上游泵送机械密封技术发展状况与趋势

1、图2上游泵送机械密封端面螺旋槽结构示意图上游泵送机械密封技术发展状况与趋势钱经纬（南京林业大学机电院江苏南京210037）摘要：上游泵送机械密封是一种具有环保、长寿命、低能耗、利用低压流体实现对高压流体密封的一项密 封技术，它的典型特征是在一密封端而开有起上游泵送作用的浅槽，利用流体动压效应使得两密封端血被一 完整的流体膜分开，这极大地改善了密封端面的润滑状态。应用前杲将广阔。对上游泵送机械密封的研究国 外开展较早，并且已生产岀多类高性能产站，实际使用取得良好效果。国内研究较晚，但近年來己经成为 研究热点，理论与实际应用发展较快。pro/e. fluent> cad等软件已及有限元分析等

2、方法是进行该类密封 机理的研究以及结构参数的优化的热点z。在机械密封环上低成木地开出所需形状及尺寸的上游泵送槽、 根据密封工况，正确合理地设计出上游泵送机械密封的结构等是目询上游泵送机械密封技术发展趋势。 关键字：上游泵送；机械密封；发展状况；发展趋势引言机械密封是一种流体旋转机械的轴封装置，又称端而密封。传统的接触式机械密封是在补偿机构弹性力 的作用下,使其充分贴合，以阻止密封介质从密封端而间泄漏。其动/静环组成的摩擦副一般处于边界摩擦或 混合摩擦状态，在高参数工况（高温、高压、高速等）条件下，摩擦因数较人,功耗高，磨损严重,寿命短，使用和维 护成木较高。随着航空航天、核电、天然气输送和石汕

3、化工等工业的迅速发展，对机械密封提岀了更高的要 求，从而推动了密封技术的进步。在各类机械密封中，上游泵送机械密封以其密封性能稳定可靠，磨损少，寿命长，能耗低等优点在机 械密封屮占有独特的优势，具有广阔的应用前景。其采用液体作为密封介质，是一种非接触式新型轴端密 封。上游泵送机械密封产品已成功应用于工程实践，但无论国内或国外，对于上游泵送机械密封端面间的 摩擦特性研究鲜见报到。文章从密封机理、特点、密封效果影响因素、研究及应用等几个方而阐述了上游泵送机械密封的研究 现状、存在问题和发展趋势。二上游泵送机械密封的基本原理上游泵送机械密封，简单说来,就是普通机械密封的端而山具有低流量、h压力“端而泵

4、”“泵”把少量的隔离流体（buffer liquid）沿着密封端 面输送到密封腔。该密封端面的“泵”效应通过在 端面开各种流体动压槽来实现,最常见的是螺旋槽。 山于密封腔的液体压力比隔离流体的压力高，而隔 离流体的流向是从低压的隔离流体腔流向高压的密 封腔，该密封就被称为向“上游”泵送。典型的上游泵送机械密封见图1,其螺旋槽端而 结构见图2。图1所示的上游泵送机械密封由一内 装式机械密封和装于外端的唇型密封所组成，机械 密封端而含有螺旋槽，将隔离流体从密封压盖空腔 泵送入泵腔。唇型密封作为隔离流体的屏障,将隔离 流体限制在密封压盖腔内。图2为图1所示机械密 封旋转环示意图,端而有螺旋槽，根据密

5、封工况的不|作者简介:钱经纬（1991）,男，工学学士 南京林业大学机电学院.同，其深度从2微米到十几微米不等。该端面内半径(rt)处液体压力即为隔离流体系统压力，外径(ro)处彳液 体压力即泵密封腔液体压力。携対介戦图4 普通机械密封嫂面压力分布介质图3上游泵送机构密封典型密封面压力分布上游泵送机构密封通过端而螺旋槽的作用， 在密封端而间建立了正的膜压分布，此膜压的最 大值(pg)稍微超过被密封介质的压力(po),两者z 差(pg-po)构成了液体上游泵送的推动力。上游泵 送机械密封端而间膜压分布示意图见图3,普通机 构密封端面间膜压分布见图4。上游泵送机构密 封，山于端而间正的膜压分布，使

6、两端而稍微分离， 以便将下游流体送入上游，结果端面间为1()0%的 液膜，极人地改善了端面间润滑状况。上游泵送速率 是此类密封的关键指标之一，它取决于密封的尺寸、 转速、螺旋槽端面结构、压力和下游液体的粘度， 一般为每分钟儿毫升。低压隔离流体应与工艺介质 相容，-般情况下为普通清水，由于泵送速率很小，对 产rffi的稀释问题通常可以不必考虑。三上游泵送机械密封技术的发展状况1. 国外上游泵送机械密封技术的发展状况1981年j scdy受螺旋槽气体润滑密封技术成功应用的启发，将螺旋槽密封技术应用于液体介质的研究 而获得了高压上游泵送密封专利技术，该技术可丿应用于苛刻的密封工况。1984年j pn

7、etzel在第三界国际 泵讨论会上明确解释了上游泵送密封的概念:利用密封环端面开流体槽将下游少虽泄漏流体泵送回上游。 1987年美国的buck、volden等在第45界stle春季年会上发表了 “上游泵送机械密封新概念”的论文, 给岀了上游泵送机械密封的设计思想。美国的john crane公司研制并生产了 80()()系列螺旋槽上游泵送机 械密封，这类机械密封的结构特点是: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。其优点是泄漏量小(甚至是无泄漏),膜厚大，消除了接触療擦,功耗和发热量 小。1989年,a ali在第六界国际泵用户讨论会上介绍

8、上游泵送机械密封的设计思想。199()年,g s buck、d voldc以及j p nct-zcl分别在摩擦学家和润滑工程师学会(stle)会刊润滑工程介绍了上游泵送机械密封 的典型用例。1993年r f salant等探讨了上游泵送机械密封的刚度和泄漏率,1995年tom lai开发的非接 触零泄漏螺旋槽液体端面密封结构也有上游泵送密封结构7。同年,j pndzel、a parmar介绍了利用先进的 计算机工具来优化液体润滑机械密封性能，其中就包含上游泵送机械密封。2. 国内上游泵送机械密封技术的发展状况1990年石汕人学顾永泉和董飙等研制出了泵出式圆弧槽液体端而密封获国家实用型专利。19

9、98年彭建 等对上游泵送机构密封进行了一些实验研究。同年，李克永、王玉明发明了双环带螺旋槽端而密封，研究结 果表明该机械密封具有很好的防同体颗粒能力和停车性能。1999年宋鹏云介绍了上游泵送机械密封的应 用实例，并探讨了计算螺旋槽上游泵送机械密封性能的解析计算方法.20()()年又对上游泵送机械密封的基木 原理进行了分析。自2000年以来，石油大学郝木明、胡丹梅等人先后开发出单列流体压槽上游泵送机械密 封、双列同向流体动压槽上游泵送机械密封、单列交错流体动压上游泵送机械密封,获国家实用型专利。 2003-2007年于新奇等对激光加工多孔端面的机械密封的摩擦性能进行了试验研究和分析。2(x)5年

10、清华人 学摩擦学实验室研究了一种新型双列螺旋槽机械密封的工作机制。同年，江苏大学符永宏等发明了一种型 的零泄漏非接触式机械密封，在机械密封的动环(或静环)上开设具有一定分布的微观润滑腔和一定形式的宏 观泵送槽，并获国家发明专利。2006年戴路玲等从密封机理、研究开发与应用、研究热点及存在问题和展望几个方而对上游泵送机械密封进行了阐述。2008年周剑锋等对上游泵送机械密封在真空装备屮的丿应用开 展了研究。研究了上游泵送机械密封在真空装备轴封中的应用。该类机械密封动环端而的螺旋槽具有泵送 效应，可将真空侧的阻塞介质向大气侧泵送，从而阻止外界空气向真空腔内渗透。设计了真空腔体的外装式和 内装式轴封结

11、构，分别研究了动环端而外侧和内侧开螺旋槽时液膜的压力分布规律。研究表明，低转速条件下, 螺旋槽深度对液膜压力分布的影响显著。介理设计螺旋槽的槽形参数，可实现空气的零渗透,仅伴随微虽的 阻塞介质泄漏。201()年江苏人学华希俊等对上游泵送机械密封及其加工新技术进行了研究。综述了国内外上游泵送 机械密封技术的发展现状，介绍了机械密封的端而结构及其密封性能，以及包括激光加工在内的密封环端而 结构的各种加工方法及其优缺点,提出了泵送槽的快速成型方法，提高了髙性能机械密封的工业应用价值。 2011年高华凶对上游泵送机械密封在海洋石汕平台的应用进行了研究。2012年冯秀对螺旋槽上游泵送机械 密封摩擦特性试

12、验开展了研究。指出端而摩擦特性是决定上游泵送机械密封工作寿命和密封性能好坏的关 键因索。对螺旋槽上游泵送机械密封的端而摩擦系数进行了试验研究，结果表明，随着端而比压的增人， 摩擦系数快速减小，当端面比压增加到() 3 mpa之示，变成缓慢减小。当端而比压较小时，随着转速的 增大，摩擦系数缓慢减小。当弹簧比压达到0. 15 mpa左右后，转速对摩擦系数的影响非常小，可近似认 为此吋摩擦系数不随转速而变化。在槽型参数中槽深、螺旋角对端而燈擦系数影响较大，而槽数、槽宽比 和槽长比对于端面摩擦系数影响较小。此研究结果为上游泵送机械密封的正确使用和设计提供依据。同年 陈汇龙等人对棊于动网格的上游泵送机械

13、密封性能参数进行了分析。验证动网格技术在机械密封内流场 模拟中的可行性，同吋指出机械密封内流场讣算应当考虑空化问题，才能得到比较真实的内流场特性;液膜 厚度、泄漏量和液膜刚度随着转速、介质压力的增人而增人，端面螺旋槽在产生泵送效应的同时也产生动 压效应。同年他还棊于fluent的螺旋槽对上游泵送机械帑封三维微间隙流场数值进行了模拟。表明所采用 的模拟方案可对螺旋槽上游泵送机械密封微间隙三维流场进行较好地描述，该方法可用于密封端而微间隙 流场及性能的系统研究;对端面压强分布进行分析，结果表明，在螺旋槽外槽根处存在最人静压，液膜开启 力的增大主要来源于槽根产生的蝕大静压。此外四川fi机密封件有限责

14、任公司对槽型进行了化，得岀螺旋槽密封结构的综合性能比人字槽和斜线 槽稍好的结论，并用实验证明了化设计岀的三种上游泵送机械密封结构达到了微汕漏、微磨损。人庆石汕 化工总厂伯超从理论上对上游泵送机械密封进行了研究，编写了计算上游泵送密封端面压力分及端面结构 优化程序，对螺旋槽、人字槽以及斜线槽上游泵送密封端而进行了设计计算并且对密封而槽型进行了优化。 町以看出，口从提出上游泵送机械密封的概念以来，这种密封得到了广泛的应用发展。国内外都不断开发 出新的槽型结构，密封的可靠性得到了提高。但是针对端面构的研究还处于经验阶段，研究方法还是采用 传统的设计计算，工况条件单一。密封设计研究应以计算机为工具，根

15、据不同的工况条件，采用软件和数 据库，优化密封结构分析密封性能，采用参数化设计，尽可能在设计阶段使密封性能达到最优，实现设计 高效和方便，满足密封的规模化牛产。u9上游泵送机械密封技术的发展趋势1. 使用pro/e. fluent等应用软件对上游泵送机械密封性能参数以及三维微间隙流场模拟是对上游泵送 机械密封进行研究的有效方法。多采用有限元和计算机辅助设计来模拟和预测各种条件下的密封性能，并 与相关试验数据札i互验证，这是进行该类密封机理的研究以及结构参数的优化的热点之一。2. 如何根据密封工况，正确合理地设计出上游泵送机械密封的结构，这是设计理论要解决的问题。这涉及 材料选择、端而结构、端而

16、泵送液体的槽型结构和尺寸、补偿结构及补偿力、隔离流体及其系统等方而。 其屮最为关键的是如何综合考虑力变形、热变形等对密封端而的影响，正确确定出螺旋槽在端而间所能产生 的最大液体膜压力以及下游隔离流体的上游泵送速率。由于上游泵送机械密封是非接触密封，端面由于压 力、温度或制造导致的变形都不能通过磨合来修正，这意味着设计吋就要考虑这些因素。3. 能否在机械密封环上低成木地开岀所需形状及尺寸的上游泵送槽,是此类密封能否推广应用的另一关 键。选取一种介适的方法改善机械密封环端面泵送槽的实现工艺,可以提高冃前密封环端面微造型的加工。 效率，节约成木，减少污染，同时提髙机械密封的性能,增强上游泵送机械密封

17、的工业应用价值。目询,在密封 环上开槽的方法冇腐蚀加工、照相腐蚀加工、放电加工、懒料加工、激光加工、镀膜等，但都由于技术难度 人、成本高、质量难于控制，在实用的密封环上经济的开槽工艺还有待进一步探索。五结束语上游泵送机械密封是一种新型的机械密封，密封端而为全液膜，冲破了传统的密封观念和理论，具有比 普通接触式机械密封更为优良的使用性能：无泄漏，无污染，长寿命，低能耗和辅助系统简单等优点，具 有广阔的发展前景。当前高性能机械密封产品主要被欧美人型企业垄断，国内所需人录机械密封产品需要进 口，因此，研制具冇自主知识产权、高附加值的产品,对于节约外汇，参与激烈的国际市场竞争具冇非常璽要 的现实意义。参考文献1 宋鹏云上游泵送机械密封的棊本原理分析j 云南化工,2000, 27 (4)2 戴路玲、顾海明.零泄漏上游泵送机械密封机理、应用及展望j.运行与应用,2006, 11 (2)3 李克永，王玉明.双环带螺旋槽端而密封