（油气井工程专业论文）热流体动压机械密封设计及性能试验研究.pdf

a s t u d y o nt h ed e s i g na n dt h ep e r f o r m a n c et e s to f t h e r m o h y d r o d y n a m i cm e c h a n i c a ls e a l s w a n gf u l a of o i l & g a sw e 】e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rw a n gr u i h e ( c h i n au n l v n l t yo f p e t r o l e u m c h i n a ) a b s t r a c t m e c h a n i c a ls e a l ，at y p eo fg e n e r a l l y - u s e da n dw e l l - p e r f o r m e ds e a lf o rr o t a t i o n a x i s ，h a sb e e nw i d e l yu t i l i z e di nm a n yf i e l d si nn a t i o n a le c o n o m ya l o n gw i t ht h e a d v a n c e m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r er e q u i r e m e n l sf o rp a c k i n g t e c h n i q u ep r o m o t em r ：c h a n i c a l s e a lt ot h eo r i e n t a t i o no fk g 曲p a r a m e t e r s n e o r e t i c 越墨n a l y s i ga n de x p e r m a e n t a r e s e a r c h 搅p r e s e n t e di nt h e 雠，1 0p r o b e t h e l o a da c c e p t a n c eo f k i n e t i c p r e s s u r em e c h a n i c a ls e a lb yt h e r m a lf l u i dt t s m gi u b n c a t i o n g r o o v ea n dt h em e c h a n i s m st or e d u c ef r i c f i o nh e a ta n dw o r kl o s sa n d t op r o l o n gs e a l e n d u r a n c e 砀e s ea l la l l o wt h e o r e t i c a lm a i n t e n a n c ef o er e l e v a n tp r a c t i c a la p p l i c a t i o n f i r s to f a l lc o m p u t a t i o n a la n a l y s i sf o r t h ed e s i g no f k i n e t i c - p r e s s u r em e c h a n i c a l s e a lu yt h e r m a lf l u i di sc o n d u c t e ds y s t e m a t i c a l l y ，i n v o l v i n gt h eg r o o v e d e s i g n i n t e d e r e n f i a la d a p t a t i o nd e s i g n s p r i n gd e s i g na n dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e rc a l c u l a t i o n , c t c b a s e do nt h i s t h ed e s i g na n dc o l c u l a t i o ni n c t h o df o rk i n e t i c p r e s s u r em e c h a n i c a l s e a tb yt h e r m a lf l u dl se s t a b l i s h e d w h c ht oa ne x t e r ct m p r o v e st f l d e s i g n m e t h o d o l o g y f o rm e c h a n i c a l 蚓 s e c o n d l y , e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o nh a s b e e nc a r r i e do u to nt h ep e r f o r m a n c eo f s e v e r a ls e a ls t r u c t u r e s f o ri n s t a n c e ，m e c h a n i c a ls e a lf r i c t i o ns u bi st h ec o m b i n a t i o n o fg r a p h i t ea n dt u n g s t e nc a r b i d e ，k i n e t i ch o o pc o n s i s t so fg r a p n t eh o o pa n dt u n g s t e n c a r b i d eh o o d s e m i c i r c u l a ra n dc k c u l a rg r o o v e s a i - ec u to nt h es u r f a c eo f k i n e t i c h o o p , a n ds dp n e x p e r i m e n t a li _ e s u l t sd e m o n s t r a t e 也a iw i t ht h ei n c r e a s eo fp r e s s u r e ，t h e l e a k a g ea n d ；e m p e r a t u r em c r e m e n o f t h e s es e a lc o m b i r m t i o r 锄) a ) s oi n c r e a s e , w h i l et h e 丘i c t i o nc o e f f i c i e n tw i l ib a s i c a l l yd e c r e a s ec o m p a r a t i v ea n a l y s i zs h o w st h a t t h et e m p e r a t u r ei n c r e m e n to ft h es l x u c t u r ew i t hs e n u c i r c u l a rg r o o v ei sh i g h e rt h a nt h a t w i t hc i r c u l a rg r o o v e w h e nt h em a t e r i a lo f k i n e t i ch o o pi sg r a p h i t e ，t h et e m p e r a t u r e i n c r e m e n ti sh i g h e r , b u tt h ef r i c t i o nc o e 伍c i e n ti sl e s st h a nt h a to ft u n g g t e nc a r b i d e h o o pt e s ta l s oi n d i c a t e st h a tt h en o t c h e dl e a k a g eo f k i n e f i ch o o pi sl a r g e rt h a nt h a to f t u n g 鲥e ne a r n d eh o o p ，a n dt h es e a ls t r u c t u r ew i t hs e m i c i r c u l a rg r o o v eo f k 血a e t i ch o o p h 鲢t h em a r & h a ll e a k a g ec o m p ；e h e n s i v et e 鲢t _ e g u l t ss h o wt h a tu n d e rh i 曲e rs e a l i n g 口r e s s q t t - ep r o m i n e n ts e a l i n ge f f e c tc a l l b eo b t a i n e dw h e ns e m i c i r e u f a r 口fc i r c t f l a r g r o o v e sa r ec u to nt h es e a l i n gz u r f a c e s y s t e m a t i ct h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e f i m e a t a li n v e s t i g a t i o nc o n f i r mt h a tt h e u t i l i z a t i o no fh i b r i c a t i o ng r o o v ec a nr e m a r k a b l ye n h a n c et h em e c h a n i c a ls e a l i n g p e r f o r m a n c ea g a i n s tt 1 1 e r m a lw a t e ru n d e rk i n e t i cp r e s s u r e r e s e a r c hr e s u l t s0 岱玎 c o n s i d e r a b l ef o u n d a t i o n s 时p r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：m e c h a n a c a s e a l s ；t h e r m o h y d r o d y u a m i c ；d e s i g n ；p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r ；e x p e r m e n ms t u d y 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石油 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 签名：兰亟煎夕鲫万年，j 月1 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：兰亟煎锄彬歹年，j 月 f 日 导- n g ：丑幻弪一埘年1 月f 日 中心“汕人学t1 # 尔j 女l 论卫第1 章前言 第1 章前言 机械密封，是流体棍械中最常用的一种旋转轴密封，也是性能优良 的密封。在运输工具制造工业、民用机器工业、动力机械制造业和泵制 造业、化学工业和石油工业以及航空工业中都得到了广泛的应用，在石 油工业中，接近9 0 的旋转设备采用了机械密封，在石油钻井行业中， 机械密封也广泛应用于砂泵、牙轮钻头等设备中。最近1 0 年来，随着 计算机技术突飞猛进的发展和新型材料的不断出现，机械密封技术已得 到快速发展1 2 j 。密封元件虽然是机器上的菲功能性零部件，但是其作用 和对整台机器、整套装置、甚至整个工厂的影响都是很大的，不仅涉及 到安全生产，更可以为节能降耗、保护环境作出积极贡献。随着石油化 工加工深度的进一步提高和原子能宇航事业的发展，对密封参数的要求 越来越高，使机械密封向高参数( 高湿、高压、商p v 值) 的方向发展。 从国内外密封技术的发展来看，利用流体动压效应的机械密封不断 发展，特别是接触式机械密封更有必要利用流体动压效应来提高密封的 承载能力，减小摩擦、磨损和漏损，提高密封可靠性以延长密封的寿命。 丽要达到这一目的，一般是在密封副的一个密封面上开设各种形状的流 槽。一类是浅槽，其槽深在微米级；类是深槽，其槽深在毫米级。深 槽密封是通过变形在密封面形成周向波度和径向的锥度，周彝波度产生 流体动压作用力，径向锥度产生附加盼流体静压作用力，这种机理被称 为热流体动力楔效应或流体动压垫效应。其优点是利用润滑槽可以增强 承载能力，降低摩擦热，从而减少产品汽化，降低功耗，延长密封寿命。 国内的机械密封技术水平近几年随着生产的发展有了很大提高，但 是和国外相比还存在很大差距口l 。本文的主要内容是对热流体动压机械 密封进行了较系统的设计计算，包括开槽设计、过盈配合设计、弹簧的 设计及性能参数的计算；并通过大量的试验研究了主要参数( 如压力等) 对不同结构( 动环材料为碳化钨w c 时，槽形为半圆形、圆弧形、平面： 中田“汕人学( 牛东) 哦f 论文第1 章前高 动环材料为石墨c 时，槽形为半圆形、圆弧形、平面) 的机械密封性能 的影响规律，从而为今后选择密封的形式和结构提供了可靠的依据。 中阁。汕人学( 牛尔) 坝h 仑义 第2 市机械杆封概论 第2 章机械密封概论 机械密封尾一种旋转轴用动密封，通常又称为端面密封，由至少一 对垂直旋轴线的端面在流体压力和补偿机构的弹力的作用以及辅助密 封配合f ，保持贴合并相对滑动而构成的防止流体泄漏的装置。 2 1 机械密封基本结构 典型的机械密封结构如图2 1 所示，主要由端面密封副( 静环和动 环) 、弹性元件( 如弹簧) 、辅助密封( 如0 形圈) 、传动件( 如传动销 和传动螺钉) 、防转件( 如防转销) 和紧固件( 如弹簧座、压环、压盖、 紧定螺钉与轴套) 等基本元件组成。 1 一静环；2 - 动环；3 传动销；仁弹簧：5 一弹簧座；扛紧定螺钉；7 一传动螺 钉：s 一动环0 形圈：9 一静环0 形圈；1 0 一防转销；1 1 压盖：1 2 一压环：】3 一 轴套；i 、1 1 、1 1 1 、i v 、v 、一泄漏点 幽2 - 1 机械密封结构图 其基本元件的作用和要求如下： 1 、端面摩擦副( 静、动环) ：保持摩擦面紧密贴合组成密封面防止 介质泄漏，要求静、动环具有良好的耐磨性，动环可以轴向灵活地移动， 撼2 市机械南王j 概论 第2 章机械密封概论 机械密封星一种旋转轴用动密封，通常又称为端面密封，由至少一 对垂直旋轴线的端面在流体压力和补偿机构的弹力的作用以及辅助密 封配合f ，保持贴合并相对滑动而构成的防止流体泄漏的装置。 2 1 机械密封基本结构 典型的机械密封结构如图2 一l 所示，主要由端面密封副( 静环和动 环) 、弹性元件( 如弹簧) 、辅助密封( 如o 形圈) 、传动件( 如传动销 和传动螺钉) 、防转件( 如防转销) 和紧固件( 如弹簧座、压环、压盖、 紧定螺钉与轴套) 等基本元件组成。 1 擞瓣湫， 卜 j 瑶灞浏翠牮秘 1 一静环；2 一动环；3 一传动销：4 一弹簧：5 一弹簧座：6 一紧定螺钉：7 传动螺 钉：8 一动环。形圈；9 一静环0 形圈；1 0 一防转销：】1 一压荒：1 2 压环；1 3 一 轴套：i 、1 1 、l i i 、i v 、v 、泄漏点 嘣2 - 1 机械密封结构图 其基本元件的作用和要求如下： 1 、端面摩擦副( 静、动环) ：保持摩擦面紧密贴台组成密封面防止 介质泄漏，要求静、动环具有良好的耐磨性，动环口j 以轴向灵活地移动， 介质泄漏，要求静、动环具有良好的耐磨性，动环可以轴向灵活地移动， 第2 章机械# j 封概沦 自动补偿密封面磨损，使之与静环良好贴合，静、动环具有浮动性起缓 冲作用。因此，密封面要求有良好的加工质量，保证密封面良好的贴合 性能。 2 、弹性元件( 如弹簧、波纹管、隔膜) ：主要起预紧、补偿及缓冲 的作用，也是对密封端面产生合理比压的一个重要因素，要求始终保持 弹性来克服辅助密封和传动件的摩擦以及动环等的惯性，保证端面摩擦 副良好地贴合和动环的追随性，材料要求耐腐蚀和耐疲劳。 3 、辅助密封件( 如o 形环、v 形环、u 形环、楔形环和异形环) ： 主要起到静环和动环的密封作用，同时也起到浮动和缓冲作用。要求静 坏的密封元件能保证静环与压盖之间的密封性和静环有一定的浮动性， 动环的密封元件能保证动环与轴或轴套之间的密封性和动环的浮动性。 材料要求耐热或耐寒并能与介质相容。 4 、传动件( 如传动销、传动螺钉、传动环和传动座) ：它起到将轴 的转矩传给动环的作用。材料要求耐磨和耐腐蚀。 5 、固紧件( 如弹簧座、压环、压盖和紧定螺钉与轴套) ：起到静环 和动环的定位、固紧和盛装的作用。要求轴向定位正确，保证一定的弹 簧压缩量，使密封副的密封面处于正确的位置并保持良好的贴合。同时 要求拆装方便、容易就位、能重复利用。 与辅助密封配合处，安装密封环要有导向倒角和压弹量，应特别注 意动环辅助密封件与轴套配合处要求耐磨损和耐腐蚀，有必要时轴套配 合处可采用硬面覆层。 6 、防转件( 防转销) 它起到防止静环转动和脱出的作用。要求有足够的长度，防止静环 在负压下脱出，并要求正确定位，防止静环随动环旋转。材料上要求耐 腐蚀，在必要时中间可加四氟乙烯套，以免损坏碳石墨静环。 机械密封可能泄漏途径： 1 、端面摩擦副的密封面处的泄漏：这是主要密封面，决定机械密 封摩擦和密封性能的关键，同时也决定机械密封的工作寿命。因此，对 接触端面的光洁度要求高，r a = 00 4 o 1 6 儿m ，平面度( o 9 9 m 。 r - 旧“汕人学# 东j 坝f 。论直笫2 争机械晰封_ | l 论 2 、静环与压盖刚的静环密封处和动环与轴套的动环密封处泄漏： 这属于辅助密封面的密封问题，决定机械密封的密封性和动环随动性的 关键。 3 、压盖与密封箱体的静密封和轴套与轴的静密封：这两处均为静 密封，可根据密封介质选用相容的材料。 2 2 机械密封的基本类型 1 、按密封端面接触状态分类 机械密封的端面接触状态不同，就有接触式、非接触式和半接触式 机械密封。 密封面的接触状况，因实际密封面粗糙不平，只能按一定表面粗糙 度的密封面名义间隙的大小和密封面润滑条件来划分。 接触式机械密封是靠弹簧元件预压紧密封流体压力与弹性元件压紧 力使密封端面紧密贴合的机械密封。这类密封的端面名义间隙小( h 为 零点几到2 t m ) 大都在混合润滑和边界润滑下运转。 非接触式机械密封是靠弹簧元件预压紧，密封流体压力与端面间全 流体膜压力平衡，两端面完全不接触，被控制在一定间隙下运转的机械 密封。这类密封均在流体润滑下运转，通常还叫做可控间隙机械密封 ( h 2 5 m ) 。 半接触式机械密封兼有接触式和非接触式机械密封的特点，可以根 据要求调节静环背部的背压来调整载荷系数。 2 、按密封头的运动状态分类 机械密封按密封头的运动状态来分，有静止式和旋转式密封。静止 式密封常用于高速机械密封中，旋转式由于结构简单，径向尺寸小，常 用于一般机械密封。 3 、按密封头安装位置分类 机械密封按密封头的安装位置来分，有内装式和外装式密封。前者 可利用轴封箱内介质压力来密封，受力状态好，泄漏量小，冷却与润滑 第2 章机械密封概论 好，使用工作条件范围广。后者适用于强腐蚀、高粘度、易结晶介质。 其使用压力较低，泄漏量较大。 4 、按介质泄漏方向分类 机械端面密封按介质的泄漏方向来分，有内流型和外流型密封。前 者适用于高压，而后者的最高使用压力l o 2 0k gf c m 2 。 5 、按密封流体压力卸荷程度分类 机械端面密封按密封流体作用在密封端面上的压力卸荷程度来分， 有非平衡型和平衡型密封。非平衡型密封的密封端面上作用的力随密封 流体的压力升高而增大，因此，只适用于低压，而平衡型密封端面上作 用力随密封流体压力变化小，因此适用于高压。 6 、按弹性元件的结构和布置分类 机械端面密封按弹性元件的结构来分，有单弹簧密封、多弹簧密封、 波纹管密封和膜片密封。单弹簧密封用于小轴径( 直径不大于m 8 0 0 1 5 0 r n m ) 、低速密封。而点布多弹簧密封可用于大轴径、高速密封，但 在腐蚀介质和有固体颗粒介质的场合下，小弹簧结构因易受腐蚀和堵塞 而失效。 7 、按密封头和密封端面数目分类 机械端面密封按密封端面的对数来分，有单端面和多端面密封。单 端面密封结构简单，最常用。但毒性气体和超高压力下，为了工作可靠 和安全起见，不采用单端面而采用多端面密封。 8 、按工作条件和用途分类 机械端面密封按工作条件来分，可以有高中底的压力、周速、温度 和p v 之分。机械端面密封按用途可分为：泵用机械密封、釜用机械密 封、离心压缩机密封和化工容器机械密封等。 2 3 机械密封的基本参数 机械密封的基本参数有几何参数、力学参数和性能参数。 1 、，厂l 何参数 中田。油人学( 牛东) 坝i ：论且第2 章机械蒋封概论 ( 1 ) 密封面间隙h 对于接触式机械密封，密封面间隙h = h 。对于非接触式流体动密封， 密封面间隙h = h s t + h d v n 。 ( 2 ) 密封面宽度b ，与宽径比b 或半径比月 机械密封端面宽度是重要的宏观几何参数。密封面宽度减小，释放 的热量减小，摩擦副的导热条件改善，因而密封工作面的磨损更均匀， 这是由于内、外径差值减小。目前一般趋向于采用窄密封环。但注意密 封两不能过窄，以免密封面承磨突台破坏盼危险性。在高压密封中密封 面过窄会使强度降低和变形增大。为了避免硬环嵌入软环，软环密封面 比硬环窄些。一般轴径为矿1 5 2 0 0 的密封副，宽度差为l 4 姗。对于 导热性差的密封环，其宽度应去窄些，以有利于散热。 机械密封的密封环尺寸可以用宽径比6 或半径比r 表示。 二者的关系式为：i ：尘查， l + r r 。= r ，r ：密封面内外半径之比，称为半径比。 ( 3 ) 面积比b 机械密封的流体压力作用面积与密封面名义接触面积a f 之比为 密封的面积比b 。b 三l 时为非平衡型机械密封，b ( i 时为平衡型机械密 封。 2 、力学参数 ( 1 ) 轴向力平衡 通过动环的轴向受力分析，可以得出使密封面合拢的闭合力与使密 封面撑开的开启力相互平衡，即相等。 ( 2 ) 载荷系数 机械密封的载荷系数是在摩擦副轴向力平衡条件下各项轴向力与密 封上最大液( 气) 压作用力的比值，它反映了各种轴向力的作用和大小。 载荷系数随着密封面摩擦状态的变化而有所不同。 ( 3 ) 膜压系数 中幽“油人学( 牛东) 聊 卜论义第2 章机槭癣封概论 只有在流体润滑和混合润滑状态下，密封面问才存在流体膜压。膜 压系数可以定义为密封端面问流体膜平均压差与被密封流体压差之比。 它反映了机械密封被密封流体压差作用下端面间流体膜的承载能力的 大小。 ( 4 ) 接触压力与比压。 接触式机械密封多半是在混合摩擦状态下工作，也有在边界摩擦状 奁下工作。 在边界摩擦状态下工作的机械密封，不存在流体膜，只有分子膜， 测不出膜压。 在混合摩擦状态下工作的机械密封，既存在流体膜又存在边界凳子 膜，则膜压不等于零。考虑膜压和膜压系数，甚至有部分固体接触，密 封面上作用的名义单位面积上接触压力称之为比压。 3 、性能参数 ( 1 ) p v 值 p v 值被用作选择、使用和设计机械密封的重要参数，功耗、磨损与 温升都与它有关。 ( 2 ) 泄漏量 泄漏量是机械密封的主要性能参数。在正常的工作情况下，其原因 主要是通过端面摩擦副构成的径向间隙泄漏的。泄漏量在很大程度上取 决于密封面缝隙的形状和大小，也就是取决于密封面处于何种摩擦状 态。为了保证密封工作的可靠性，要求有较长的寿命，同时要求最小的 泄漏量，必须处于合理的润滑状态下运转。 ( 3 ) 摩擦系数 机械密封热量、功耗和冲洗量的计算均需知道摩擦系数。要正确的 选用摩擦副的摩擦系数，除了模拟试验和材料试验外，还可以参考现有 的数据。 f 4 ) 摩擦劝耗 机械密封端面摩擦功耗可按推力轴承类似的方法来处理。通常在设 计时按下式计算摩擦功率消耗：n = m c o = f n d 。b p b v x l 0 3 ( 单位：k w ) 。 第2 章机械密刳戳论 2 4 机械密封的发展概况 大约于二十世纪初，在机械制造业中，首次出现了简单的机械端面 密封，用以解决困难的密封问题，同惯用的软填料密封装置相比，无论 在功能上还是构成原理上，都有所改进。最简单的端面密封结构为：轴 上的凸肩直接和机壳上的凸出平面贴合转动而形成密封作用。然而由于 当时缺乏合适的材料和加工机床，尽管这种密封结构有很多优点，还是 没有能发挥其作用。直n - - - 十世纪二十年代，机械密封才开始在许多冷 冻装置上得到较多的使用。后来出现了所谓的橡胶弹性v 形密封圈，其 工作原理和上面的那种简单的机械密封相似。1 8 8 5 年在英国首先有人申 请机械密封的专利，并于1 8 9 0 年用于轴承密封。以后，逐步在制冷压 缩机和内燃机冷却水泵上获得了数量较多的应用。1 9 3 0 年美国e g & g s e a l o l 公司率先研制出平衡型机械密封，用于7 3 5 k w ( 1 ，0 0 0 h p ) 发 动机上，大大改善了该发动机的的性能。第二次世界大战前后，随着石 油化工工业的发展，以及材料和加工技术的提高，机械密封技术有了较 快的发展。1 9 5 4 年出现了密封环用碳石墨、硬质台金、陶瓷等材料，加 工精度大为提高，表面粗糙度由r a 0 4 9 m 提高到r a 0 2 o 1 9 r a 。1 9 5 7 年美国e g & gs e a l o l 公司研制出焊接金属波纹管机械密封。机械密封 获得了广泛的使用。美国、西欧、日本等国家都开始正规生产机械密封， 以至石油工业竞规定炼油厂、泵站和油轮非使用机械密封不可。 1 9 6 l 1 9 6 3 年出现了具有低摩擦、低磨损、长使用寿命特点的高 参数的热流体动力机械密封。这种机械密封的优点是十分明显的，它与 普通的机械密封在构成原理上不同之处是：随着密封面上载荷与滑动速 度的增高，摩擦系数反而减小。 1 9 7 7 年，出现了碳化硅和硅化石墨作摩擦副的机械密封，p s v 值迅 速提高到3 6 0 m p a + m s 从而使机械密封达到新的水平。也可看出摩擦副 配列材料选择的重要性。 近年来，密封技术有了许多新进展，并在不断地向前发展。一些新 概念、颗结构、新方法、新工艺和新材料的密封不断涌现。比如，在机 叶】阳t ，汕人学( # 东) 坝l 论史笫2 章机械甯割概论 械密封出现了上游泵送这一新概念：所渭“上游泵送”就是利用密封端面 做成各种形状的流槽产生剪切流，将上游压差流产生的往下游泄漏的流 体泵送回到上游。利用这种新概念造成许多新结构的密封称为上游泵送 密封，例如螺旋槽、圆弧槽、直线槽密封等。这种密封采用浅槽结构( 槽 深与删隙均为微米级) 。“上游泵送”新概念打破了传统的非接触式机械密 封总是要出现泄漏的| ：_ | 观念。 干运转气体密封将开槽技术应用到了气体密封，在国内，1 9 8 8 1 9 9 0 年期间，石油大学( 华东) 首先研制和试验成功了泵入式圆弧槽气体端面 密封并获得国家实用新型专利。1 9 9 1 年美国希洛尔公司和日本伊格尔公 司等首先研制了径向直线槽气体端面密封，克兰公司生产了b d 型双向 单双梯形槽、倒t 形和倒v 形槽气体端面密封。德国博格曼公司研制了 d g s 型中间环圆弧槽双向气体端面密封和径向直线槽、倒t 形、v 形槽 及交错圆弧槽等气体端面密封。1 9 9 5 年日本伊格尔公司首先生产了 n f 9 0 0 系列斜平面双向气体端面密封。1 9 9 5 年美国杜拉密泰列克公司生 产了泵用圆弧槽气体端面密封【4 】。在国内，石化企业已经在离心压气机 上采用干运转螺旋槽气体密封。 随着宇航、核电站、天然气输送和石油工业的迅速发展以及电子计 算机技术的发展和应用，机械密封正向着深度发展高参数( 温度、 压力、速度) 、高性能( 干运转、无泄漏、无油润滑、含颗粒介质) 和 高水平( 高p v 值、剖分式、监控) 。 2 5 机械密封在石油钻井中的应用p 4 。6 】 油气田井下工具工作失效最多的原因是密封的失效。在石油钻井固 控系统中，砂泵是重要的配套设备之一。它的作用是向旋流器提供一定 能量的钻井液，使旋流器达到额定的处理量和获得较好的分离固相效 果。掘现场使用表明，砂泵( 含灌注泵) 密封问题突出，存在早期失效， 泄漏钻井液严重，使用寿命短等问题，严重影响了正常使用。实践证明： 采用机械密封可以延长使用寿命，可靠性强。其特点为：( 1 ) 关键零件泡 0 中i 司“油人学( 4 仁东) 倾l 。论义第2 章机械密封概论 在油翠，避免了钻井液的腐蚀，提高密封装置的可靠性。( 2 ) 动环旋转时， 将其周田的钻井液向外甩，使其中的固相颗粒很难进入贴合的密封面： 而润滑油在离心力及动静环不同轴所形成的流体动力作用下，不断进入 密封面。只要油腔内有足够的润滑油，密封面就能得到良好的润滑，保 证机械密封正常运行。 上海研制了机械密封之牙轮钻头，并经油田现场试验表明牙轮钻头 的使用寿命有了很大提高。 机械密封在钻井中的应用，对提高钻井质量、改善环境质量都具有 重要的意义。 弟3 章热流体动肚帆械南封苯_ ；串= 理论 第3 章热流体动压机械密封基本理论 机械密封是旋转密封中性能优良的密封，也是结构比较复杂的种 密封形式。从国内外密封技术的发展来看，利用流体动压效应的机械密 封不断发展，特别是接触式机械密封更有必要利用流体动压效应来提高 密封的承载能力，减小摩擦、磨损和漏损，提高密封可靠性，以延长密 封的寿命。 3 1 流体动压效应原理与在石油机械中的应用 3 1 1 流体动压效应原理 流体动压密封的实质是利用流体动压效应，在动密封面之间形成一 层能避免两相对运动表面直接接触的动压油膜，从而大大降低摩擦圈运 行时的磨损和摩擦热。从理论上讲，动密封面间相对运动速度越高形成 的动压油膜厚度越大，因而这种结构特别适用于高速i 6 j 。 近年来，密封面开槽密封技术是在机械密封的密封端面上开了各种 各样的流槽，以产生流体静、动压效应。这种流体动压密封多为浅槽密 封，对其作用机理的研究较多。浅槽密封属于非接触式密封，摩擦状态 是纯粹的流体润滑，可用于高压差、高速和润滑性差的介质密封。一般 流体动压效应的作用机理类似于类列台阶轴承。在流体膜内产生很高的 压力，由于动环旋转产生的粘性剪切力带动流体从槽内向较窄的间隙运 动，从而形成了流体的周向运动，又由于流动的收敛性产生压力的增加。 出于压力的增加和压力引起的开启力都正比于动环的旋转速度，因此这 种机理称为流体动压效应。压力的增加和压力引起的开启力的大小主要 取决于流槽的深度，当槽深与流体膜处于同一数量级时，产生的膜压最 大，随着膜厚与槽深之比趋近于无限小，产生的膜压减小到零。 第3 币热流t 4 , d jj 、机械样判皋奉耻论 3 1 2 流体动压效应在石油机械的应用 1 ，在牙轮钻头轴承系统中的应用 m s ，k a l s i 与h a l l i b u r t o ne n e r g ys e r v i c e s 下属的s e c u r i t yd b s 钻头 公司合作，于2 0 世纪8 0 年代末期成功推出流体动压密封牙轮钻头。现 场试验结果的分析研究表明，使用流体动压密封可以显著提高滑动轴承 密封牙轮钻头的整体寿命和可靠性，减小常规密封圈的早期失效发生率 并延长其使用寿命【9 j 。随后在此基础上又开发出了双密封马达牙轮钻头， 外部密封为碟彤端面密封，内部密封为环形径向密封圈。 2 在井下动力钻具支承节中的应用 尽管螺杆钻具下部支承节目前多采用直接由上部流入的钻井液对 各轴承进行润滑冷却的开式润滑，但人们一直期望采用使轴承在封闭的 润滑油环境中工作的闭式润滑。美国能源部( d o e ) 在1 9 7 6 1 9 8 2 年间资 助s a n d i a 国家实验室针对螺杆钻具的密封、润滑脂及支承节等问题进行 了研究。密封实验时对当时各种商用高压密封件( 包括油封、金属端面密 封) 及各种新型密封结构和密封材料的可能组合都进行了对比，在模拟井 底高压和磨砺性介质工况下的最高寿命也仅有4 8 h t ”】。m s k a l s i 于1 9 8 4 年开始尝试将倾斜安装0 形圈流体动压密封技术应用于该场合，1 9 8 6 年 流体动压密封正式推出并在牙轮钻头轴承系统中得以成功应用之后，又 开始研究。目前在用的2 0 0 0 多副井下动力钻具证明了流体动压密封结 构的稳定性、可靠性和易维护性，密封寿命至少2 5 0 h ，最长5 0 0 h 。 3 在水龙头冲管总成中的应用 冲管总成是水龙头中的关键组成部分，冲管下部与中心管之间是转 与不转的动密封，密封介质为高压、磨砺性强的钻井液。钻井液密封系 统是水龙头中最薄弱的环节，国内c h 4 0 0 、s l 一5 0 0 水龙头，其快卸式 钻井液密封装置中采用浮动冲管、y 形钻井液自封式密封、快卸结构， y 形密封圈基本上逐渐起密封作用。目前世界上多数冲管总成在2 1 m p a 下可以工作8 0 0 h ，但当压力上升到3 5 m p a 后工作寿命不超过l o o h ( 多数 低于5 0 h ) 。 第3 市挑流体动k 材【械南封雉木理论 k a l s ie n g i n e e r i n gi n c 采用流体动压密封圈取代y 形密封圈，并通 过清洁润渭剂压力p2 、p3 与钻井液压力p 1 的合理匹配而使p l 被各级动 压密封圈分担：通过监控润滑剂的供应情况，操作人员可以判断所有密 封圈的完整性，同时采取密封失效先期预警措施。高速取心用水龙头的 最好记录为：在中心管外径5 0 m m 、内外压差2 1 m p a 、转速6 0 0 r m i n 条件 下工作14 5 0 h 后才因油脂供应不足而失效。 4 在螺杆泵采油系统中的应用 在开采高粘度油( 5 0 0 0 m p a s ) 、大油气比油( 7 0 0 m 3 t ) 和含砂油( 25 ) 时螺杆泵具有独特的作用，目前地面机械驱动方式是国内外采用最多 的螺杆泵采油系统，该系统依靠光杆旋转带动抽油杆进而驱动井下螺杆 泵。目前光杆的动密封常用填料盒( s t u f f i n g b o x ) 密封方式，存在原油泄 漏污染环境和不便于维修等问题。k a l s ie n g i n e e r i n gi n c 的研究人员开发 了光杆密封组件，在光杆动密封部位安装一个衬套，采用两个动压密封 圈来保证圆锥滚子轴承系统的可靠油润滑。该结构通用性较强，可以和 现有任何一种井口驱动装置配合使用。 5 在旋转防喷器中的应用 欠平衡钻井技术是2 0 世纪9 0 年代国外兴起的一种钻井技术，旋转 防喷器( 或旋转控制头) 是实施该技术的关键设备。国内已经有几家单位 着手进行这方面的工作，无论采用v a r c os h a f t e r 公司的膨胀胶囊井配可 编程控制器式，还是采用w e a t h e r f o r dw i l l i a m st o o l 公司的环形胶芯自封 式，该项技术的难点都在钻杆密封结构和轴承包的工作寿命上，但目前 不少用户和研究人员都把注意力集中到前者而忽略了轴承包的密封问 题。事实上，为了提高旋转防喷器的总体工作性能，美国w e a t h e f f o r d w i l l i a m s t o o l 公司在其7 1 0 0 型旋转控制头的轴承包中就使用了k a l s i e n g i n e e r i n gi n c 生产的流体动压密封圈。 3 2 流体动压机械密封的分类 利用流体动压效应，发展了密封面开槽的密封技术，现在还在不断 第3 币挑流体动脉机械密刳桀奉删伦 更新。 3 2 1 零泄漏密封技术 过去总是认为接触式和非接触式机械密封不可能达到零泄漏( 或无 泄漏1 。以色列爱特逊利用开槽密封技术，提出零泄漏非接触式机械端面 密封的新概念，打破了机械密封不可能达到零泄漏的传统旧概念：研制了 圆叶槽机械密封，并己用于核电站润滑油泵中。 3 2 2 干运转气体密封技术 ( a ) ( b ) 图3 - i 鳔旋槽面干气密封 这类密封是将开槽密封技术用于气体密封。螺旋槽面干气密封得到 了广泛的应用。图3 一l ( a ) 为螺旋槽面干气密封示意图。它由转环l 、 静环2 、弹簧3 、0 形环4 、5 及8 、轴6 和组装套7 等组成。图3 一l ( b ) 所示为转环表面精加工出螺旋槽而后研磨、抛光的密封面。螺旋槽深 2 5 i o p r a 。螺旋槽形状近似对数螺旋线。 转环旋转时将被密封气体周向吸入螺旋槽内，由外径朝向中心，径 向分量朝着密封坝流动，而密封坝节制气体流向中心，于是气体被压缩 引起压力升高( 图3 2 ) 。此流体膜层压力企图推开密封，形成要求的 气膜。此平衡间隙或膜厚h 典型值为3 p , m 。这样，气体压力和弹簧力与 丌启力配合好，使气膜具有良好的弹性即气膜网目度高，形成稳定的运转 中罔山油人学【华东) 坝i 论义第3 章热流体动压机械件i 封基_ 牟删论 并防止密封面相互接触。 入井 泵送 图3 - 2 干气密封作片j 原理图 在正常运转条件下该密封的闭合力( 弹簧和气体作用力) 等于开启 力( 气膜作用力) ，这是理想的设计工况。若受到外来干扰，间隙减少， 则气体剪切率增大，螺旋槽开启力大于闭合力，恢复到原间隙：若受到 外扰间隙增大，则缝隙内膜压下降，开启力小于闭合力，密封面合拢恢 复到原问隙。只要在设计考虑的范围内，夕 挠消失后马上即可恢复到原 来的位置。因此，螺旋槽面密封对压力波动和外来机械干扰是很敏感的。 只要密封设计能产生最大气膜刚度和很小的平衡间隙的最佳工况， 螺旋槽面密封在运转时间隙变化就不很显著。 螺旋槽面密封的平衡比应该是：b ：= d g l 2 一d b f 2 d j d ； 式中_ 口l 螺旋槽底( 密封坝外径处) 直径； d 。平衡直径： d ，密封面内径。 此静力平衡比b 必须大于0 6 0 ，否则会产生根大的泄漏和工作不稳 定。 干式气体密封，根据使用场合的不同，可采用单端面、串联式或双 端面等不同结构。单级螺旋槽密封可用于压力较低的场合。串联式螺旋 槽密封可用于压力较高的场合。在工艺流体对工作环境有危害的场合， 要求使用引入隔离气体的双端面密封。 中困“涮l 尺学( 东) 坝卜论义第3 章热流体动l e , l y l 械衍判捧奉理论 3 2 3 上游泵送密封技术【2 1 - 2 2 1 9 8 4 年美国约翰克兰公司尼采尔在第一届国际泵讨论会上发表了 上游泵送机械密封新概念，即利用密封面上丌流槽将下游少量泄漏流体 泵送回上二游。该公司研制并生产了8 0 0 0 系列螺旋槽上游泵送机械密封。 国内，1 9 9 0 年石油大学( 华东) 研制了泵出式圆弧槽端面密封，并获国家 实用新型专利。 移 恤眵皤叶台精型科周向霄刊白明赢叶叠蛳剡糊孽 3 3 密封端面结构 至今，已开发出的上游泵送密封端面结构形式主要有图3 3 所示的 四种形式，其中类螺旋槽型包括螺旋槽、圆弧槽、直线槽、曲线槽等。 由于其流体流动效率或摩擦功耗等性能最佳，因此应用最为普遍。 前3 类密封的结构特点是：采用浅槽，其膜厚和流槽槽深均属微米 级，并采用润滑槽、径向密封坝和周向密封堰组成密封和承载部分。也 可以说开槽密封是平面密封和开槽轴承的结合。其优点是泄漏量小( 甚至 无泄漏) 、膜厚大、消除接触摩擦、功耗和发热量小。目前，国内正在研 制后2 类开槽机械密封，将促使开槽机械密封技术的推广使用和发展。 3 2 4 热流体动压密封技术 为了提高密封的p v 值极限，拓宽平面端面密封的使用范围，适应 现代工业向高参数发展的要求，机械密封必须设计在低摩擦系数下工 作。这就需要利用流体动压效应和流体静压效应，改善密封的润滑工况， 有助于降低密封端面的摩擦系数，提高密封的承载能力。这方面，热流 体动力楔机械密封证明是非常成功的。 卜围山7 山人学f 1 仁东) 坝l 论殳第3 章热流忭动膈扫【槭擀封堪水删论 l t f 于热变形产生流体动压作用力叫做热流体动压效应。热流体动压 机械密封的结构与普通的机械密封没有多大的区别，只是在密封的动环 或静环端面上开设各种形状的流槽，这些槽的深度为12 m m ，属于深 槽密封”。如果静止不转，这些摩擦副表面都是平行平面。在旋转时， 山于摩擦的缘故，密封环被加热而且受热是不均匀的。受热最厉害的区 域，是密封环由工作介质冷却的槽间或镗孔间的中间段落。由于加热不 均匀，密封面的平面度遭到破坏并形成收敛型间隙区域。这些区域的工 作象滑动轴承一样。热流体动压密封根据它的过程的复杂性和间隙与泄 漏的大小，居于接触式机械密封和流体动压机械密封中间的位置。 德国迈尔博士将米契尔与金斯布雷止推轴承技术应用到机械密封 中并使2 者结合，此后形成新颖的矩形槽、圆弧循环槽热流体动压密封， 并在德国博格曼公司生产了系列产品。美国克兰公司获流体动压垫高压 旋转机械密封的专利，并将流体动压垫用于轻烃密封。1 9 9 5 年美国杜拉 密泰列克公司生产了泵用g b 一2 0 0 型斜角槽气体端面密封。日本皮拉公 司亦有许多产品【4 j 。 这类密封的流槽形状较多，有矩形槽、三角槽、半圆槽、直弦槽、 圆弧槽、台阶槽、多棱( 4 角、6 角、8 角) 槽、倒角槽、斜角槽和内外圆