剖分式机械密封技术研究进展

　　为了方便穿套在旋转轴上的密封环和辅助密封圈等元件的安装, 人们开始从事剖分式机械密封技术研究。通过对剖分式机械密封技术近20年发展状况的回顾与总结, 发现剖分式机械密封之所以至今未能获得推广或只能应用于工作参数较低的场合, 是因为缺乏对密封端面和分型面受热受压条件下变形与控制规律研究、以及分型面连接的紧密性分析, 无法保证密封设计与运行的可靠性。指出了今后一段时期剖分式机械密封理论研究、试验研究和应用研究的方向。

　　机械密封作为一种旋转轴动密封, 因结构简单和性能稳定, 被广泛应用于电力、船舶、航空航天、石油化工等领域的装置上。人们通过改进密封端面结构, 改变摩擦副组对材料, 加强冲洗、冷却等力图延长机械密封寿命。然而, 工作条件不同和环境变化,以及工作过程中动、静环密封端面间存在着的摩擦磨损(对于非接触式机械密封, 在开停车阶段或介质参数发生变化时, 也存在摩擦磨损) , 在造成端面或其他零部件损坏, 引起泄漏率超标后, 终将导致停机修理或更换机械密封。由于穿套在旋转轴上的机械密封, 其基体包括密封环和辅助密封圈的形状是闭合环形, 拆卸修理或更换时需要卸下轴一端的配合件, 工程量大、时间长、费用高。真空技术网有关文章表明, 机器设备维修中有40%～50%的工作量用于轴封的维修,大约有70%的维修费用于处理相关机器的密封故障。

　　为此, 自20世纪90年代初就有人开始进行结构简单、安装方便的剖分式机械密封研究, 但至今少有应用。

　　本文作者旨在对近20年剖分式机械密封技术发展状况进行归纳总结, 从中找出制约研究的瓶颈, 指出剖分式机械密封技术今后的努力方向, 为这一技术获得安全可靠的工程应用与推广提供借鉴。

1、剖分式机械密封及其结构

　　剖分式机械密封是将做成周向对开或多瓣的环(包括动环座、动环支撑、动环、静环、静环支撑、静环座),用接插销钉连接或围簧箍住形成整体, 再配以开口密封圈和弹性元件组成的密封件。除密封环与支撑座存在剖分面外, 其工作原理、结构与普通机械密封均相同。按端面状态不同也分为平行端面和改型端面剖分式机械密封。安装剖分式机械密封无需拆卸泵或联轴器、方便快捷, 停机时间短。图1为对开剖分式平行端面机械密封。图中装配工具是为了方便地将动、静环分别装入动环支撑和静环支撑而专门设计的。安装时, 先将装配工具置于轴上并用围簧箍住形成整体, 再分别将动环支撑、动环、静环和静环支撑放置于轴上并用接插销钉连接(图中未注出) , 将扣式或插口式密封圈连接好外套在动、静环上。然后利用装配工具将动环和静环分别插入动环支撑和静环支撑。将动环座和静环座分别穿套在轴上并连接好,在动环座与动环间放置小弹簧, 在动环支撑和轴之间、静环和静环座之间装入扣式或插口式密封圈。剖分式机械密封安装在机壳中的状态如图2所示。

2、研究状况

　　1991年日本Nagai Yataro等发明了“带有剖分环的机械密封”, 其密封环被一个带预制沟槽的支撑环覆盖住, 用“O”环镶嵌在预制的槽中。1994年美国拉多萨夫等发明了一种“剖分式机械密封”,其动、静环由许多弓形环段形成, 分别置于两个对开式托架装置中, 托架剖分面用螺栓连接成一体, 刚性支持着动、静环。1997年Bessette等发明的“完全剖分集装式机械密封”, 由两个部分组成, 每部分依据集装式设计标准设计。装配采用定位螺丝把密封装配固定在转轴上, 用套筒和槽来固定静组件于密封腔上。结构非常简单、操作方便、安装时无需测量或推测工作。Reagan发明了“剖分式机械密封环及其使用”, 这种环至少分为两瓣, 并用特殊对准夹具对齐。在每个环段剖分面上有一个弧形凹槽, 把对准夹具放入一个环段剖分面上的弧形凹槽内并固定, 以便能进行另一环段剖分面的固定。安装时, 必须确保每个环段对中, 以便在安装操作时, 尽可能地减少对准夹具对密封环损害, 并尽可能地减少泄漏造成的不对中。尽管如此, 剖分式机械密封并未获得真正的应用。直到2003年才由德国Burgmann公司生产出产品并应用于水处理、制浆和发电等工业装置中。2007年美国Giard发明了“剖分式机械复合密封装置”,同年Boyson提出了离心流体装置用剖分式密封技术的可靠性问题, 指出要使得剖分式密封能被广泛使用, 需要寻找更大的密封压力适用范围。然而, 提高密封压力所增加的应力不仅导致整个组件产生较大变形, 而且也使剖分环瓣产生相对运动, 需要对所使用的材料进行非线性变形和应力计算。国内马卫东开展剖分式机械密封研究较早, 2000 年发明了一种用于大型反应釜和大型泵的分体式机械密封, 其动环通过推环、传动环固定成一体, 动环、推环、传动环均由对称两部分组成、且分别由具有斜面的两个半夹紧环固定; 静环、静环座、压紧螺母固定为一体, 静环、静环座上的具有斜面的两个半夹紧环夹紧。2003年合肥通用机械研究所对剖分式机械密封进行试验和工程应用研究后, 指出目前研制的完全剖分式机械密封只适用于工作参数(压力、温度) 低的工况, 要提高其工作参数, 还需进行更为深入的研究。

　　2007年艾志工业技术集团公司报道了其成功地将CHESTERTON442剖分式机械密封应用于大亚湾核电站工况为出口压力0.5MPa, 温度小于50 ℃的冷却循环水泵的情况。2008年杨启明等开展了反应釜用剖分式机械密封设计研究, 利用有限元法分析了辅助密封圈的应力应变状况, 提出了两种分型面连接结构。

3、存在的问题

　　通过上述分析可以看出, 这些研究给大型机器设备端面密封修理或更换带来了极大的便利, 解决了剖分式机械密封设计的可行性问题。但其研究的重点主要集中在动环、静环及辅助密封圈分型面的连接, 均未考虑端面摩擦热、外力引起的形变对泄漏率、端面摩擦磨损及分型面连接紧密性的影响。实际上, 剖分式机械密封基本问题包括泄漏率、端面磨损率和分型面的紧密性。分型面的存在, 不仅打破了整体密封环的结构连续性, 形成轴向泄漏通道, 而且也改变了端面受热受压后的变形规律。之所以剖分式机械密封至今未能得到更广泛的应用, 或只能应用于工作参数较低的场合, 是因为在解决了分型面的连接问题之后,缺乏对密封端面和分型面受热受压后变形规律的认识、以及分型面连接的紧密性分析, 无法保证密封设计与运行的可靠性。要解决设计与运行的可靠性问题, 使剖分式机械密封更好地应用于工业装置, 有必要深入开展剖分式机械密封理论与应用技术研究。