件，其研制出的密封件能够承受低至-67 ℃的低温和高至270℃的高温。瑞典SKF 公司注重延长密封件寿命，研发出“液压提升”（hydrodynamic liftoff）技术及涂层坚固技术，通过使密封件在薄气膜状态下工作，免去了在静部件和动部件之间的完全接触，有效改善了密封件表面的摩擦力和磨损特征，延长了密封件寿命[5]。

3 结论

基于对国外船用密封件领域的主要供应商、典型产品及主要应用场景的研究分析，从新材料、新密封技术及高性能要求3个方面总结当前船用密封件的应用特点后发现，国外船用密封件行业发展呈稳步发展的趋势，并将重心放于特殊工况密封件产品，不断研发新材料技术及新型密封技术以替代老旧技术，从而提升密封效率，提高密封件性能，确保船舶正常行驶。

因此，我国需结合国外的技术趋势及研发重点，尽快突破当前船用密封件的技术短板和瓶颈，在缩小与国外技术差距的同时，逐步实现自主创新，促进产业转型升级，提高国内船用密封件市场覆盖率。