丁雪興，王競墨，王世鵬，楊小成，嚴如奇

（蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院，甘肅蘭州730000）

1 機械密封簡介

機械密封是過程裝備重要組成部分，隸屬于基礎(chǔ)零部件領(lǐng)域，是通用機械密封設(shè)備中的重要基礎(chǔ)件。機械密封又稱端面密封，是由至少一對垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的端面在流體壓力、補償機構(gòu)彈力的作用及輔助密封元件配合下保持貼合并相對滑動構(gòu)成的防止流體泄漏的裝置[1]。圖1、2 分別為機械密封結(jié)構(gòu)示意圖和實物。機械密封的工作原理是在密封面上開設(shè)微米級的動壓槽并產(chǎn)生局部動壓來實現(xiàn)兩個密封面的非接觸運轉(zhuǎn)，從而進行密封。流體薄膜的薄化會形成流體動力效應(yīng)。適當(dāng)厚度的流體膜可以提高潤滑性能和密封性能。根據(jù)其零部件相對運動是否接觸，機械密封可分為接觸式和非接觸式兩種：①接觸式機械密封，是一種依靠彈性元件對靜、動環(huán)端面密封的預(yù)緊和介質(zhì)壓力與彈性元件壓力的壓緊而達到密封的軸端密封裝置。②非接觸式機械密封，密封面間使用潤滑劑將其隔開，實現(xiàn)全流體潤滑密封。二者對比如表1 所示。機械密封在離心泵、離心機、反應(yīng)釜和壓縮機等旋轉(zhuǎn)機械中應(yīng)用廣泛。目前機械密封已替代填料密封應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，如機械、化工、石油化工、航空航天等過程工業(yè)的機械裝備。與其他密封方式相比，機械密封有著密封性能好、使用壽命長、運行穩(wěn)定性高等優(yōu)點。

表1 接觸式與非接觸式機械密封不同點Table 1 Differences between contact and non?contact mechanical seals

圖1 機械密封結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Mechanical seal struture diagram

縱觀我國機械密封發(fā)展，雖起步較晚，但發(fā)展較快，20 世紀50 年代末，甘肅蘭州煉油廠研制泵用機械密封配件應(yīng)用于進口離心泵上。1975 年，機械工業(yè)部首次制定了《泵用機械密封標準》，GB/T 14211—2019《機械密封試驗方法》規(guī)定了機械密封試驗標準，并參考國際美、日、德先進技術(shù)不斷完善。國外機械密封標準[2]API 682—2014 對機械密封形式、材料選擇等做了較為詳細的規(guī)定，是對石油、石化和天然氣工業(yè)設(shè)計與使用的重要指導(dǎo)。國內(nèi)機械密封發(fā)展到現(xiàn)在已超過50 年，常規(guī)密封技術(shù)和產(chǎn)品已能滿足市場需要（以中低端產(chǎn)品為主），前沿密封技術(shù)和密封產(chǎn)品研發(fā)也有了長足進步，但密封技術(shù)的理論、核心加工工藝、材料研發(fā)等方面仍需突破。人們對于機械密封提出了更高的要求[3]，可靠性高、泄漏量小、使用壽命長、功率消耗少成為了普遍要求[4]?！吨袊ㄓ脵C械行業(yè)“十四五”發(fā)展規(guī)劃(2021-2025)》指出，行業(yè)發(fā)展將重點圍繞“高效節(jié)能技術(shù)、減振與降噪技術(shù)、先進工藝與智能制造、新材料開發(fā)與應(yīng)用、智能控制技術(shù)”展開深入研究。

圖2 機械密封實物裝配Fig.2 Physical assembly drawing of mechanical seal

機械密封技術(shù)和產(chǎn)品面臨系統(tǒng)化、高端化、智能化的發(fā)展需求[5]。機械密封技術(shù)的發(fā)展推動了現(xiàn)代密封應(yīng)用領(lǐng)域的進步，降低了機器設(shè)備使用和維護成本，取得了很好的經(jīng)濟效益。目前，我國機械密封行業(yè)發(fā)展在理論研究、產(chǎn)品設(shè)計、重大難點突破上都取得了一定的成果。

2 機械密封性能影響因素

機械密封件投入使用后的性能、效果是由物理參數(shù)反映。對于機械密封性能的判定，取決于以下幾個影響因素：

①密封分類及其槽型：根據(jù)槽型位置開在外環(huán)或內(nèi)環(huán)可分為非接觸式機械密封（槽開在外環(huán)）和上游泵送式機械密封（槽開在內(nèi)環(huán),產(chǎn)生泵送效應(yīng)），開槽面的不同分為端面和柱面密封（柱面密封還需考慮偏心率）。不同槽型（螺旋槽、人字槽、T 型槽、仿樹形槽等）會產(chǎn)生不同的流場壓力分布，以及不同的開啟力、泄漏量、液膜剛度、泵送率（上游泵送考慮因素）。通過實驗和實際應(yīng)用得出，目前螺旋槽密封效果最好，螺旋槽機械密封模型如圖3 所示。目前槽型研究的重點為新型槽型的研發(fā)，槽深、槽長、槽壩比的優(yōu)化等。

圖3 螺旋槽機械密封模型Fig.3 Spiral groove mechanical seal model drawing

②壓力（載荷）：由實驗與實際案例得知，壓力（載荷）是機械密封的主要影響因素[6]。結(jié)合目前高壓、高轉(zhuǎn)速下的機械密封工況，機械密封件在進行相對運動時，需要考慮在密封件受擠壓變形情況下而使壓力增大的影響因素[7]，壓力來自內(nèi)部與外部，內(nèi)部是指內(nèi)部產(chǎn)生的沖擊壓力，外部是指環(huán)境變化與參數(shù)改變。不同材質(zhì)具有不同的工作壓力范圍，在組裝使用過程中，應(yīng)熟知壓力極限在不同階段的動態(tài)特性和故障機理。

③溫度：溫度在很大程度上影響機械密封裝置的密封性能。由密封介質(zhì)的剪切力摩擦導(dǎo)致機械密封靜環(huán)與動環(huán)間隙內(nèi)氣膜溫度升高，溫度過高使密封端面變形，造成運動時密封之間剛度極大的流體膜分布不均勻，從而增加碰磨幾率，機械密封裝置的穩(wěn)態(tài)密封性能直線下降、表面粗糙度上升[8]，解決方式一般有增加散熱結(jié)構(gòu)與降低運載時長等。

④密封介質(zhì)：以液體為密封介質(zhì)（水）居多，有些密封液體會與反應(yīng)釜產(chǎn)生腐蝕，或由于液體純度不高混入雜質(zhì)（泥沙、酸堿、膠體等），雜質(zhì)與密封系統(tǒng)產(chǎn)生刮擦[9]，進入間隙導(dǎo)致密封系統(tǒng)逐漸磨損，影響密封件相互配合。實驗數(shù)據(jù)表明，雜質(zhì)中的固體顆粒越硬、越細，棱角越鋒利，對密封效果產(chǎn)生的影響越大。同時，在（機械）密封件工作的過程中，由于端面之間的相互摩擦以及旋轉(zhuǎn)部件對液體的旋轉(zhuǎn)和攪拌作用，會產(chǎn)生大量熱。如果不及時帶走這些熱量，密封端面的溫度會升高，導(dǎo)致密封逐漸失效。一旦介質(zhì)中的二次產(chǎn)物、膠體和纖維附著并聚集在機械密封表面，使?jié)櫥艿辣欢氯?，造成機械密封的磨損和損壞，最終導(dǎo)致失效。

⑤摩擦磨損：機械密封實物磨損如圖4、5 所示。機械密封運行時端面的貼合狀態(tài)和摩擦磨損情況是決定機械密封性能的關(guān)鍵因素。在考慮摩擦磨損因素時，忽略影響較小的因素，通常將產(chǎn)生的碎屑假設(shè)為規(guī)則，不考慮相變、顆粒的布朗力、熱輻射等進行數(shù)值模擬[10]。目前多采用軟件模擬分析傳熱、變形等現(xiàn)象及表面織構(gòu)技術(shù)。J.X.Liu 等[11]通過有限元分析軟件對機械密封的摩擦生熱和端面變形問題進行求解，研究機械密封的摩擦磨損情況。汪宗太[12]在考慮端面間隙類型及機械和熱變形的基礎(chǔ)上，計算了摩擦端面溫度場的分布。何濤等[13]利用有限元方法研究了特定工況下（大潛深、低轉(zhuǎn)速）密封面寬度對機械密封性能的影響。高斌超等[14]將有限元與數(shù)值迭代相結(jié)合，實現(xiàn)了模型的數(shù)值求解，研究了密封面熱變形規(guī)律。楊笑等[15]結(jié)合JFO空化條件，建立了混合潤滑條件下織構(gòu)機械密封熱彈流潤滑（TEHD）的理論分析模型，探究機械密封在穩(wěn)態(tài)下的端面液膜壓力、膜溫和膜厚分布，結(jié)果表明表面織構(gòu)對端面壓力和溫度分布影響很大。對于機械密封來說，摩擦磨損帶來的影響不可忽略，仍需進行深入研究。

圖4 機械密封端面磨損情況Fig.4 Mechanical seal face wear condition

圖5 機械密封因摩擦磨損失效Fig.5 Failure of mechanical seal due to friction and wear

⑥加工與設(shè)計：目前機械密封槽型的制造刻畫主要依靠激光加工技術(shù)。激光加工具有精度高、熱變形小、易于切割等特點，但是由于激光技術(shù)的限制及槽深、槽型等要求（μm 級別），仍會帶來槽型加工誤差，例如一般槽深誤差仍在1~2 μm，這對于僅有幾微米深度的淺槽加工而言是不能忽視的。誤差由總體定位誤差和加工技術(shù)誤差兩部分構(gòu)成。賈謙等[16]以動環(huán)表面的螺旋槽為研究對象，分析了螺旋槽誤差的來源，將誤差分為槽半徑誤差、槽深誤差、螺旋角誤差和槽臺寬比誤差4 種，分析了制造誤差對開啟力、泄漏量、摩擦阻力矩和膜厚的影響，并通過改變與控制設(shè)計參數(shù)（槽數(shù)、轉(zhuǎn)數(shù)）進行一定的改良。除此之外，在加工設(shè)計中考慮微窩(圓形、橢圓形、三角形、矩形)、微槽和微網(wǎng)格設(shè)計以特定圖案來改善界面特性[17?18]。實驗中，比較了微窩、微槽和微網(wǎng)格對摩擦磨損性能的影響[19],結(jié)果表明微槽、微窩和微網(wǎng)格的磨損率有效降低（分別降低約18%、37%和57%）。萬軼[20]以碳化硅定子式樣，采用環(huán)對環(huán)式高速密封裝置，實驗表明隨著織構(gòu)面積密度和織構(gòu)深度的增加，所有織構(gòu)表面的摩擦系數(shù)均低于未織構(gòu)表面，但摩擦系數(shù)的降低往往伴隨著泄漏率的增加。綜合來看，提高加工設(shè)計精度、技術(shù)能有效改善密封參數(shù)，提升密封性能。

⑦性價比：對于投入到實際應(yīng)用的密封元件，除本身材料性能的優(yōu)劣外，對于成本、使用壽命、功率消耗的綜合考量也是研究人員、企業(yè)所要注意的。目前常見的使用材料為石墨（靜環(huán)）、碳化硅、鑄鐵、碳鋼等高性價比材料。

⑧主要評價指標參數(shù)：對于密封效果除上述內(nèi)部因素以外，如開啟力、液膜剛度等是從外部通過改變參數(shù)影響密封效果，一般來說開啟力越大，形成的動壓效應(yīng)越好，液膜剛度越大，磨損量越少。

3 機械密封常見問題

3.1 機械密封失效

對于機械密封元件來說，使用平均壽命為2~3年，機械密封失效會降低試件的使用壽命。失效主要原因為動環(huán)與靜環(huán)的擠壓磨損故障。結(jié)合上節(jié)所提到的因素，機械密封失效原因包括化學(xué)損壞、熱損壞和機械損壞，表現(xiàn)為磨損、腐蝕和過熱等。

密封沖洗系統(tǒng)存在的問題及密封腔溫度過高是造成機械密封失效的主要原因，應(yīng)及時進行工件檢測（壓力、溫度、磨損）、維護管理，改善工作環(huán)境。主要的問題有：壽命難以預(yù)測、突發(fā)性失效等，摩擦機械密封的實際磨損情況和端面狀態(tài)還未得到有效的解釋研究。

3.2 液膜空化

液膜是端面間維持一層極薄的液體膜，具有密封的作用，同時具有液膜動壓力與靜壓力，起到平衡壓力潤滑端面作用。液膜空化指液膜局部氣化形成氣泡，進一步產(chǎn)生空蝕。液膜空化的產(chǎn)生對液膜壓力的載荷、分布及穩(wěn)定性有較大影響。密封界面間膜厚分布說明密封端面綜合變形在徑向上不是線性分布[21]。

對于液膜空化的研究：空化現(xiàn)象在一定程度上存在，這是端面張開的重要原因，對減少端面泄漏和摩擦有一定作用。李振濤等[22]基于JFO 空化模型和坐標變換建立其數(shù)學(xué)模型，并利用有限體積法離散解，表明空化壓力的增加可以提高液膜承載力，但增加幅度較小，對摩擦力矩的影響可以忽略。然而，在液膜發(fā)生嚴重氣蝕時，會導(dǎo)致流體動力潤滑失效和壁面氣蝕，影響密封性能和密封材料的使用壽命。孟祥凱等[23]分析了擾動條件下空化對機械密封動力學(xué)的影響。劉鳴等[24]基于馬爾可夫空化算法求解了考慮空化效應(yīng)的動載滑動軸承液膜動態(tài)特性，證實了空化因子會影響液膜的動態(tài)特性。機械密封空化的理論模型和實驗研究還很不成熟和完善。為了有效控制氣蝕程度，提高密封性能，避免氣蝕引起的失效和氣蝕，必須深入研究氣蝕的影響因素及其相互關(guān)系。

3.3 密封檢測

由于機械密封件裝配復(fù)雜，不能多次拆卸，如何在不影響作業(yè)前提下進行密封檢測。首先,要明確發(fā)生泄漏的幾個常見階段：測試時的泄漏量、運轉(zhuǎn)時的周期性泄漏量、突發(fā)情況時的泄漏量。對于密封的檢測，主要通過振動信號頻譜，從外部檢測內(nèi)部的壓力溫度變化，在使用前工件運行的參數(shù)要在規(guī)定值以下，并監(jiān)測回轉(zhuǎn)體本身偏差在運轉(zhuǎn)中引起的滲漏，有必要了解操作條件、溫度、壓力等，以及對輔助密封膨脹的具體影響[25]。依據(jù)密封介質(zhì)的形狀、狀態(tài)和工作條件進行選擇后，制定相應(yīng)的操作規(guī)程，規(guī)定沖洗時間、介質(zhì)和溫度控制范圍。試運行過程中，根據(jù)試運行效果進行合理的參數(shù)調(diào)整，在端面間通過氣壓或循環(huán)液進行密封檢測；可結(jié)合關(guān)閉泵的閥門形成封閉腔室進行密封測試。引入有限差分法、有限元、流體力學(xué)等方法進行模擬測試[26]。實際檢測方法有熱電偶測溫法（溫度）、微型壓力傳感器（壓力）、電容法（間隙）。在正常運行狀態(tài)下繼續(xù)觀察密封效果和存在的問題，進一步進行調(diào)整，充分考慮各種因素，綜合分析介質(zhì)、壓力、密封面、密封形式等條件。根據(jù)磨損痕跡分析故障原因，并考慮腐蝕、橡膠密封圈失效等因素。

4 機械密封未來發(fā)展趨勢

4.1 機械密封智能化

機械智能化伴隨德國工業(yè)4.0、中國制造2025等國內(nèi)外智能制造的概念成為當(dāng)今工業(yè)機械發(fā)展的重要趨勢，機械密封智能化作為裝備智能化的一部分能有效解決機械密封現(xiàn)有問題，是機械技術(shù)與人工智能、信息技術(shù)、材料科學(xué)等的相互交叉。楊華勇[27]對工程機械的智能化進展及發(fā)展趨勢做了闡述，認為工程機械的智能化體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)化、感知、分析、決策和控制5 個方向[28]，并且依次經(jīng)歷4 個發(fā)展階段：面向傳感器輔助、分級規(guī)劃、自動控制、自我學(xué)習(xí)；面向單一環(huán)節(jié)自主作業(yè)；面向全通用自主作業(yè)；面向集群智能化作業(yè)。在機械密封領(lǐng)域，智能這一概念主要應(yīng)用于檢測、控制系統(tǒng)、運行情況的及時反饋以及問題的處理。

目前普遍的設(shè)計構(gòu)想是植入監(jiān)測，將傳感器安裝在機械密封內(nèi)部結(jié)構(gòu)而獲得傳出的電信號、振動信號，進而將密封腔內(nèi)物理量在外被測量[29?30]，測量參數(shù)包括密封環(huán)溫度、動靜環(huán)相對運動、液膜厚度、膜壓等。但對于機械密封所面對的端面變形目前仍無有效進展。檢測系統(tǒng)本身存在的問題仍需克服，如信號在復(fù)雜工況接收反饋持續(xù)性、植入系統(tǒng)后對機械密封固有特性的破壞以及智能帶來的便利之間的平衡。目前相關(guān)工業(yè)CT 檢測設(shè)備已經(jīng)陸續(xù)投入使用。

可以預(yù)見，對于機械密封智能未來趨勢和發(fā)展將會從實驗室走向使用生產(chǎn)階段，不僅可以面對單一問題、復(fù)雜問題的處理及潛在危險的預(yù)警，還可以成為高度自治、深度交互反饋、具有學(xué)習(xí)能力的交互系統(tǒng)[31]。

4.2 新型密封形式

機械密封雖然仍作為一種主流密封形式，如同機械密封取代以往密封形式（迷宮、刷式）一樣，未來必會出現(xiàn)更高效的密封形式來代替機械密封。機械密封難以從根本上解決摩擦磨損、使用壽命問題。非接觸式機械密封指由于流體靜壓或動壓作用,在密封端面間充滿一層完整的流體膜而使密封端面彼此分離，不存在硬性固相接觸的機械密封。非接觸式機械密封按密封面流體膜是靜壓流體膜或動壓流體膜，分為流體靜壓式或流體動壓式機械密封[32]。密封端面可通過流體靜壓或動壓形成力封閉的密封空間，實現(xiàn)可控的泄漏量，達到無磨損或很小的磨損量，為機械密封研究的熱點問題[33]。目前非接觸密封主要有干氣密封、磁流體密封等，對其他密封形式的了解對整體密封行業(yè)的發(fā)展起到促進作用。

干氣密封屬于非接觸式機械密封，是在機械密封基礎(chǔ)上將螺旋槽理論與流體液膜的作用結(jié)合起來。干氣密封主要研究方向有開槽、流場計算（基于滑移邊界）、氣膜密封穩(wěn)定性、特性參數(shù)研究等[34]。螺旋槽局部圖如圖6、7 所示。目前項目組主要研究為螺旋槽干氣密封[35?37]、超臨界二氧化碳干氣密封[38]。開槽分類（柱面密封與端面密封），將微尺度流體力學(xué)及非線性動力學(xué)應(yīng)用于螺旋槽干氣密封內(nèi)部氣體流場中，探尋微尺度下流動的內(nèi)部因素對干氣密封槽型優(yōu)化[39]。

圖6 螺旋槽干氣密封仿真流體計算域（約放大1 000 倍）Fig.6 Spiral groove dry gas seal simulation fluid computa?tional domain (Approximate magnification 1 000 X）

磁流體是磁性納米顆粒懸浮在載體液體[40]中的膠體懸浮液。使用磁流體的優(yōu)點是它可以通過外部磁場來控制[41]。磁流體密封的工作原理：將磁流體導(dǎo)入永磁體、極靴和轉(zhuǎn)軸所構(gòu)成磁路的間隙中，極靴內(nèi)部通常由幾個凹形環(huán)狀回路構(gòu)成，磁流體會形成數(shù)個類似“O”型圈，被密封介質(zhì)對磁流體產(chǎn)生壓力，磁流體在壓差的作用下移動，不均勻磁場對磁流體的作用使磁流體產(chǎn)生對抗壓差的磁力而達到壓力平衡，密封作用由此實現(xiàn)。磁流體密封結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖7 螺旋槽干氣密封局部熱點Fig.7 Local hot spot diagram of spiral groove dry gas seal

圖8 磁流體密封結(jié)構(gòu)Fig.8 Magnetic fluid seal structure drawing

磁性流體密封技術(shù)應(yīng)用是基于磁性流體的旋轉(zhuǎn)軸密封，在對真空度要求較高的機械設(shè)備中應(yīng)用較多，與其他常規(guī)密封相比，磁性流體密封的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、密封性能高。磁性流體密封裝置的固體部件之間沒有任何接觸，因此也沒有密封之間的摩擦磨損，且基本無需維護。

4.3 組合密封技術(shù)

對于不同類型的密封技術(shù)，可以整合發(fā)揮其不同的優(yōu)勢，如干氣密封與機械密封之間的串聯(lián)使用，以串聯(lián)式密封和雙端面密封為基礎(chǔ)。

磁流體密封與機械密封的新型組合密封[42]的耐壓能力高于磁性液體單獨密封的密封耐壓能力，拓寬了流體動壓密封原理的應(yīng)用范圍。將磁性液體密封技術(shù)應(yīng)用于密封液體介質(zhì)，可以成為解決一些關(guān)鍵技術(shù)問題的重要突破口，但現(xiàn)在尚未廣泛應(yīng)用，目前還處在試驗階段。

從組合密封墊圈開始，研究將幾種密封方式組合起來發(fā)揮各自優(yōu)勢，進而應(yīng)用于高要求的復(fù)雜工況（如深海、航空、航天等），除了防止泄漏外，還能起到多重保險的作用[43]。組合式密封優(yōu)點為：安全性顯著提高；發(fā)生損壞時，備用密封會起到阻擋作用；無需大量緩沖氣提升壓力。

近年來，針對極端工況，使用壽命長的組合密封成為了行業(yè)又一研究方向。孫玲等[44]采用端面密封和間隙密封相配合的密封形式的超高壓旋轉(zhuǎn)清洗盤，實現(xiàn)200 MPa 超高壓力下的可靠密封。韓傳軍等[45?48]對不同形狀的組合密封進行了仿真研究，優(yōu)化組合密封結(jié)構(gòu)。趙樂等[49]設(shè)計完成了以直徑100 mm 的軸及旋轉(zhuǎn)組合密封圈為對象進行密封性能試驗的裝置，較好實現(xiàn)了高壓力下靜態(tài)與動態(tài)密封性能測試，提高了密封性能，豐富了密封性能的分析方法密封組合技術(shù)在實用新型與實際應(yīng)用上將會更為廣泛。

5 結(jié) 論

綜上所述，近年來國內(nèi)機械密封技術(shù)在理論研究、實際應(yīng)用中取得了較大的發(fā)展。

（1）對于機械密封常見的問題仍是研究者們需要長期關(guān)注、解決的問題，如摩擦界面溫度分布分形模型、磨損分形模型、湍流模型構(gòu)建等。對于變工況等理論問題還停留在假設(shè)層面，目前研究趨勢在于摩擦振動的分形行為研究。在加快推動密封件產(chǎn)業(yè)成果產(chǎn)業(yè)化，夯實工業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)的背景下，自主研發(fā)領(lǐng)域?qū)玫礁蟮年P(guān)注。

（2）對極端工況（高溫、高壓、真空等）條件下的密封性能、常規(guī)工況下使用壽命、穩(wěn)定性等提出了更高的要求。

（3）在機械密封可控層面上，機械密封智能化與密封組合成為未來機械密封的研究重點，為推動機械密封行業(yè)進一步發(fā)展，應(yīng)加強相關(guān)學(xué)科聯(lián)動。