淺探相關(guān)參數(shù)對機(jī)械密封摩擦熱的影響

蔡清龍，朱艷秋，虞佳棟

（1.中化興中石油轉(zhuǎn)運(yùn)（舟山）有限公司；2.中化舟山危化品應(yīng)急救援基地有限公司，浙江 舟山 316000）

在石油化工行業(yè)，各類泵是油品輸送的關(guān)鍵設(shè)備，而機(jī)械密封又是影響泵完好性的重要附件，因而其質(zhì)量、壽命是選型重點。機(jī)械密封按照結(jié)構(gòu)可分為旋轉(zhuǎn)式、滑動式、靜止式、內(nèi)裝式、外裝式等。與填料密封相比，機(jī)械密封密封性好、壽命長，應(yīng)用廣泛。

在接觸式機(jī)械密封中，動環(huán)和靜環(huán)是關(guān)鍵部件，其接觸端面相對運(yùn)動產(chǎn)生摩擦熱，摩擦熱會造成局部的高溫，進(jìn)而影響密封的效果，甚至出現(xiàn)密封環(huán)斷裂等現(xiàn)象。為保證密封效果穩(wěn)定性，降低接觸端面的溫度，將是機(jī)械密封選型的關(guān)鍵指標(biāo)。

1 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)特點

1.1 機(jī)械密封摩擦副材料

機(jī)械密封核心部件是摩擦副，即動環(huán)和靜環(huán)，它很大程度上決定了機(jī)械密封的性能和壽命。動環(huán)和靜環(huán)相對滑動將產(chǎn)生磨損和發(fā)熱，因此，摩擦副材料應(yīng)達(dá)到以下要求。

（1）物理性能：彈性模量大、密度小、導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)低、耐熱裂和熱沖擊性好。

（2）化學(xué)性能：耐腐蝕、抗溶脹、不易老化。

（3)機(jī)械性能：高機(jī)械強(qiáng)度、自潤滑性好、低摩擦系數(shù)、能承受短時間的干摩擦、耐磨性好、適當(dāng)?shù)挠捕取?/p>

在材料選取時，通常是動靜環(huán)為一軟一硬搭配。常用摩擦副軟材料為碳-石墨、聚四氟乙烯等，硬質(zhì)合金、陶瓷及青銅等多作為硬材料。碳-石墨由于其自潤滑性、化學(xué)鈍性、較高的化學(xué)耐蝕性及相對低的消耗廣泛用作軟材料。相對硬材料，石墨被摩擦，在其表面很快形成一層相當(dāng)薄的膜，在摩擦過程中，這層膜對控制溫度上升起著重要作用。

1.2 動環(huán)受力分析

如圖1所示，機(jī)械密封在穩(wěn)態(tài)工況下受力是平衡的，即有：

圖1 動環(huán)受力分析

其中，psp為彈簧力，ps為作用于動環(huán)左側(cè)的介質(zhì)壓力，p0為動環(huán)右側(cè)液膜壓力形成的推開力，p為端面密封壓緊力，單位均為MPa。A為動靜環(huán)密封面接觸面積，A1、A2分別為動環(huán)左右兩側(cè)介質(zhì)的作用面積，單位為m2。

則密封面單位面積上的力：

式中，G為彈簧彈性模量；D為彈簧絲徑；n為彈簧有效圈數(shù)；d為彈簧直徑。

如用p1表示平均液膜壓力，則有：

式中，D2為密封面外徑，m；D1為密封面內(nèi)徑，m；D0為軸徑，m。p2為彈簧比壓，，Pa；p1為介質(zhì)壓力，，Pa；λ為膜壓系數(shù)，；k為載荷系數(shù)，；

再以平衡系數(shù)β=1-k代入上式，得端面比壓：

2 相關(guān)參數(shù)對摩擦熱的影響

2.1 k、b值的選取

k代表介質(zhì)壓力ps的作用面積與密封端面面積之比，與密封結(jié)構(gòu)有關(guān)。密封流體壓力作用在補(bǔ)償環(huán)上（如機(jī)械密封動環(huán)），使其對于非補(bǔ)償環(huán)（例如機(jī)械密封靜環(huán)）趨于閉合的有效作用面積與密封環(huán)帶面積之比稱為載荷系數(shù)。

如圖2示，D0≤D1，沒有軸肩，所以k≥1，說明全部的介質(zhì)壓力作用在密封端面上。此時β≤0，說明介質(zhì)壓力完全沒有被平衡，此結(jié)構(gòu)為非平衡型。

圖2 非平衡型機(jī)械密封

如圖3示，為 10 <

如圖4示，當(dāng)D1=D0，此時k= 0,β=1，介質(zhì)壓力完全被平衡，此結(jié)構(gòu)為完全平衡型。

圖3 平衡型機(jī)械密封

圖4 完全平衡型機(jī)械密封

載荷系數(shù)對密封性、使用壽命有很大影響，從密封性角度考慮，如果載荷系數(shù)大，端面比壓高，密封的穩(wěn)定性和可靠性都較好。同時，載荷系數(shù)大產(chǎn)生較高摩擦熱，如不能及時散去熱量，導(dǎo)致密封面溫度過高，當(dāng)達(dá)到介質(zhì)氣化溫度時，介質(zhì)發(fā)生氣化，液膜破壞，磨損加大，使用壽命短。

因此，針對非平衡性機(jī)械密封，當(dāng)軸徑一定，k值對端面比壓的影響至關(guān)重要，在選取機(jī)械密封型號時，應(yīng)綜合考慮密封端面b的大小。動靜環(huán)接觸寬度b太大，則磨損大，發(fā)熱多，耗功大，冷卻和潤滑效果差，而且密封面的平直度不易保證。但寬度不易過小，否則，強(qiáng)度太低。高轉(zhuǎn)速、易揮發(fā)的介質(zhì)，應(yīng)取小值。在摩擦副中，硬環(huán)的寬度應(yīng)大于軟環(huán)，以免硬環(huán)棱角嵌入軟環(huán)中，破壞密封面而引起密封失效。

相關(guān)試驗結(jié)果表明，密封面寬度b如采用窄面，相對于寬面，在相同轉(zhuǎn)速的情況下，窄面機(jī)械密封可以明顯降低溫升。不同轉(zhuǎn)速下，窄面靜環(huán)的端面溫升僅為寬面靜環(huán)的20%左右，其原因是接觸面的內(nèi)外溫差小，散熱好、產(chǎn)生的摩擦耗功上相對較小。因此，在散熱方面考慮，宜采用窄面。

當(dāng)介質(zhì)壓力較高時，必須降低機(jī)械密封k值，而采用平衡型機(jī)械密封。一般情況下，當(dāng)介質(zhì)壓力高于67.84×104Pa時，即應(yīng)采用平衡型，對黏度小、潤滑性差的介質(zhì)，介質(zhì)壓力高于49.03×104Pa時，即采用平衡型。

2.2 端面比壓pb的選取原則

端面比壓pb是機(jī)械密封的重要參數(shù)，它與彈簧力大小、密封結(jié)構(gòu)、介質(zhì)壓力和黏度有關(guān)。端面比壓必須保持一定值，才能使兩個密封端面始終緊密貼合，防止泄漏。比壓也不宜過大，否則，會使磨損加劇，并產(chǎn)生大量的熱量，甚至使液膜蒸發(fā)，變成干摩擦。合理的比壓應(yīng)使端面保持一層極薄的液膜，既能保證良好的潤滑，又不使介質(zhì)大量泄漏。端面比壓選取原則：

（1）高于彈簧比壓；

（2）大于介質(zhì)在端面溫度升高時的飽和蒸汽壓；

（3）外裝式機(jī)械密封，可取稍小值；

（4）高黏度介質(zhì)，可取稍大值；

（5）易揮發(fā)油品或化工品，可取稍小值，以減少溫升。

2.3 彈簧比壓p2與泄漏量、摩擦耗功的關(guān)系

由式(2)可得，彈簧比壓p2是端面比壓pb的重要組成部分，當(dāng)β與λ值和接近1時，p2將成為pb的主要部分。為保證有足夠的pb以減少泄漏，必須增大p2，而過大的p2將產(chǎn)生較大的磨損，影響機(jī)械密封壽命。p2與泄漏量、摩擦耗功存在密切聯(lián)系。

（1）在p2較小時，因平衡系數(shù)較大，平衡度較小，故p2對泄漏量的影響較小。如果p2接近一定值時，p2對泄漏量的影響明顯增大。

（2）當(dāng)p2愈大時，摩擦功耗愈亦大。p2大，意味著機(jī)械密封端面貼合緊密，機(jī)械密封動、靜環(huán)密封端面之間的微凸體接觸壓力大，摩擦力大，摩擦功耗大。

隨著轉(zhuǎn)速的增大，p2對機(jī)械密封摩擦功耗的影響也相應(yīng)增大，相同工作時間內(nèi)機(jī)械密封的摩擦路程也相應(yīng)增大。p2相同的機(jī)械密封，也會因為轉(zhuǎn)速的增大而消耗更多的功率。p2增大，加大了不同轉(zhuǎn)速下機(jī)械密封摩擦功耗的差別。機(jī)械密封p2在合適的范圍內(nèi)，可將泄漏率控制在一定范圍內(nèi)。值得注意的是，相同機(jī)械密封如在介質(zhì)壓力不同，存在不同的最佳彈簧比壓。

2.4 摩擦熱Q的計算

式中，Q為端面摩擦熱；f為摩擦副的摩擦系數(shù)；，為端面面積；pb為端面比壓；為摩擦端面平均線速度；為端面平均直徑；

由上式可以看出，密封端面的摩擦熱同時取決于壓力、速度。密封端面的性質(zhì)要考慮pb、VC的乘積，即PV值。PV值也是衡量機(jī)械密封工作狀況的重要參數(shù)，針對不同工況，PV值應(yīng)選擇合適范圍，如PV值過大，液膜氣化嚴(yán)重，端面容易磨損導(dǎo)致密封失效。

摩擦熱量是機(jī)械密封內(nèi)產(chǎn)生高溫的主要因素，有研究表明，密封腔內(nèi)的溫度超過150℃時機(jī)械密封可能出現(xiàn)以下問題：

（1）端面摩擦熱不能被帶走，還會對密封環(huán)起起到加熱作用，使密封端面溫度高，造成端面液膜汽化，出現(xiàn)干摩擦。

（2）密封環(huán)摩擦副發(fā)生熱變形和熱裂。產(chǎn)生熱裂的主要原因是密封端面在回轉(zhuǎn)過程中，不斷產(chǎn)生大量摩擦熱使表面凹凸不平而加速了磨損。同時，熱裂都是徑向的，加大泄漏的渠道，改變端面間的壓力分布，影響密封。

（3）輔助密封圈迅速老化和變形。

3 結(jié)語

載荷系數(shù)k、端面寬度b、端面比壓pb、彈簧比壓p2將對機(jī)械密封端面的摩擦熱量產(chǎn)生重要影響，在機(jī)械密封選型時，除綜合以上參數(shù)外，還要考慮工況，合理選型。在不同設(shè)備使用同一機(jī)械密封時，要注意彈簧比壓p2的預(yù)測和調(diào)整，以保證機(jī)械密封的良好密封性能和摩擦特性。

泵在運(yùn)行過程中，機(jī)械密封端面相互摩擦，當(dāng)端面溫度超過某一介質(zhì)的汽化溫度時，會在密封端面局部汽化（沸騰），形成局部干摩擦，密封面出現(xiàn)凹坑，是機(jī)械密封泄漏的主要原因之一。因此，有效的機(jī)械密封冷卻裝置必不可少，保證能及時帶走摩擦熱，有效延長機(jī)械密封使用壽命。