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研究与探索Research and Exploration ·工艺流程与应用
中国设备工程 2021.05 (上)
在石油化工行业，各类泵是油品输送的关键设备，而机械密封又是影响泵完好性的重要附件，因而其质量、寿命是选型重点。机械密封按照结构可分为旋转式、滑动式、静止式、内装式、外装式等。与填料密封相比，机械密封密封性好、寿命长，应用广泛。CO2封存
在接触式机械密封中，动环和静环是关键部件，其接触端面相对运动产生摩擦热，摩擦热会造成局部的高温，进而影响密封的效果，甚至出现密封环断裂等现象。为保证密封效果稳定性，降低接触端面的温度，将是机械密封选型的关键指标。 1 机械密封结构特点1.1 机械密封摩擦副材料
机械密封核心部件是摩擦副，即动环和静环，它很大程度上决定了机械密封的性能和寿命。动环和静环相对滑动将产生磨损和发热，因此，摩擦副材料应达到以下要求。
（1）物理性能：弹性模量大、密度小、导热性好、热膨胀系数低、耐热裂和热冲击性好。
（2）化学性能：耐腐蚀、抗溶胀、不易老化。
（3)机械性能：高机械强度、自润滑性好、低摩擦系数、能承受短时间的干摩擦、耐磨性好、适当的硬度。
在材料选取时，通常是动静环为一软一硬搭配。常用摩擦副软材料为碳-石墨、聚四氟乙烯等，硬质合金、陶瓷及青铜等多作为硬材料。碳-石墨由于其自润滑性、化学钝性、较高的化学耐蚀性及相对低的消耗广泛用作软材料。相对硬材料，石墨被摩擦，在其表面很快形成一层相当薄的膜，在摩擦过程中，这层膜对控制温度上升起着重要作用。1.2 动环受力分析
如图1所示，机械密封在稳态工况下受力是平衡的，即
有：
（1）
图1 动环受力分析
其中，p sp 为弹簧力，p s 为作用于动环左侧的介质压力，p 0为动环右侧液膜压力形成的推开力，p 为端面密封压紧力，单位均为MPa。A 为动静环密封面接触面积，A 1、A 2分别为动 浅探相关参数对机械密封摩擦热的影响
蔡清龙1，朱艳秋2，虞佳栋1
（1.中化兴中石油转运（舟山）有限公司；2.中化舟山危化品应急救援基地有限公司，浙江 舟山 316000）摘要：端面比压、弹簧比压、端面宽度是影响机械密封泄漏量、摩擦热量的重要因素，考虑摩擦特性、密封性能满足密封的要求，正确选择弹簧比压、端面比压，是机械密封维持最佳工况的关键。对于摩擦热量过大产生局部高温的情况，通过自冷却或强制冷却，使机械密封及时散热，防止密封失效，延长使用寿命。重新随机进程
关键词：端面比压；弹簧比压；摩擦热量；冷却
中图分类号：TH136 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2021）05（上）-0100-02
环左右两侧介质的作用面积，单位为m 2。
p c =p sp +p s -p m
则密封面单位面积上的力：
弹簧力：
式中，G 为弹簧弹性模量；D 为弹簧丝径；n 为弹簧有效圈数；d 为弹簧直径。
回油弯如用p 1
表示平均液膜压力，则有：
家具保护垫
整理可得：式中，D 2为密封面外径，m ；D 1为密封面内径，m ；D 0为轴径，m。p 2为弹簧比压，
，Pa；p 1为介质压力，
，Pa；λ为膜压系数，
；k 为扩张网机
载荷系数，
；
再以平衡系数
代入上式，得端面比压：12)1(p p p b λβ−−+= （2）2 相关参数对摩擦热的影响2.1 k 、b 值的选取
k 代表介质压力p s 的作用面积与密封端面面积之比，与密封结构有关。密封流体压力作用在补偿环上（如机械密封动环），使其对于非补偿环（例如机械密封静环）趋于闭合的有效作用面积与密封环带面积之比称为载荷系数。
如图2示，D 0≤D 1，没有轴肩，所以k ≥1，说明全部的介质压力作用在密封端面上。此时β≤0，说明介质压力完全没有被平衡，此结构为非平衡型。
如图3示，为10<<k 情况，轴上有轴肩，密封面内径小于轴肩直径，即01D D <，介质作用面积小于密封面面积，介质压力影响较小，平衡系数10<<β，此结构为平衡型。
如图4示，当01D D =，此时1,0==βk ，介质压力完全
被平衡，此结构为完全平衡型。
图2 非平衡型机械密封
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中国设备工程C h i n a P l a n t E n g i n e e r i n
g
中国设备工程 2021.05
汽结构
（上）图3
平衡型机械密封
图4 完全平衡型机械密封
载荷系数对密封性、使用寿命有很大影响，从密封性角度考虑，如果载荷系数大，端面比压高，密封的稳定性和可靠性都较好。同时，载荷系数大产生较高摩擦热，如不能及时散去热量，导致密封面温度过高，当达到介质气化温度时，介质发生气化，液膜破坏，磨损加大，使用寿命短。因此，针对非平衡性机械密封，当轴径一定，k 值对端面比压的影响至关重要，在选取机械密封型号时，应综合考虑密封端面b 的大小。动静环接触宽度b 太大，则磨损大，发热多，耗功大，冷却和润滑效果差，而且密封面的平直度不易保证。但宽度不易过小，否则，强度太低。高转速、易挥发的介质，应取小值。在摩擦副中，硬环的宽度应大于软环，以免硬环棱角嵌入软环中，破坏密封面而引起密封失效。
相关试验结果表明，密封面宽度b 如采用窄面，相对于宽面，在相同转速的情况下，窄面机械密封可以明显降低温升。不同转速下，窄面静环的端面温升仅为宽面静环的20%左右，其原因是接触面的内外温差小，散热好、产生的摩擦耗功上相对较小。因此，在散热方面考虑，宜采用窄面。当介质压力较高时，必须降低机械密封k 值，而采用平衡型机械密封。一般情况下，当介质压力高于67.84×104Pa 时，即应采用平衡型，对黏度小、润滑性差的介质，介质压力高于49.03×104Pa 时，即采用平衡型。2.2 端面比压b p 的选取原则
端面比压b p 是机械密封的重要参数，它与弹簧力大小、密封结构、介质压力和黏度有关。端面比压
必须保持一定值，才能使两个密封端面始终紧密贴合，防止泄漏。比压也不宜过大，否则，会使磨损加剧，并产生大量的热量，甚至使液膜蒸发，变成干摩擦。合理的比压应使端面保持一层极薄的液膜，既能保证良好的润滑，又不使介质大量泄漏。端面比压选取原则：
（1）高于弹簧比压；
（2）大于介质在端面温度升高时的饱和蒸汽压；（3）外装式机械密封，可取稍小值；（4）高黏度介质，可取稍大值；
（5）易挥发油品或化工品，可取稍小值，以减少温升。2.3 弹簧比压2p 与泄漏量、摩擦耗功的关系
由式(2)可得，弹簧比压2p 是端面比压b p 的重要组成部分，当β与λ值和接近1时，2p 将成为b p 的主要部分。为保证有足够的b p 以减少泄漏，必须增大2p ，而过大的2p 将产生较大的磨损，影响机械密封寿命。2p 与泄漏量、摩擦耗功存在密切联系。
（1）在2p 较小时，因平衡系数较大，平衡度较小，
故2p 对泄漏量的影响较小。如果2p 接近一定值时，2p 对泄漏量的影响明显增大。
（2）当2p 愈大时，摩擦功耗愈亦大。2p 大，意味着机械密封端面贴合紧密，机械密封动、静环密封端面之间的微凸体接触压力大，摩擦力大，摩擦功耗大。
随着转速的增大，2p 对机械密封摩擦功耗的影响也相应增大，相同工作时间内机械密封的摩擦路程也相应增大。2p 相同的机械密封，也会因为转速的增大而消耗更多的功率。2p 增大，加大了不同转速下机械密封摩擦功耗的差别。机械密封2p 在合适的范围内，可将泄漏率控制在一定范围内。值得注意的是，相同机械密封如在介质压力不同，存在不同的最佳弹簧比压。
2.4 摩擦热Q 的计算
端面摩擦热的计算：c b V fAp Q = （3）式中，Q 为端面摩擦热；f 为摩擦副的摩擦系数；
，为端面面积；p b 为端面比压；为摩擦端面平均线速度；为
端面平均直径；
由上式可以看出，密封端面的摩擦热同时取决于压力、速度。密封端面的性质要考虑p b 、V C 的乘积，即PV 值。PV 值也是衡量机械密封工作状况的重要参数，针对不同工况，PV 值应选择合适范围，如PV 值过大，液膜气化严重，端面容易磨损导致密封失效。
摩擦热量是机械密封内产生高温的主要因素，有研究表明，密封腔内的温度超过150℃时机械密封可能出现以下问题：
（1）端面摩擦热不能被带走，还会对密封环起起到加热作用，使密封端面温度高，造成端面液膜汽化，出现干摩擦。
（2）密封环摩擦副发生热变形和热裂。产生热裂的主要原因是密封端面在回转过程中，不断产生大量摩擦热使表面凹凸不平而加速了磨损。同时，热裂都是径向的，加大泄漏的渠道，改变端面间的压力分布，影响密封。
（3）辅助密封圈迅速老化和变形。3 结语
载荷系数k 、端面宽度b 、端面比压b p 、弹簧比压2
p 将对机械密封端面的摩擦热量产生重要影响，在机械密封选型时，除综合以上参数外，还要考虑工况，合理选型。在不同设备使用同一机械密封时，要注意弹簧比压2p 的预测和调整，以保证机械密封的良好密封性能和摩擦特性。
泵在运行过程中，机械密封端面相互摩擦，当端面温度超过某一介质的汽化温度时，会在密封端面局部汽化（沸腾），形成局部干摩擦，密封面出现凹坑，是机械密封泄漏的主要原因之一。因此，有效的机械密封冷却装置必不可少，保证能及时带走摩擦热，有效延长机械密封使用寿命。
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