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1、机械密封技术发展概论——泵用无泄漏非接触式机械密封技术摘要:本文分析论述了转子泵用新型非接触式机械密封的工作原理和技术优势,综合介绍了其最新研究、开发成果,给出了各自的使用条件和应用范围,较为详细的介绍了气体润滑非接触式机械密封和液体润滑上游泵送机械密封的工作原理、使用情况和发展方向，目的在于推广无泄漏密封在石油石化工业转子泵上的使用。结合我国石化行业的发展特点，提出:我国应首先开发上游泵送机械密封技术。主题词:机械密封 端面密封 干气 泵送 泄漏 气体润滑非接触式机械密封(简称干气密封)和液体润滑上游泵送非接触式机械密封(简称上游泵送密封),都是基于现代流体动压润滑理论的
2、新型非接触式机械密封。与普通的接触式机械密封相比,干气密封与上游泵送密封可实现密封介质的零泄漏甚至零逸出,彻底消除对环境的污染,且因端面无直接的固体摩擦磨损而使使用寿命延长、密封可靠性提高和运行维护费用下降,从而使经济效益明显提高。该技术在国外已被人们所接受并在各种转子泵上推广应用。自20世纪80年代以来,国内有关科研院所就已开展了流体润滑非接触式机械密封的研究工作,但在工业开发应用方面进展缓慢。本文较为全面地分析了干气密封和上游泵送密封的工作原理和性能特征,综合介绍了国外在工业开发应用方面所取得的最新进展,借以促使国内各科研机构、密封生产厂家和用户能够联合起来,共同研制开发
3、具有自主知识产权的高性能非接触式机械密封技术和产品,推动我国高新机械密封技术的不断进步。1 干气密封1.1 工作原理干气密封的工作原理可用图1来说明,当端面外径侧开设流体动压槽的动环按图示方向旋转时,流体动压槽把外径侧(称之为上游侧)的高压隔离气体泵入密封端面之间,由外径至槽径处气膜压力逐渐增加,而自槽径至内径处气膜压力逐渐下降,因端面膜压增加使所形成的开启力大于作用在密封环上的闭合力,使在静止状态下保持接触的两端面分离并处于稳定的非接触状态。由中性高压隔离气体所形成的气膜完全阻塞了相对低压的密封介质泄漏通道,实现了密封介质的零泄漏或零逸出。可见,干气密封属于泵入式非接触密封
4、结构。1.2 技术特征干气密封最早于20世纪70年代中期由美国的约翰·克兰密封公司研制开发,并首先成功应用于高速透平压缩机上,产生了巨大的经济、社会效益,充分展示了干气密封的技术优势。密封介质的零逸出消除了对环境的污染和对工艺产品的污染,密封稳定性和可靠性明显提高,对工艺气体无污染,密封辅助系统大大简化等。以前,通常采用接触式双端面液体密封来实现密封介质的无泄漏(包括零泄漏和零逸出)。表1对干气密封和接触式双端面液体密封进行了全面的比较,从中可以清楚地看出干气密封的技术优势。1.3 产品开发及应用随着干气密封在压缩机上成功应用经验的积累,20世纪90年代,人们开始尝试把干气密
5、封运用到转子泵上,也取得了预期的效果。世界一些著名的密封公司集中人才和技术优势,加大科研开发投入,相继开发出具有自主知识产权的泵用系列干气密封技术产品。表2汇总了各主要密封公司研制的泵用干气密封产品的结构特征、性能、使用范围等。 干气密封在转子泵上成功的开发应用,是机械密封技术的又一重大进步。随着对干气密封技术优势认识的日渐深入全面,干气密封在工业上的应用范围不断拓宽;而随着研究开发工作的不断深入,将会有更多更高性能的干气密封技术产品问世,并在泵用机械密封领域内占有越来越重要的地位。2 上游泵送密封2.1 工作原理上游泵送密封的工作原理与干气密封类似,是借助端面开设的流体动
6、压槽在旋转条件下的粘性剪切作用把液体泵入密封端面之间,使液膜的压力增加并把两密封端面分开;与干气密封不同之处在于,上游泵送密封的端面流体动压槽是把由高压侧泄漏到低压侧的密封液体再反输至高压侧,可以消除密封介质由高压侧向低压侧的泄漏,可见,上游泵送密封属于泵出式非接触密封结构。 图2(a)所示为最早开发出的内径开槽式上游泵送机械密封端面结构。对内装式上游泵送机械密封,动环外径侧(规定为上游侧或高压侧)进高压密封流体,而内径侧(规定为下游侧或低压侧)进低压流体。当动环以图示方向旋转时,在螺旋槽粘性流体动压效应的作用下,动静环端面之间产生一层如图2(b)所示厚度为h0的流体膜,使
7、动静环端面保持分离即非接触状态。在内外径压力差的作用下,高压密封液体产生方向由上游侧指向下游侧的压差流Qp,而端面螺旋槽流体动压效应所产生的粘性剪切流Qs的方向由下游侧指向上游侧,即与压差流Qp的方向相反,上游泵送概念由此而来。2.2 技术特征上游泵送概念是20世纪80年代中期才提出来的,进入90年代对上游泵送机械密封的研究才逐渐增多。由于上游泵送密封比干气密封的研究开发工作起步更晚,人们对其性能特征还缺乏全面的认识。理论、试验研究和工业应用均表明,与普通的接触式机械密封相比,上游泵送机械密封具有以下明
