水下低速旋转动密封性能试验研究

水下低速旋转动密封性能试验研究

轴向旋转运动广泛应用于水中的操作设备中，其动密封能力对水上操作设备的性能、维护和寿命非常重要。在基于填料密封元件的旋转动密封中,当水下设备工作深度较小时(通常小于30m),一般采用多层填料密封元件即可达到较好的动密封效果,而工作深度较大时需要对设备内部进行充油,并通过环境压力补偿装置对设备内部增压以保证其水密性本文针对O形圈、格莱圈、车氏密封及泛塞等4种在理论分析中均具有较好低速旋转动密封性能的填料密封元件,首先分别进行试验装置设计,然后在2MPa工作深度且未采用压力补偿的工况下进行试验验证,最后给出动密封性能对比分析。1密封方法1.1摩擦轴力分析O形圈是水下设备中一种被最为广泛应用的填料密封元件图1中,O形圈与旋转轴间存在滑动摩擦,摩擦力大小与旋转轴表面粗糙度、O形圈压缩率等有关。为降低旋转摩擦阻力,同时考虑O形圈的卡夫焦耳效应,在选用O形圈时内径较旋转轴径大3%～5%,外径压缩率控制在5%～10%,旋转轴与O形圈接触面粗糙度Ra0.1～0.2。1.2高速、低频旋转动密封格莱圈通常由改性的聚四氟乙烯密封圈和O形圈组合而成,其中密封圈与旋转轴接触并实现动密封,而O形圈提供径向压力并对密封圈磨损进行补偿格莱圈的优势在于解决了O形圈的启动爬行、黏滞等问题,在高速、低速旋转动密封中均有广泛应用。格莱圈通常可直接根据产品手册进行选用。需要注意的是,当旋转轴径较小时应当使用相应的工装进行安装,以免密封圈损伤而影响动密封性能。1.3车氏密封分体式设计的现代发展现状车氏密封是我国自主研发的一型填料密封元件,在各种高压水、油系统中都有广泛应用。根据应用工况的不同,可分为齿形、J形、C形、U形等多种形状车氏密封与格莱圈具有一定的相似性,都是由改性的聚四氟乙烯密封圈和O形圈组合而成,其区别主要在于密封圈的形状。当旋转轴径较小时,可采用图3所示的分体式结构设计方案布置车氏密封。在选用该型车氏密封时应注意密封元件的安装方向。1.4外部压力下的动密封力泛塞又称弹簧蓄能密封圈,其由非金属密封夹套和金属弹簧组合而成图4中,当外侧水压较低时,主要有金属弹簧提供密封力,而随着外侧压力升高,主要密封力由外部压力来提供,从而保证不同压力下的动密封性能。由于泛塞背面不具有水密性,因此,在泛塞安装环上设置O形圈以进行水密。2填料密封试验设备为测试不同填料密封方式的低速旋转动密封性能,设计图5所示测试方案进行试验。压力容器中介质为水,其上安装有压力表能够显示压力信息。压力容器通过手动压力泵进行加压。测试装置内部未采用环境压力补偿,每种填料密封元件均采用双层设置。试验中选用的O形圈、格莱圈、车氏密封及泛塞等填料密封元件的型号规格信息如表1所示。测试装置除旋转轴选用316L不锈钢材料外,其他各零部件均选用7075铝合金材料,零件表面未进行表面处理。测试装置内部采用带行星减速器的步进电动机驱动,减速器输出轴与旋转轴连接并带动旋转轴正反向旋转。如图5所示,将测试装置放入压力容器后,在外部加压装置作用下压力容器内压力缓慢加至2MPa,然后由外置的控制器控制步进电动机正反向切换旋转,经减速后旋转轴转速为15r/min,正反向切换周期为3s,单种密封元件连续工作100h。3同方式对密封元件的磨损严重测试结束后,拆开测试装置并检测电动机内部漏水情况,试验结果如表2所示。从拆解后测量的漏水量来看,格莱圈和车氏密封的泄漏量最大可达9ml,而65mm泛塞的泄漏量在5ml左右。测试结束后,不同方式下的填料密封元件均磨损严重,且制造旋转轴采用的316L不锈钢材料硬度较低,旋转轴表面与密封元件接触处均有一定的变形。需要说明的是,在2MPa深度环境下实际的低速旋转动密封性能与密封元件质量、结构件加工精度、旋转轴表面粗糙度、装配工艺等都有很大的关系。在后期多次的测试中也出现过轴径24mm格莱圈漏水在1～2ml的现象。但是,多次试验显示的测试结果基本与表2相符。因此,表2测试结果基本能够说明4种不同填料密封元件在2MPa压力且未采用压力补偿的水下作业装置中100h长时间连续工作时的低速旋转动密封性能,即O形圈最优,泛塞次之,而格莱圈和车氏密封相对较差。4选用压力补偿的动密封元件本文针对O形圈、格莱圈、车氏密封及泛塞等4种填料密封元件的水下低速旋转动密封性能进行了测试研究,其主要结论如下。(1)在4种方式中,基于O形圈的低速旋转动密封性能最优,且结构设计、安装均较简单。但是,O形圈存在启动爬行、粘滞等问题,且长时间工作后O形圈磨损较严重。因此,对于未采用压力补偿的动密封可优先选用O形圈,而对于采用压力补偿的动密封可选用格莱圈。(2)理论上密封元件可在轴用和孔用两种方式中任意选择。但是,密封元件旋转接触面的粗糙度对动密封性能具有很大的影响。若选择轴用密封元件,当轴径较小时内孔表面粗糙度很难保证,建议优先选用孔用密封元件,然后通过精车、抛光等处理降低旋转轴表面粗糙度。(3)泛塞较O形圈启动扭矩小,但外侧水压增大会增加泛塞对旋转轴施加的密封力,而该密封力明显大于格莱圈和车氏密封。在测试过程中亦曾出现过大压力时电机转矩不足而使旋转轴卡死的情况。因此,在基于泛塞进行低速旋转动密封设计时建议驱动源预留一定的转矩余量。(4)本文考虑旋转轴在海水中的耐腐蚀问题以及与外部设备连接的强度问题,测试装置旋转轴材料为316L。但316L硬度较低,其本身会影响动密封性能。因此,可对旋转轴进行表面处理以提高硬度,或是更换其他耐腐蚀且硬度较