具有减摩抗磨和控漏功能的液膜机械密封结构设计探讨与应用研究

任宝杰，郝木明，李勇凡，李香

（1.东营海森密封技术有限责任公司，山东 东营 257000；2.中国石油大学（华东）密封技术研究所，山东 青岛 266580；3.合肥通用机械研究院有限公司机械工业机械密封工程技术研究中心，合肥 230031）

作为泵、压缩机、釜、搅拌器、电机等旋转设备中不可缺少的密封装置——机械密封及系统已得到广泛应用，是决定设备密封性、安全性、可靠性、经济性的主要因素。目前，满足API 682《离心泵和转子泵用轴封系统》、GB/T 33509《机械密封通用规范》等典型标准的各类型机械密封产品逐渐在国内石油化工企业得以大规模的推广和应用，基本满足了工艺装置的安全性、长周期运行等要求。但随着现代工业的发展，机械密封的工作环境越来越苛刻，对机械密封的密封性、安全性、可靠性、经济性、适用性等整体要求越来越高[1-2]。

按照运行时摩擦副端面接触状态可将机械密封分为普通接触式机械密封（即摩擦副存在固相接触）和非接触式机械密封（即摩擦副不存在或近似不存在固相接触，例如干气密封）两大类。最常见和通用的为普通接触式机械密封，其端面基本处于混合摩擦状态，端面间存在一层不连续、随机分布的流体薄膜（液膜、气膜、气液混膜等），同时存在微凸体固相接触部分，故普通接触式机械密封存在固有的摩擦磨损、泄漏量不可预知等特点。对于普通机械密封而言，摩擦磨损和泄漏是一对永恒的矛盾，减少泄漏势必带来更重的摩擦磨损，减轻摩擦磨损一般会伴随着泄漏量的增加，虽然可以通过改变摩擦副材质等方法协调这对矛盾，但大量研究和使用证明，在摩擦副表面开设各种各样的槽型结构是一种更为行之有效的方法[3-10]，本文在液膜机械密封原理基础上给出了一种具体设计思路及应用案例。

1 液膜机械密封原理

在被密封介质为液体的机械密封设计过程中，端面固相接触比压pc是指作用于密封端面单位面积上的力，即当量固相接触压强，其计算公式见式（1）。

式中B——面积比；

psp——弹簧比压；

ps——密封两侧压差；

pm——端面平均膜压，端面液体产生的总力∫p除以端面面积A；

Km——膜压系数，Km=pm/ps。

将固相接触比压pc作为判断机械密封类别的评价参数，具体标准见表1。

表1 机械密封类别与接触比压关系表Tab.1 Relation table of seal class and contact stress

液膜机械密封（以下简称为“液膜密封”）基本原理是通过设计摩擦副端面间隙形状，利用液体静压和动压效应，提高端面平均膜压pm，达到降低或消除固相接触的目的，从而实现减摩抗磨的效果，其中将固相接触全部抵消的称之为“非接触式液膜密封”，将固相接触部分抵消的称之为“微接触式液膜密封”。

非接触式液膜密封端面间存在一层微米级厚度的连续液膜，微接触式液膜密封端面可按平均流量模型进行计算，其端面也存在一层连续的当量液膜，根据描述流体润滑力学特性的雷诺方程可知（见式（2）），端面间压力分布、速度方向与液体物性（黏度、密度）、操作参数（线速度）、端面间隙等因素有关，因此，可在设计过程中主动控制端面平均膜压、通过端面的泄漏量大小和泄漏方向，实现端面非接触或微接触的运转，以及泄漏量的可控。

式中x，y——直角坐标系变量；

h——某点液膜厚度；

η——液体黏度；

ρ——流体密度；

p——流体某点压力；

u0——动静环相对线速度；

t——时间。

对于特定工况，物性和操作参数一般来说是确定的，因此，如何设计端面间隙是改变和控制液膜端面液体压力、速度大小和方向的唯一要素，端面改形技术是液膜密封结构设计的核心所在。

2 端面改形结构设计

液膜密封最典型的特征是在摩擦副某一个环密封端面开设浅槽、深槽、微织构等各类改形结构，这些结构起到减摩抗磨、控制泄漏等作用。按照其功能，本文将端面改形结构分为四类基本结构：强制引流结构、运动增压结构、空化抽吸结构、黏性反输结构，实际采用的具体端面改形结构属于以上两种或多种结构的有机组合。

2.1 强制引流结构

强制引流结构最显著的特点是改形结构将端面部分区域与被密封介质相贯通，典型的有 “激光脸”槽、雷列台阶槽、双向类槽、螺旋线类槽等浅槽中的“引流槽”，深、浅槽中的圆弧槽、弓形槽等，如图1所示深色填充部分。

图1 几种常见槽型中的强制引流结构示意图Fig.1 Diagram of directly wetted structure in several typical grooves

强制引流结构将被密封液体直接引入端面间，减少了端面名义接触面积，增大了液膜静压反力，一定程度上降低了固相接触比压，有助于改善摩擦和磨损状况。更为重要的是，对于一些润滑性差的被密封介质、端面摩擦生热严重的工况，强制引流结构能够将液体介质强制带进端面内部，增强端面间润滑性和液体流动性，有效改善端面润滑和冷却状态，降低端面摩擦和磨损，润滑增效十分有效。

图2给出了一组内径为30 mm 的SiC 密封环，在相同工况条件下（水介质，10 000 r/min，2.5 MPa，配对环为浸锑石墨）运转0.5 h 后的端面磨损痕迹，可直观地看出强制引流结构对端面磨损情况有着明显改善作用。

图2 几种端面强制引流结构试验后的状态Fig.2 State of several seal face structures after the test

2.2 运动增压结构

运动增压结构主要是通过动静环之间非定常间隙的相对运动产生的液体动压效应，增强端面平均膜压，降低或消除固相接触压力。典型结构分为三大类：以螺旋线型槽为代表的浅槽，表面微织构以及表面波度结构。

如图3所示，螺旋槽以及“人字槽”、“八字槽”、“交错螺旋槽”等螺旋线组合槽、类似型线衍生槽，雷列台阶槽、双向槽、圆叶槽、零泄漏全膜结构中的周径向“增压槽”，周径向变深度槽等动压效果较强，一般能够实现端面的非接触式运行；多孔端面槽、“菱形槽”、“半圆槽”以及各种变体槽等表面微织构，“激光脸”槽中的“弯月槽”、“梯形槽”等微织构部分，其液体动压效果一般较弱，端面基本处于“微接触式”状态，但仍能大大降低端面固相接触比压，减轻摩擦磨损；相对于前两种结构的主动改形（即主动在端面上加工相应结构），表面波度结构既可以主动改形得到（例如磨削加工），也可以通过间接改形得到，例如上述开设在软质环上的“圆弧槽”、“弓形槽”深槽结构，利用周向开槽处更强的冷却效果，与非开槽处形成周向温度梯度，由于热膨胀量的不一致达到端面周、径向波度的效果，其一般也是处于“微接触式”状态。

图3 几种常见槽型中的运动增压结构示意图Fig.3 Diagram of pressurized structure in several typical grooves

图4给出了端面内外径分别为40 mm 和52 mm同样工况条件下（润滑油介质，6 000 r/min，外径0.5 MPa，内径常压大气，计算膜厚取当量临界膜厚值0.9 μm）的端面液膜压力场计算云图，螺旋线型内径螺旋槽（a）流体动压效果显著，液体动静压效应提供的开启力达到49 951 N；虽然多孔端面槽（b）和波度面（c）也产生一定的动压反力，但其流体反压仅为1 655 N 和294 N，仍不足以克服闭合力，实现端面间固相零接触。

图4 几种端面运动增压结构的压力场分布Fig.4 Pressure distributing picture of several seal face structures

利用红外热成像仪分别对相同工况下（基础油温28 ℃，压力0.1 MPa，转速1 000 r/min，稳定运转10 min，静环为石英玻璃环）相同规格的接触式机械密封和螺旋槽液膜密封进行端面温度采集，结果如图5所示，图中内侧红圈处为端面内径标识，可以看出，接触式机械密封在端面温度上存在明显梯度，螺旋槽液膜密封几乎不存在温度梯度，接触式密封端面温度明显高于螺旋槽液膜密封，端面摩擦性能得以明显改善。

图5 具有增压结构的螺旋槽液膜密封与接触式密封温度及分布对比图Fig.5 Temperature distributing picture of two seal face structures

2.3 空化抽吸结构

端面实现微接触或非接触后，密封会因间隙的增大而导致泄漏量变大，因此端面改形结构还应具备抑漏能力，空化抽吸结构是其中一种有效方法。其基本原理仍然可用雷诺方程进行较准确的解释，液体在增压的过程中，势必在某些区域内造成低压区，导致空化的出现，空化区相对周围是一个低压区，会对周围液体造成抽吸，然后被端面改形结构增压输送至高压点。如果低压区将密封端面内外径形成一个有效隔离，就能成功阻止泄漏，以“雷诺台阶—环形”槽、“螺旋槽—环形”槽为代表的内侧环槽结构即为此类。如果低压区虽然没有形成一个隔绝式区域，但空化区和增压区能够形成一个完整的“抽吸—挤压”循环过程并保持稳定，端面液体被上述过程控制在端面和外径侧进行循环，避免从内径处泄漏至大气侧，达到阻止泄漏的目的，一些螺旋线型槽及其衍生槽基于此原理实现抑漏。

图6给出了“雷诺台阶—环形”槽和螺旋线型槽空化区域计算结果，图中外径处为高压液体，内径处为大气侧，白色区域即为空化区。该“雷诺台阶—环形”槽算例靠内径侧形成了半圈空化区，形成阻漏屏障，端面槽型数据经过优化后可形成整圈空化区，实现完全零泄漏；该螺旋线型槽算例在槽区背风侧形成稳定的空化区，空化区对周围区域形成抽吸效果，两个相邻的空化抽吸区相连，基本能够避免内径侧泄漏的发生。

图6 两种端面空化抽吸结构的空化区域（白色部分）Fig.6 Cavitation area picture of two seal face structures

2.4 粘性反输结构

粘性反输是一种更为灵活、适用性更强的控漏方法，螺旋槽以及“人字槽”、“交错螺旋槽”等螺旋线组合槽、衍生槽中的“反输槽”部分，零泄漏全膜结构是其典型结构。以内径螺旋反输槽型为例，如图7所示当动静环相对运动时，槽型结构所产生的黏性剪切流方向由低压侧指向高压侧，与内外径压差流的方向相反。当剪切流和压差流数值相等时，即实现了非接触式状态下的液相零泄漏；当剪切流大于压差流，且低压侧存在其他液体时，能够实现将低压的液体泵送反输至高压侧，等同于改变了泄漏方向，也就是实现了被密封介质的气相零逸出；在某些特殊情况下，可以将剪切流设计得小于压差流，从而保证一直存在一个稳定的、可控的泄漏。

图7 一种端面黏性反输结构的示例图Fig.7 Example diagram of a seal face structure

图8给出了在连续运转试验过程中（工况条件：外径为0.1 MPa 润滑油，内径为大气侧，3 000 r/min）观测到“人字槽”结构不同时刻的粘性反输效果，图中用红框标示出了端面中的气液分界线大体位置，因拍摄光线和角度问题，图片中靠上区域分界线未能全部拍摄出，槽型结构实现了剪切流等于压差流的零泄漏预期。

图8 连续不同时刻的端面气液分界面Fig.8 Gas-liquid interface picture of a seal face structure at different moments

综上所述，强制引流和运动增压均是从减轻或消除端面间固相摩擦磨损角度进行的分类，空化抽吸和黏性反输均是以控制泄漏量或泄漏方向为目的进行的分类，同时基于雷诺方程或N-S 方程的各类计算模型中无论是否考虑热力耦合变形、惯性力、湍流、粘温效应、非牛顿、瞬动态特性、时变等因素，其基本原理和作用均如上文所述。因此实际槽型结构可能是上述两项或者多项功能的综合体，设计过程需要根据具体工况条件选用最适合的端面改形结构匹配项。

3 工程应用案例

丁二烯螺杆压缩机是丁二烯装置中的核心设备，其具有轴径大、线速度高、运转时间长等特点，普通接触式机械密封结构难以满足使用要求，海森密封利用液膜密封技术，组合应用运动增压结构、空化抽吸结构和黏性反输结构优化出一种“人字槽”结构，在试验室内完成了100 h 认证试验，其测试参数如表2所示，为了对比其性能设置了同工况、同尺寸的接触式机械密封对照件，最终试验测试结果见表3。

表2 试验参数表Tab.2 Table of test parameters

表3 试验结果表Tab.3 Table of test parameters

图9为100 h 认证试验后未经任何处理的液膜密封动静环端面状态，从试验结果来看，磨损量、冲洗液温升、扭矩等参数以及端面状态表明液膜密封基本上实现了非接触式运行，同时又满足了零泄漏的要求，摩擦磨损性能和密封性较接触式机械密封有着大幅提升。图10为相同结构液膜密封在中石化某厂连续运转4年后未经任何处理过的现场拆检照片，动静环表面均无任何明显磨损痕迹，同时4年内未补充过润滑油，即被密封润滑油总体泄漏量为0。上述认证试验和现场应用结果有力证明了该液膜密封槽型结构能够同时满足减摩抗磨和控漏的双重功能，也是对本文描述的液膜密封设计方法的具体成功实施案例。

图9 认证试验后的动静环端面Fig.9 Seal ring face after certification test

图10 现场运转4年后的动静环拆检图Fig.10 Pictures of seal rings after 4 years operation

4 结束语

（1）液膜机械密封通过表面改形技术主动控制端面间隙形状、液体流动方向和压力分布，摩擦副固相接触区域减少或消失，密封环磨损得以有效降低，端面温升得以缓解，端面介质气化、热变形、热磨损、热裂等由于温度过高引起的问题可有效减少，使用寿命将会大大延长，泄漏量和泄漏方向可以得到有效控制。因此液膜机械密封能够实现降低或消除端面摩擦磨损和控制密封泄漏量的目的。

（2）本文从液膜机械密封原理出发，基于功能性对端面改形结构类型进行了归纳与分类。提出在实际工程应用中，可有针对性地选择强制引流结构、运动增压结构、空化抽吸结构、黏性反输结构中合适的改形结构进行有机组合，从而达到预期密封效果。

（3）液膜机械密封在整体结构上相对接触式机械密封而言变动极其微小，在高压、高速、高PV 值、变工况、特殊介质等特殊工况条件下，液膜机械密封是除了提升材料性能外更为简便和可行的解决途径。本文对其结构设计和应用实例进行了总结，给出了设计要点和结论，希望能为从事机械密封研究和设计人员提供一些有益参考。