牛博¹　楊（yáng）品²　褚紅（hóng）濤（tāo）³

（1.中（zhōng）鋼設備有限公司；2.北（běi）京佰能藍天科技有限公司；3.中鋼集團工程設計研究（jiū）院有限（xiàn）公司）

　　0.引言

　　高壓機械密封是（shì）船舶及高壓容器（qì）常用的轉軸密封裝置，其主要是通過動、靜兩環之間發生摩擦來實（shí）現密封功能，這主要是因為摩擦（cā）生熱，端麵（miàn）在溫度（dù）升高的情況下發生磨損，從而影響（xiǎng）高壓（yā）機（jī）械密封的使用壽命，降低了安全係（xì）數。所以說，在設計時，一定要對溫度進（jìn）行嚴格的控製，降低端麵的溫度，從而確保高壓機（jī）械裝置的安全性。

　　1.高壓機械密封概況

　　1.1.機械密封設計概況

　　1.1.1.機械密封設計研發的目的（de）

　　機械密封的主要目的其實是對可能出現泄漏的地方或者已經發生（shēng）泄漏的地方進行密封，設置好物理壁壘，根據其用（yòng）途以及實際所需，從而進行設計（jì），以實現多種功能，達到延長使用壽命，增加安全性，滿足社會各方麵的需求的目的。

　　1.1.2.機械密封種類

　　按（àn）照作用（yòng）來分，可以分為軸用密封、防塵密封以及導向環，還有孔用密封與固定密封等，而按照材料來（lái）分，可以分為工程塑料、聚氦酯（zhǐ）以及橡（xiàng）膠等（děng）。

　　1.1.3.機（jī）械密封的主要類型

　　機械密封與相對運動有關，一種是相互之間不存在相對運動，一種是（shì）相互之間存在相對運動，前者（zhě）產生密封性的靜密封（fēng）件，後者產生密封性的動密封件。除此之外，機械密封係統還有根據專門為了防止灰塵或者其他有害物質進入而進行（háng）設（shè）計，這種設計一（yī）般都是采用防護罩或者與之類似的結構，這種機械（xiè）密封是一種（zhǒng）半靜密封件。

　　1.1.4.密封件的命（mìng）名及歸類

　　靜密封（fēng）件通（tōng）常依型式來命名，如墊片、環形密封件等墊片又可以進步（bù）按材料（liào）來分類，像橡（xiàng）膠墊片、非金屬墊片（piàn）、金（jīn）屬墊片等，或者按其結構化分為平墊片、螺旋纏繞（rào）墊片等密封膠常被看作是靜密（mì）封中單獨的類，分別（bié）為液態聯結、液體墊片（piàn）、螺（luó）紋密封膠等；而動密封件則可以歸為強製壓力下貼壓（yā）在密封而上的接觸型密封件與靠固（gù）定間隙（即沒有摩擦接觸）起作用的間隙（xì）密封件（jiàn）兩大類。

　　1.2.高壓機械（xiè）密封的現狀

　　密封腔體壓力超過3MPa時所采用的機械密封屬（shǔ）高壓機（jī）械密封，其零件選材、可靠（kào）性要（yào）求、結構等都有（yǒu）別於通用型機（jī）械密封。就目前而（ér）言，我（wǒ）國對高壓機械密封技術的研究還是比（bǐ）較落後，性（xìng）能穩定性較差，且多（duō）是從國外引進。經過多年的研究，我國已經有（yǒu）所收獲，研究出了一係列的高壓機械密（mì）封產品。如圖1所示，圖為高壓機械密封裝置簡圖：

　　密封（fēng）與（yǔ）零件（jiàn）結（jié）構型式是高壓（yā）機械（xiè）密封的兩種（zhǒng）結（jié）構型（xíng）式，在對結構（gòu）進行設計時，需要將壓力的平衡問題放在首要位（wèi）置來考慮，因為壓力不平衡可（kě）能導致密（mì）封（fēng）發生變（biàn）形或（huò）者改變位置的情況，這會大大影響密封情（qíng）況。

　　2.1.傳動機構設計

　　一般在高壓情況下，高壓機械密封裝置（zhì）多是通過一些（xiē）承受力極其差的小（xiǎo）零（líng）件來進行傳動操作。因此，想要加強傳動的（de）承受力度，可以通過（guò）增強起動扭矩來加強，並（bìng）將起動扭矩估算為4倍（bèi）的工作扭矩。

　　2.2.密封端麵設計

　　高（gāo）溫性端麵設計對摩擦副的要求比較嚴格，因（yīn）為（wéi）摩擦副是機械密封的重要零件（jiàn），不僅（jǐn）要保證摩擦副的平（píng）麵、粗糙度，而且材料必須具備很強的耐磨、耐腐蝕以及擁有足夠的強（qiáng）度。由此，在對斷麵進行設計時，一定要充分考慮摩擦麵是否能夠導熱，通過（guò）導熱可以減少溫差的變化，保持作用力之間的平衡，從而防止端麵發生變形。

　　密封端麵除了可（kě）以在動環端麵或者靜環端麵的作用下形成流體動壓槽，這種槽的（de）深度一般在1毫米上下，如圖2所示，圖為（wéi）典型流體動（dòng）壓端麵型式。圖中的槽形（xíng）有各種（zhǒng）模式，這些模式多是通過PV來進行設（shè）計（jì），並通過實驗一步一步來進行確立。這種新型的流體動（dòng）壓（yā）式密封即使在高壓的情況下，也可以保持端麵的穩定性（xìng），同時，在摩擦產生熱的情況下，端麵依舊穩定。當密封環出現旋轉時，槽可以使得離密封端麵距離較遠的液體快速冷卻，詳細如（rú）圖3所示：

　　在進行（háng）冷卻操作時，密封環會出（chū）現流動楔以及高壓區，這與槽數是一（yī）樣的，其（qí）主要原因在於切向（xiàng）流以及壓力降，在每一槽（cáo）後形成慧星狀潤（rùn）滑楔，密封麵上載荷、滑動速（sù）度與摩擦係數呈現反比。

　　2.3.載荷係數

　　在高壓的情況下（xià）對載荷係數進行取值有著一定的難度，因為隻要載荷係數有稍（shāo）微的變化（huà）就（jiù）可能導致斷（duàn）麵的比壓出現很明顯（xiǎn）的變化（huà），這大（dà）大影響了參考取值。密封（fēng）結（jié）構對高壓機（jī）械密封載荷係數起著重要的影響，同（tóng）時，介質性質對載荷係數也起著影響，在對載（zǎi）荷係數進行確定時，需要經過（guò）很多的實驗來獲取。

　　經過（guò）研究發現，針對非流體動壓式密封，高壓機械密封的載荷係數（shù）比膜壓係數高0.05-0.15，配（pèi）合（hé）彈簧比壓選取；對於流體動壓式密封，載荷係數應設計成（chéng）0.7-0.85，這使（shǐ）得高壓與密封（fēng）端麵的比壓相對比較小，並且確保了密封端麵一直處於貼合的狀態。

　　2.4.材料

　　在材料的（de）選擇上，高壓機械密封必須要是非常耐熱，且容（róng）易導熱，同時，還要具備（bèi）耐（nài）摩擦與高強度的相關性能。同時，這些材料（liào）除了這些性能，還要滿足工況要求（qiú）。

　　在對高壓機（jī）械密封的摩擦副進行設（shè）計時，一定要重點考慮碳石墨，確保其強度以及剛度（dù）達到要求（qiú），防止碳石墨環變形，導致性能受到影響。摩擦副的硬環材料，比如（rú）硬質（zhì）合（hé）金、碳化矽等，少的強度比碳石墨材料高一個（gè）數量級，因此硬環的強度與剛度均能滿（mǎn）足要求，但是這些材料一旦變形就不易複原，設（shè）計時應注意熱變形以及抗衝擊性能，過高的負荷，特別是可變的密封壓力，會引起端麵變（biàn）形，即使微米級的變（biàn）形也將影響密封（fēng）的性能。

　　3.影響高壓（yā）機械密封設計性能的因素

　　3.1.高壓機械進（jìn）行密封設計的主要目的在於避免出現泄漏（lòu），在其他進行密封的地方設置（zhì）完善的物理壁壘（lěi）。想要達到此目的，則必須確保密封件具有很大的彈性，可以保證填充密封麵的（de）任何的一個不平整之處，並使得此處的剛度不發生任何改變。通過壓緊加載可以形成（chéng）彈性流動，從而使得密封件保（bǎo）持在受力狀態（tài）。如果係統中應力發生任何的鬆弛，都會對密封件的（de）性能發生影響，導致這種的原因，與密封（fēng）材料自身的原因有很大的關係，比如其自身的應力鬆弛，還（hái）有熱脹冷縮等。

　　3.2.高壓機（jī）械額密封性的強弱（ruò）與被（bèi）密封麵上是否留有足夠的壓力有非常大的關係。與此同時（shí），還要盡可能地減低密封件（jiàn）的磨損，從而確（què）保係統的穩定性，保證動態響應以及伺服精度，也（yě）可以較少對載荷功率的損耗。在接（jiē）觸型密封結構（gòu）中，由（yóu）於靜態（tài）壓縮應力，密封件摩擦（cā）作用過（guò）程中的周期載荷，以及具有化學和物理化學活性（xìng）的密（mì）封介（jiè）質的侵蝕作用，對（duì）密封材料性能隨時間的穩（wěn）定也提出了較高的要求，限製了接觸密封元件的使用條件。

　　4.提高高（gāo）壓機械密封設計質量（liàng）的措施

　　4.1.對密封件相互之間的功能要進行明（míng）確的規定，並且都要滿足密封係（xì）統的要求，密（mì）封件的每項功能都要致力於保證密封功能。

　　4.2.在結構上，要盡可能地在使用（yòng）過程中（zhōng）出現的有害因素，保證密封功能。

　　4.3.密封在進行連接時，避免生（shēng）成熱。采取的措施可以（yǐ）是通過采用非接觸密封代替（tì）接觸密封，還可以通過（guò）用焊（hàn）接代替連接或者縮（suō）短密封（fēng）周邊。

　　4.4.人才永遠是各項競爭的關鍵，要大力培養高科技人才，加強人才（cái）隊伍建設，在（zài）企（qǐ）業內部（bù）形成優秀的人（rén）才隊伍，從而為高壓機械密封設計提供技術保障。

　　5.高壓機械（xiè）密封應用

　　5.1.高壓機械密封的技術參數

　　5.2.試驗及實際運行

　　實驗是在現場進行，按照相關（guān）的要求將（jiāng）機械密封裝上設備，按機械密封試驗規範，先作靜壓試驗，靜（jìng）壓合（hé）格後，再作（zuò）動壓試驗。此泵工作參數如（rú）下：介（jiè）質：水，進口壓力8.6MPa，出口壓力9.5MPa，密封腔壓（yā）力9.65MPa，溫度187℃。此外，在齊魯塑料（liào）廠聚（jù）丙烯（xī）裝置的P200泵上采用的雙端麵（miàn）密封和P201泵上采用的三端（duān）麵密封，並堅持用了6年；在內蒙化肥（féi）廠和（hé）九（jiǔ）江大化肥合成氨裝置午GA302泵上使用也（yě）已超過2年；現場運行表明該高壓機械密封設計合理，參（cān）數和結構選（xuǎn）擇正確，所研製產品可完全（quán）替代進口同類產品（pǐn），有些產品的使用壽（shòu）命甚至超過（guò）了國外同類產品。

　　6.結語

　　在對高壓機（jī）械密封進行（háng）設計時，先要（yào）避免石墨環出現變形，保證（zhèng）密封的（de）穩定性。同時，在文中（zhōng）提及的結構設計中（zhōng）是在高壓的狀態下進行，及時在壓力出現波動的情況下，密封的變形還（hái）是相對比較小的，且（qiě）這種結構還可以用於雙端麵密封，可以確保工作（zuò）的可靠性。此外，這種結構很大（dà）程度上提升了（le）密封的PV值，使得水中的PV值是原先結構的好幾倍。綜上所述，高壓機械密封受到越來越多機械製造專家們的注意，在多個（gè）領域發揮著重大的影響。