机械密封发展方向及新技术

1 机械密封发展方向及新技术机械密封发展方向及新技术 一 高性能风能一 高性能风能 O 型圈 型圈 可以为风电机组及其组件提供最佳的密封和减振解决方案 鉴于风电行业 的特殊性 风电用密封和减振元件需要满足更高的要求 如 更好的耐臭氧性 更强的耐盐雾性 更宽的使用温度范围 更长的使用寿命 在欧美市场超过 20 年的成功应用经验表明 为风电行业提供的密封和减振元件 即使在最恶劣的 环境中仍能保持稳定可靠的密封和减振性能 苏州昆山帕思卡贸易有限公司 二 流体动压型二 流体动压型机械密封的改形技术 机械密封的改形技术 流体动压型机械密封属非接触式密封 密封面被一层微米级的流体膜隔开 适用于高压 高速和润滑性差的介质 气体 沸腾液体 低温液体等 本项目 开发了考虑流体 固体 热三者耦合效应的密封端面的改形设计方法 对密封 端面动压槽的几何参数进行优化设计 削弱了流体膜的摩擦热对密封性能的影 响 提高了密封性能 本项目开发的流体动压型机械密封的改形技术具有较强 的通用性 应用范围广 气体 液体密封均适用 该成果对于控制泄漏 节能 减排 延长设备寿命具有重要意义 开发了配套的设计软件 操作简单 便于 工程技术人员掌握 技术水平 国内首创 国际先进 需投资购买流体动压型 机械密封端面改形设计软件一套 及用于密封端面改形的数控加工设备一套 合作方式 技术转让 湖北省产学研合作与创新服务平台 三 渣浆泵密封件 三 渣浆泵密封件 渣浆泵通常用于煤炭 冶金等行业物料的水力输送 现有渣浆泵的机械密 封通过一组密封件实现密封 由于经过泵体输送的物料浓度高 压力大 这种 单一密封结构的密封性能较差 在使用过程中 经常出现介质泄露 而且无法 注入润滑油或者水 由于密封面的破坏 密封件经常出现干摩擦 以致烧坏密 封件 导致介质泄露 一种多层次渣浆泵的机械密封 包括轴套 连接法兰和 后盖法兰 轴套 连接法兰和后盖法兰形成的腔体内设有内外两道密封组件 内密封组件包括内静环合内动环 外密封组件包括外静环和外动环 内静环与 后盖法兰固定连接 外静环与连接法兰固定连接 内动环合外动环分别置于轴 套上并随轴套同步旋转 内动环与外动环之间设有内弹簧和外弹簧 内东环和 外动环与内静环和外静环呈滑动密封配配合内动环与外动环与轴套结合部分分 别设有 o 形密封圈 连接法兰与后盖法兰的结合处设有 o 形密封圈 由于设置 内外两道机械密封组件 当一道密封组件受到破坏时 可以由另一道密封组件 来补偿 从而确保渣浆泵在高压环境介质下工作不会泄露 同时 设置内密封 组件 可以有效防止润滑油或水的泄露 防止动 静环出现干摩擦 保证动 静环始终处于良好的密封状态 温州博德曼 四 福斯四 福斯 ISC2 系列集装式机械密封系列集装式机械密封 福斯荣获由美国 流体控制 杂志 Flow Control 评选出的 2010 年流体控 制产品创新奖 这一奖项旨在表彰年度最具创新的流体处理技术 福斯 ISC2 系 列集装式机械密封凭借其独有的热管理技术 能够延长密封件寿命以及预防危 险环境下的密封件泄漏等特点 被 流体控制 杂志评选获得这一奖项 在福 斯 不断通过产品研发和技术升级来为客户提供更好的解决方案 ISC2 机械密 封是在符合所有主要的国际标准 以及大范围最佳实践的基础上制造的 ISC2 机械密封具备卓越的可靠性 可满足工厂减少库存的需求 而这也是福斯的客 2 户一直期待福斯能够实现的 ISC2 系列集装式机械密封是福斯所开发的众多尖 端技术中的一例 ISC2 密封采用了多项技术创新 包括正在申请专利的热管理 技术 可降低运行温度 其强有力的密封面驱动装置 能更好的容纳粘性液体 以及高粘度液体 双端面密封可在最低温运行时促进封液高效循环 同时标准 化安装技术可以使安装过程更加简易 五 机械密封技术的发展方向和趋势五 机械密封技术的发展方向和趋势 1 发展方向 1 接触式密封减少泄漏 减小磨损 提高可靠性和工作稳定性 延长使用寿命 2 非接触式密封减少泄漏 提高流体膜刚度和工作稳定性 延长使用寿命 2 发展趋势 随着科技进步和工业的发展 高参数机械密封实用化的要求越来越高 具体可 用图 1 1 来表示机械密封技术技术的发展趋势 周速 V m S 图 l 一 1 机械密封技术的发展趋势 3 发展特点 1 技术不断创新新技术 新概念 新产品 新材料 新工艺和新标准不断涌现 高参数 如高压 高速 高温 大直径 高性能 如干运转 零泄漏 无油润滑 浆液 和高水平 如高痧 v 值 大型剖分式 监控 的密封产品大量研制 失效机 理 如疱疤 热裂 空化一汽蚀 橡胶密封圈泡胀和老化 失效分析 如可靠性 和概率 和失效监控 如流体膜 摩擦状态和相态 的研究和应用 2 使用范围不断扩大机械密封不仅机泵阀采用 而且工艺设备 如反应釜 转盘 塔 搅拌机 离心机等 都采用 3 发展要求重视密封系统过去只重视单独密封件 现在已经发展到重视整个密 封系统 而且已制订了新的密封系统标准 API 一 682 离心泵与转子泵的轴封系 3 统 标准 4 注意安全和环境保护过去只注意眼睛可视的 泄漏 不注意眼睛看不见的易挥 发物的 逸出 现在发展到要求控制易挥发物的逸出量 也就是说从要求 零泄 漏 到要求 零逸出 美国摩擦学家和润滑工程师学会 简称 STlE 摩润学会 已制 订了 SP 30 等易挥发物逸出量控制规定的指南 5 要求不断提高在石油化工方面 为了延长工艺装置的检修周期和装置的操作 周期 要求机械密封的工作寿命由 1 年延长到 2 年 国外由 2 年延长到 3 年 API 682 中作了明确规定 6 研制产品要求实用化不仅要求研制出新产品 更重要的是使所研制产品得到 实际应用 六 泵轴端新型机械密封六 泵轴端新型机械密封 1 润滑槽密封 润滑槽 LubricationGroove 就是在密封面上沿切线方向刻出窄 槽 当流体流经密封面时 这些槽能改善流体在密封面上的压力分布 有助于 保持端面间的液膜稳定并防止液膜汽化 润滑槽 型式密封是由 Flowserve 公司 生产的 2 流体动压垫 热流体动压楔密封 13 在动静环的任一密封面上从外缘沿径向 朝里开出凹槽或企口 当密封工作时 凹槽及其周边因流体冷却产生变形较小 而远离凹槽的端面因冷却程度低而产生较大变形 因此在端面上产生周向波度 而引起流体动压效应 即流体动压垫 HydrodynamicPad 凹槽深度可以从几 m 到 3mm 一般为 0 8 2 4mm 这种型式密封最初由 Bergmann 公司生产 已 在循环水泵轴端密封上应用长达 50 年而经久不衰 3 上游泵送密封 14 15 在动静环的任一密封面的下游或低压侧上加工出螺旋 槽等型槽 当密封工作时 受型槽动压效应作用很少量流体从密封面下游被泵 送至上游 若该剪切流完全抵消密封面的上下游压差引起的流动时 则密封可 以达到零泄漏 这类密封称为 上游泵送密封 Up streamPumpingSeals 由美 国 JohnCrane 公司发明 常用于易燃 易爆 有毒和润滑性差的介质密封 4 干气密封 16 17 非接触式干气端面密封概念 Drygasfaceseal 的提出始于 1969 年 它是在气体润滑轴承的基础上发展起来的 其中以螺旋槽密封最为典 型 干气密封在结构方面与普通机械密封的主要区别在于 干气密封动 静环 任一密封面上精加工有均匀分布的浅槽 槽深度一般小于 20 m 由于干气密封 的非接触 使用寿命长 可以实现零泄漏 因此正在一些易汽化介质泵轴封上 成为主流 常见型槽形式如图 3 所示 a JohnCrane 公司干气密封 左 单向螺旋槽 右 双向螺旋槽 b JohnCrane Timing 公司干气密封 上 单向双列螺旋槽 下 双向棕树槽 c Flowsever 公司干气密封 上 单向螺旋槽 下 双向 T 型槽 4 图 3 典型干气密封的端面型槽 多孔端面密封 18 22 多孔端面密封是在动静环的任一密封面上加工出不同分布 形式的微孔 这些微孔的大小 深度和分布密度因密封介质 泵操作条件的不 同而不同 每一个微孔的作用就像一个微型轴承 因此产生的流体动压效应使 端面保持近接触或完全非接触 试验和现场应用结果表明 与普通机械密封相 比具有低功耗 低磨耗 耐高压等优点 可用于气体或液体 典型多孔端面密 封常采用激光精密加工而成 如图 4 所示 a 动 静环摩擦副 b 微孔在端面上的典型分布形式 5 图 4 多孔端面密封的结构示意图 激光面密封 23 激光脸密封 LaserFaceSeal 与传统密封端面技术不同的是 其摩擦端面润滑得到强化 泄漏量得到了控制 密封面上的关键结构是回流结 构 眼 和入口流结构 鼻 由于回流结构对加工精度要求极高 因此 目前难以普及 七 压缩机轴端新型机械密封七 压缩机轴端新型机械密封 1 油膜螺旋槽动压密封 24 26 这种型式密封主要包括下游泵送和上游泵送两 大类 前者技术已经非常成熟 可以与包括浮环密封等其他轴封组合 密封面 线速度可达到 120m s 内泄漏量接近于零 该密封系统在国内工业用高速压缩 机上实现了长周期 微泄漏 微磨损 其性能全面超过进口的机械密封产品 经济和社会效益十分显著 后者技术尚待完善 主要是端面最佳几何参数的设 计和内泄漏量大小的控制 确保端面润滑并防止结焦 2 干气密封 DGS 压缩机用干气密封在基本结构上与泵用干气密封类似 但是也有根本区别 在选择单向螺旋槽和双向螺旋槽时 应综合考虑压缩机的 转子两端具体情况 端面气体成膜能力 气膜刚度和承载能力 压缩机反向运 行可能性等 由于使用干气密封的 压缩机完全不需要复杂的封油系统 从而显著地减少了大型压缩机的运行和维 护费用 因此目前正取代其他密封形式而成为石化 冶金等行业高参数压缩机 轴封的主流 表面强化 表面新型物理 含机械 化学处理方法的涌现 使机械密封 端面的表面强化获得新生 如表面喷涂类金刚石 diamond likecarbon DLC 膜等 研究表明 DLC 膜是一种新型的硬质润滑功能薄膜材料 其应用的主要缺点在 6 于制备过程中产生的较大内应力使膜基结合较差 膜厚受到限制 在油润滑下 不能体现出独特的润滑性能 严重影响了薄膜的实用化 DLC 多层膜 multiplayer 纳米复合膜 nanoscalecomposite 制备膜基缓冲层 bufferlayer 梯度膜 compositegraded 以及掺入金属粒子 Me DLC 是常用 的减少内应力 改善膜基结合的方法 其中 Me DLC 膜不仅在缓解薄膜应力方 面具有良好的效果 不同的金属粒子及制备工艺手段还显著改变着薄膜的力学 摩擦磨损以及各种物理化学性能 在不同领域展现了广泛的应用前景 另外 对滑动性能和耐久性有强烈要求的 O 形圈密封环 近年来也开始采用 DLC 用 于橡胶的 DLC 与用于金属和陶瓷材料的 DLC 相比 对柔软性的要求高 因此 对于橡胶 树脂用的 DLC 力求能嵌藏裂纹和褶皱 吸收伸缩 以便迎合基底 的伸缩 30 八 辅助密封圈的新设计八 辅助密封圈的新设计 辅助密封圈的性能除与密封圈材料直接有关外 还 与密封圈的结构密切相关 最近 JohnCrane 公司提出了一种主动柔性控制 ADC 辅助密封 可以实现低载荷 补偿可靠 已经成功应用于压缩机用干 气密封中 在某种程度上避免了辅助密封圈因长期储存或备用时与轴 轴套产生 的黏着 以及黏着引起的端面开启性能下降等问题 其结构示意图如图 5 所示 特点如下 1 回形弹簧设计 2 不需要额外的压板 3 低摩擦力 满足低速滑动 降速要求 图 5 主动柔性控制 ADC 辅助密封 推力型式新技术 常规机械密封的补偿环推力机构一般采用弹簧 波纹管和磁 力 为克服上述机构对轴向尺寸的高要求 满足密封向高参数发展面临的追随 性和稳定性需求 人们发明了波片弹簧 并为满足不同场合的需要加工制造出 了各种规格和型式 密封结构新材料及其生产新工艺 1 软环材料 机械密封用软环材料已由原来的普通浸渍树脂 金属石墨等增强 型石墨发展为硅化石墨 气相沉积碳石墨 BN 增强石墨 碳 碳复合材料等 31 2 硬环材料 32 34 机械密封用硬环材料已由原来的铸铁 Al2O3 陶瓷 硬质 合金发展为综合性能优异的 SiC CrC 并采用物理 化学沉积法在硬环摩擦表面 沉积耐磨层 如 DLC 膜 激光溶覆 热喷涂陶瓷 热喷熔镍基自熔合金 热喷 7 熔铁基自熔合金 热喷涂陶瓷 热喷熔铁基涂等技术来降低成本 获得高性价比 的机械密封基础件 3 辅助密封圈材料 辅助密封圈材料除了传统的橡胶类材料 普通增强型 PTFE 复合材料和柔性石墨外 最近 20 年人们通过在上述基体材料中填充各种 微纳尺度的粒子 纤维和新型树脂 并通过应用新的表面处理技术与方法对填 料表面进行处理 大大提高了填料与基体材料之间的相容性 从而提高了传统 橡塑材料的力学性能 热性能和摩擦性能 使密封圈的性能稳定性 耐磨性和 耐久性远远超过了原有的橡塑辅助密封圈 35 36 另外 聚醚醚酮 PEEK 超高分子聚乙烯 UHWPE 聚苯硫醚 PPS 聚甲醛 POM 等树脂材料以 及全氟橡胶 FFKM 和氟塑料包覆橡胶作为密封新材料 已经得到成功应用 37 38 九 其他机械式轴封进展九 其他机械式轴封进展 1 迷宫密封 39 由简单的梳齿结构发展为直筒密封和碳环密封 2 浮环密封 40 由简单的浮环结构发展为螺旋浮环密封 该新型密封针对浮 环密封和螺旋密封各自存在的问题 创造性地将两种密封型式有机组合 集中 体现两者的优点 克服两者的缺点 使密封性能有了很大提高 其次 采用正 反向螺旋槽提高了密封的抗干扰能力 此外 应用 直筒式密封及流量控制系统 于该密封装置中 大大提高了防止工艺气体反扩散能力 降低了缓冲气的耗量 经高炉煤气回收透平和高压氢气循环离心压缩机上的实际应用表明 与进口的 传统密封相比 密封油的内泄漏量由原来的 20L 天降至 2L 天 封气耗量由 500Nm3 h 降至 75Nm3 h 工艺气体的反扩散剂量由 50ppm 以上降至 6ppm 该成 果获得 2005 年国家技术发明二等奖 该新型密封装置的示意图如图 6 所示 图 6 螺旋式浮环密封装置示意图 机械式密封中典型的非接触式端面密封的型式及其特征如表 1 所示 常见 的流体动 静压及其组合密封型式如表 2 所示 8 表 1 典型非接触式流体密封的型式及其特征 十 十 机械式轴封设计理论与方法机械式轴封设计理论与方法 机械密封及其辅助系统的设计是一个复杂的过程 是一个系统工程 特别 是对高参数 高温 高压 高速 机械密封更是如此 设计过程一般是通过对 已知条件的分析 依据确定的设计计算原则 常常选择泄漏量和流体膜刚度为 设计原则 运用 CAD 技术 完成对机械密封的现代设计 目前 国外著名的 密封公司大多拥有自主开发的机械密封设计软件 如 JohnCrane 公司的软件中包 含了多个大型功能模块 可对密封性能进行模拟仿真 而我国在这方面的研究 开发工作还只是处于起步阶段 目前 国外对干式气体端面密封的设计方法已 日趋成熟 而湿式机械端面密封特别是液体润滑机械密封的性能预测以及设计 9 理论与方法因涉及空化 相变 粘度等物性随温度和压力的变化 热力变形等 诸多因素的耦合与解耦使研究难度更大 表 2 非接触式端面密封的型式及其特征 十一 行星减速机挤压型密封件的技术发展动向十一 行星减速机挤压型密封件的技术发展动向 挤压型密封特别是 O 型圈在密封件中一直应用广泛 其他如 X 型 T 型 D 型 方形 三角形等型式 适合在不同场合下应用 改进的方向是使其密封性能稳定可靠 提高其耐压能力 降低摩擦力 也 可以和低摩擦的塑料如聚四氟乙烯 尼龙的滑环与支承环形成组合密封 提高 其耐压力及降低摩擦力 有一些制造厂的产品许可达到速度 7 5m s 密封压力 5 6MPa 十二 行星减速机往复动唇形密封的技术发展动向十二 行星减速机往复动唇形密封的技术发展动向 10 往复动唇形密封又称唇形衬垫或皮碗 相当广泛地应用于液压系统的往复 油缸动密封 这种密封受压面呈唇形 在安装时有极小过盈 使唇缘与密封面 充分接触产生密封作用 当油缸工作时 随着压力的升高 其接触力与接触面 积增加 从而密封性提高 而在油缸回程时 压力隆低 接触面积与摩擦均低 于工作行程 因此产生呼吸作用 润滑唇口 阀芯和阀座接触面的泄漏 是工 作液体分子挤入的结果 影响密封效果的主要原因是阀芯和阀座的接触比压 不平度及压差 当阀芯与阀座的接合面以 P 力压紧 工作液体分子以 F 力挤入 密封材料会产生弹性变形 如果密封副总抗力大于分子斥力 则密封有效 否 则就会形成泄漏 早期的液压支架 运动副之间没有其他密封措施 是金属直 接接触密封 即要求密封副接触平面吻合 具有较高的加工精度 否则必须加 大密封副的结合力 使接触表面产生塑性变形 堵塞泄漏通道 往复动密封的型式很多 常见的有 J 型 L 型 U 型 V 型与 Y 型等 还有 各种组合及复合密封 如彭形 蕾形 多唇形密封等 在高压下的必须防止挤出 选用具有足够抗撕强度 硬度与模量 或是带 有支承环进行保护 或是采用增强的弹性体 一些高压 高速或高温下使用的 密封往往使用复合组合式密封 如霞板公司 Shamban 公司的 Turcon 滑环组合密 封 卡尔 弗伦登堡公司和日本油封公司的 NCF SIMKO 高效组合密封 道蒂公 司的 Balmaster 霍尔公司的 Hallprone 等 它们的共同特点是有两个唇口与油缸壁接触 密封部位中间设有凹槽 可 以贮存介质 改善了润滑性 唇损小 密封可靠 而用于气动系统的唇密封则 要求在无油润滑的状态下工作 故此与液压系统的唇密封结构有所不同 目前多 半采用在密封唇部设有贮存润滑脂的槽或在唇部粘接有低摩擦塑料或布的结构 以提高其使用寿命 有的从结构上想法降低密封唇的接触面积与接触压力 有 的将防尘刮板与密封件做成一体的结构 十三 行星减速机旋转轴唇形密封技术发展动向十三 行星减速机旋转轴唇形密封技术发展动向 目前相似结构的品种已不下 200 种 如流体动力型 内包骨架 装配式 外露骨架 粘接聚四氟乙烯的 AF 型 双模量回流型等等 外露骨架装配式的优 点是定位准确 同轴度高 导热散热条件好 在压力和振动作用下稳定 因而 有较高的使用寿命 同时节省胶料 双模量回流型运用波形密封理论 通过在 密封接触部位增加一种低定伸 易变形材料 即可获得回流效果 同时可降低 产品设计与模具加工费用 液压支架是采煤机械中的支护设备 经过大修在井下一般可使用五年 但 是液压支架中各种液压阀的使用寿命却很低 长的 3 个月 短的只有几个星期 国外解决的途径和办法是增加系统的过滤精度和提高乳化液的质量 但收效不 大 以英国某液压阀为例 虽然加工精度及整个液压系统的过滤精度都比较高 但因使用寿命低 已在我国面临淘汰 十四 行星减速机普通型密封件的技术发展动向十四 行星减速机普通型密封件的技术发展动向 随着机械产品使用条件的日益严酷 对橡胶密封制品的使用条件也提出了 更高的要求 例如在航天 航空工业 石油及矿山工业 工程机械及交通运输 工业 能源工业等使用胶密封 往往要适应较宽的温度环境及高压 砂尘等严 酷环境 据 1984 年国际橡胶会议资料 汽车 拖拉机中的旋转轴唇形密封圈使 用条件已有了较大发展 11 由于使用条件的变更 将使特种橡胶消耗量不断增加 要求发展新型密封 件 提高密封件的使用寿命及可靠性 旋转轴唇形密封圈的工作压力通常在 0 1 3 5MPa 最高速度为 15 20m s 流体动力型的最高速度可达 25 32m s 但在较高情况下 工作压力稍低一些 密封元件损坏的主要因素是工作液中的杂质 这些杂质在密封元件间研磨 使 阀产生泄漏 因此 国外曾提出相应等级的液压元件 应采用相应精度的过滤 器 他们认为 5 M 的油泵密封元件 如果采用过滤精度为 3 M 的过滤器 寿 命可比采用 10 M 的提高 10 倍 但液压支架用阀 工作环境十分恶劣 在采煤 工作面 油管总长 1000 多米 接头插口多达 4000 多个 液箱无特殊的防尘设 施 乳化液中有大量的漂浮杂质 在立柱缸底和阀腔 留有较多的煤粉 岩粒 和铁屑 进液阀芯和阀座 由于开启关闭比较频繁 液体流速高 密封很快就 会失效 实践证明减少支架液压系统液体的污染杂质 是十分困难的 有人曾 经设想在乳化液泵站采用高压过滤器 同时在每台支架进口处增加小型过滤器 但在工作中很快被堵塞 形成断流 往复动密封的系统压力一般在 20MPa 以下 在航天 航空工业中使用的高 性能组合密封 系统压力可达 56MPa 此时 最高工作速度为 1m s 另一方面 随着液压支架技术的发展 上海摆线减速机厂对阀的使用性能和阀的使用寿命 提出了更高的要求 目前 在装有 120 目时的过滤器和磁过滤装置的条件下 用通过被测试阀的乳化液的总流量和阀的启闭次数 来计量阀的寿命 但实际 上室内型式试验与井下实际工作结果相差很大 现在许多国家的形式实验 增 加了抗污染要求 有的是在乳化液中掺入适当的煤粉 有的是加入机械杂质 随着我国经济建设的发展 目前已提出了开发在高寒 沙漠与水下等环境中使 用的密封件的要求 液压支架中各种液压阀的使用寿命很低 国外解决的途径和办法是提高系统的 过滤精度和提高乳化液的质量 但收效不大 本文分析了支架阀的密封副的发 展过程 论述了密封副的材料与密封性能之间的关系 指出了密封技术是提高 液压支架中液压阀使用寿命的关键 十五 干气密封技术十五 干气密封技术 气体润滑非接触式机械密封 简称干气密封 和液体润滑上游泵送非接触式机 械密封 简称上游泵送密封 都是基于现代流体动压润滑理论的新型非接触式机 械密封 与普通的接触式机械密封相比 干气密封与上游泵送密封可实现密封介 质的零泄漏甚至零逸出 彻底消除对环境的污染 且因端面无直接的固体摩擦磨损 而使使用寿命延长 密封可靠性提高和运行维护费用下降 从而使经济效益明显 提高 该技术在国外已被人们所接受并在各种转子泵上推广应用 自 20 世纪 80 年代以来 国内有关科研院所就已开展了流体润滑非接触式机械密封的研究工作 但在工业开发应用方面进展缓慢 1 干气密封 Dry gas seals 干气密封最早于 20 世纪 70 年代中期由美国的 约翰 克兰密封公司研制开发 首先应用于高速透平压缩机上 工业应用表明 干 气密封具有下列特点 干气密封是一种新型的非接触轴封 与其它密封相比 干气 密封具有泄漏量少 摩擦磨损小 寿命长 能耗低 操作简单可靠 维修量低 被密封的流体不受油污染等特点 此外 干气密封可以实现密封介质的零逸出 从而避免对环境和工艺产品的污染 密封稳定性和可靠性明显提高 对工艺气体 12 无污染 密封辅助系统大大简化 运行维护费用显著下降等 机械密封一直不能干 运转 但干气密封利用流体动压效应 使旋转的两个密封端面之间不接触 而被密 封介质泄漏量很少 从而实现了既可以密封气体又能进行干运转操作 在压缩机 应用领域 无论离心压缩机 轴流式压缩机 齿轮传动压缩机还是透平膨胀机 干 气密封正逐渐替代浮环密封 迷宫密封和油润滑机械密封 在泵和反应釜上干 气密封应用也越来越广泛 干气密封结构 干气密封与液体普通平衡型机械密封在结构上并无太大区 别 不同之处在于 干气密封动环端面开有气体槽 气体槽深度仅有几微米 端面 间必须有洁净的气体 以保证在两个端面之间形成一个稳定的气膜使密封端面完 全分离 气膜厚度一般为几微米 这个稳定的气膜可以使密封端面间保持一定的 密封间隙 间隙太大 密封效果变差 而间隙太小会使密封面发生接触 因干气密封 的摩擦热不能散失 端面间无润滑接触将很快引起密封端面的变形 从而使密封失 效 气体介质通过密封间隙时靠节流和阻塞的作用而被减压 从而实现气体介质 的密封 几微米的密封间隙会使气体的泄漏率保持最小 动环密封面分为两个功 能区 外区域和内区域 气体进入密封间隙的外区域有空气动压槽 这些槽压缩 进来的气体 为了获得必要的泵效应 动压槽必须被开在高压侧 密封间隙内的 压力增加将保证即使在轴向载荷较大的情况下也将形成一个不被破坏的稳定气 膜 干气密封无接触无磨损的运行操作是靠稳定的气膜来保证的 稳定的气膜是 由密封墙的节流效应和所开动压槽的泵效应得到的 密封面的内区域 密封坝 是 平面 靠它的节流效应限制了泄漏量 干气密封的弹簧力很小 主要目的是为了当 密封不受压时确保密封面的闭合 选择干气密封时 决定性的判断是动环上所开 动压槽的几何形状 对于压缩机的某些操作点 如启动和停车时 一套串联密封在 低速或无压操作的情况下 旋转的动压槽必须在密封面之间产生一个合适的压力 此力靠特殊措施 三维的 弧形的槽来获得 工作原理 干气密封的工作原理 当端面外径侧开设流体动压槽的动环按图 示方向旋转时 流体动压槽把外径侧 称之为上游侧 的高压隔离气体泵入密封端 面之间 由外径至槽径处气膜压力逐渐增加 而自槽径至内径处气膜压力逐渐下降 因 端面膜压增加使所形成的开启力大于作用在密封环上的闭合力 使在静止状态下 保持接触的两端面分离并处于稳定的非接触状态 由中性高压隔离气体所形成 的气膜完全阻塞了相对低压的密封介质泄漏通道 实现了密封介质的零泄漏或零 逸出 可见 干气密封属于泵入式非接触密封结构 干气密封使用范围 适用条件处于以下情况可以优先考虑干气密封用作转 子泵轴封 要求密封介质零逸出 密封介质对摩擦温升敏感 要求工艺产品高 纯度无污染 并且泵易抽空而使密封发生干运转 要求密封辅助系统简易可靠 密封运行维护费用低等 首先应当考虑的是要针对具体的密封介质选择与之相 容的阻塞气体 可以是氮气 洁净的仪表气或蒸汽等 尽管干气密封无需阻塞气 体循环系统和冷却系统 但必须保证现场能够提供稳定可靠的气源 也许正是因为 这一点 干气密封的使用范围受到了一定的限制 石油化工等大型企业中转子泵 数量多且布置集中 宜于采用干气密封 规模效益也十分突出 若以一千台泵计算 每 年直接经济效益近亿元 十六 国产工程机械密封件 十六 国产工程机械密封件 13 当前中国工程机械工业已引进了发达国家大量的主机设计和制造技术 逐 步采用了国际先进的密封系统设计构思和密封装置的应用技术 但由于国产工 程机械密封件工业制造水平的制约 国产工程机械密封技术的应用水平仍落后 于国际先进水平约 20 25 年 主机无泄漏正常工作小时仅有 400h 左右 不足国 际先进水平的 1 10 应用现状 国产工程机械密封件的产品品种及质量仍无法满足引进先进制 造技术的工程机械的发展和配套需要 事实上在中国为工程机械行业服务的橡塑密封件生产企业有近千个 但具 有较好生产条件和技术能力的企业只有 40 余家 其中具有雄厚技术能力 拥有 成套先进设备的企业仅有 7 8 家 从事军品密封制品生产的专业研究所不在其列 尽管如此 这些企业生产的密封制品在质量和使用寿命方面仍与国外先进水平 存在或多或少的差距 工程机械及中 高压液压件行业引进了诸如林德 卡特 小松 采埃字 力士乐等世界知名厂商的制造技术之后 国产工程机械密封件 的产品品种及质量无法满足引进先进制造技术产品的发展和配套需要就是例证 其次 需求量颇大的自卸式载重卡车的举升装置用小断面 U 形密封圈 AU 由 于国产工程机械密封制品质量较差 主机厂及用户均向国外公司采购 密封系统的设计和应用水平依赖于密封制品的研制能力 主要表现在 3 个 方面 1 旋转动密封系统 目前大量采用的仍是普通标准型油封 对于有压力要求的旋转密封装置只 能提供耐压为 l 3MPa 的耐压型油封 而国际先进水平为 10MPa 动液压回流油 封的应用在工程机械旋转密封装置中尚未得到普及 2 液压缸往复动密封系统 目前大多数国产工程机械液压缸动密封系统设计仍采用 U 形密封圈作为主 密封 90 年代中期设计生产的工程机械液压缸动密封系统 开始采用同轴密封 组件和 U 形密封圈的复合设计 当令国际上普遍采用的 5 组件 或 3 组件 液压缸 活塞用带支承环组合密封组件 制作工艺较复杂 目前国内尚停留在小批量制 作的阶段 质量稳定性较差 3 静密封系统静密封系统中 虽然取消了石棉及植物纤维密封制品 但高 分子材料液态密封垫的使用尚不普及 目前国内使用的此类产品仍以乐泰公司 生产的各类密封胶产品为主 国产工程机械液态密封胶及用于液压系统管系连 接的厌氧胶的产品品牌较少 且涂敷工艺和质量性能均存在一定差距 展望 中国密封换术的科研医密封件制造工业将面对由工程叽械及其他中 高压液压机械行业提出的严峻课题 随着国际先进科技和制造技术的引进及 2000 年后国民经济的发展趋势 U 引进先进技术为依托的中国工程机械工业将有较大的发展 工程机械液压系 统工作压力和系统的先进性 工作可靠度的探高 必将促讲密封系统设计及密封 元件制造技术的发展 因此 中国密封技术的科研及密封件制造工业将面对由 工程机械及其他中 高压液压机械行业提出的严峻课题 可以预计 届时的中国密封工业体系将不再是一个高能耗 低效率 结构 庞杂的小农经济式的经营模式 而将是一个具有高度集约化 规模化 低能耗 高效率的经营体制 届时 中国密封件的主要品种将有 60 达到国际 80 年代末 14 90 年代初的质量水平 另将有 15 的产品品种达到国际密封件产品的当代质量 水平 中国工程机械和中 高压液压机械产品密封系统的设计和应用水平将达 到国际 90 年