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机械密封第二动密封点形成原因分析

发表时间：2021/3/16 来源：《中国科技信息》2021年1月作者：宋成琪张子鹏郭玉芳

[导读] 分析了机械密封第二动密封点形成原因，得出了机械密封密封点为．二静二动的结论，提出了预防第二动密封点泄漏的几点措施。

胜利油田胜利采油厂宋成琪张子鹏郭玉芳

摘要：分析了机械密封第二动密封点形成原因，得出了机械密封密封点为．二静二动的结论，提出了预防第二动密封点泄漏的几点措施。
关键词：机械密封；摩擦副；辅助密封圈
        前言
        机械密封在油田，联合站中有着广泛的应用。由于使用场合的不同，受操作介质、温度、压力以及安装质量的影响，造成机械密封在寿命上表现出明显差异。多年来，人们面对实际运行中的机械密封出现的泄漏问题，解决的思路大都放在动环与静环这一对摩擦副的研究上。如：动、静环的选材与匹配，静环的结构以及端面之间的润滑状态等。但在现场对轴封的检修中发现，机械密封的泄漏，并不完全是出现在机械密封的动、静环端面处。有些情况是发生在动环辅助密封圈与轴相接触的部分。集输联合站原油外输泵密封装置，使用寿命非常短，平均约为 60 天，这给集输生产、泵检修以及环境带来的不便。
        1.机械密封结构与使用情况
        集输联合站10sh-6离心泵，泵所使用的机械密封型号为103M-85，结构形式见图1。在现场检修时发现，此泵大多数密封出现泄漏时机械密封的动、静环接触面并无明显的损伤痕迹，但用作动环密封圈的丁晴橡胶密封圈，在于泵轴接触相接处的表面发现有一条明显磨损出来的沟槽，其形状见图２,沟槽不仅有一定的深度和宽度，而且表面很光亮。根据沟槽的形状以及深度可以断定，动环密封圈与其相接触的泵轴表面之间必存在有相对运动，泵轴封的泄漏也从这里发生的。槽沟的形成，说明在机械密封的４个密封点中，除动、静环接触面一处动密封点外，动环密封圈与轴间的密封点也应为动密封点。在原来出版的有关机械密封著作中和许多人的心目中普遍认为机械密封的4 个密封点为“三静一动”，即动环密封圈与轴间的密封点为静密封点，这显然与实际情况不相符。近年出版的有关机械密封的著作中亦把动环密封圈与轴间的密封点视为动点，并认为动的原因是动环具有追随性或泵轴振动等引起的，从沟槽的深度以及动、静环面的磨损情况分析来看，上述观点显然不够充分。本文认为除上述原因之外，主要的原因应该是机械密封端面间摩擦状态的交替变化，使得动环密封圈与泵轴之间产生了轴向和圆周向的相对运动，相对运动的结果造成已发生界面腐蚀的泵轴表面磨损。
        2.第二动点相对运动形成原因分析
        机械密封端面之间，总是处于一定的摩擦状态，当前，混合摩擦学是众人可以接受的一种理论，即密封端面间的摩擦状态基本是干摩擦、边界摩擦和液体摩擦。众所周之，端面摩擦的存在必然产生端面摩擦力矩。从图1可知，该型式机械密封动环传动方式为弹簧传动，若不计动环密封圈与轴之间的摩擦力，弹簧所受的扭矩近似认为等于端面摩擦力矩，其值为：

端面间的摩擦系数f是随机械密封端面间摩擦状态变化而变化，而机械密封端面摩擦状态又是随动静环的相对旋转速度而发生变化。在机械密封实践中，迈尔总结出各种不同状态下的摩擦系数。见表1

从表1 可知：泵不工作时，密封端面保持静止，静摩擦系数一般是较高的，原因是在静止状态时，动、静环在预压力作用下，相配端面之间的液膜往往被压成的厚度小于0.25，此时的摩擦状态可近似视为干摩擦状态。在泵起动的瞬间，端面摩擦状态可视为边界摩擦状态，但是一旦起动，并随动环转速的增加，端面摩擦状态便由边界摩擦状态变为液体摩擦状态，摩擦系数变小。在这种情况下，液膜厚度在0.25～2.5微米之间，随着转速进一步增加，摩擦系数降到最小值。从公式(1)可知，摩擦系数f 值的变化直接决定端面摩擦力矩Mf 值的变化。
另外，端面摩擦力矩Mf值的作用会使传动弹簧产生轴向压缩，压缩量的值为：

        同时，端面摩擦力矩Mf值的作用又可使弹簧产生的一个扭角r，其值为︰式中I—弹簧丝剖面的轴惯性矩
弹簧产生轴向压缩和扭转的结果将使得密封端面比压值降低，反过来引起密封端面摩擦力矩Mf值得减小。
        从(2)、(3)式可以看出：端面摩擦力矩Mf与压缩量入、r扭角的影响是相互的，并且三者在机械密封工作过程中是不断变化的。r角的变化将造成转动弹簧出“滞后”和“回弹”现象，由于轴在均匀高速旋转，弹簧“滞后”和“回弹”使得动环密封圈与轴出现相对运动，再加上有界面腐蚀发生，长期作用便造成轴表面磨损。具体过程分析如下。
        机械密封未工作时，动、静环端面保持相对静止，端面接触面在弹簧力的作用下紧密贴合，几乎无流体进人，动、静环端面处近似于干摩擦状态，无摩擦力矩产生。机械密封启动工作瞬间，动环因受较大摩擦力的作用仍处于与静环保持瞬间的相对静止状态，但此时泵轴已运转，这样，动环密封圈就与轴产生了圆周向相对运动。动、静环端面之间即刻产生了摩擦力矩Mf ,摩擦力矩的作用使传动弹簧产生扭转和轴向压缩，从而造成密封端面间隙增大和弹簧因扭转而出现“滞后”现象。端面间隙在增大的过程中，流体不断流入端面间，使端面摩擦状态从干摩擦经过边界摩擦而变为液体摩擦状态。摩擦状态的改变使摩擦力矩下降，造成弹簧扭角减小并出现快速“回弹”。弹簧的“滞后”和“回弹”使动环密封圈与轴出现了相对运动，这种轴向和圆周向的复合相对运动伴随着密封的工作而周期性地发生，最终造成轴磨损。
        弹簧“回弹”以及惯性作用，又会使端面的摩擦状态由液体摩擦变为干摩擦（确切讲应为边界摩擦），摩擦力矩又增大，进而动环密封圈又随弹簧重复（2 ）、（3 ）的动作，结果轴表面磨损而造成密封泄漏。
        3. 结论
        (1)本文结合实际运行情况，经过理论分析，提出了在机械密封的4 个密封点中，应该有两个动点的观点。即除动、静环端面处为动点外，动环辅助密封圈和轴之间的密封点也应视为动密封点，这点应引起从事机械密封设计与使用人们的重视。
        (2)对于动环辅助密封圈与轴接触部位之间摩擦力的计算，值得人们进一步研究。
        (3)结合实际，从以下几方面采取措施，可有效防止泵轴的磨损，延长机械密封的使用寿命，这些措施为：
        改变动环的传动方式，避免弹簧工作时发生扭转，保证轴与动环密同步运转；对轴接触动环密封圈部位进行处理，提高轴表面硬度，增强耐磨性和耐蚀性；选配恰当的动环密封圈材料；确保现场安装质量。