机械密封技术最新进展综述

机械密封技术最新进展综述

摘要：对机械密封的组成结构及原理、新型材料与技术进行介绍，展现当前最新机械密封技术的发展趋势及前景。

关键词：机械密封、陶瓷、泄漏、非接触。

0.前言：

机械密封是一种用来解决旋转轴与机体之间密封的装置。由于机械密封具有密封性能好、工作可靠、泄漏量小、使用寿命长、功率消耗少等特点，因而在国内外化工生产的旋转设备中得到了广泛应用，已成为泵、压缩机、反应釜、搅拌器、转盘塔、离心机和过滤机等工艺设备以及齿轮箱、阀门、旋转接头、船舶尾轴等能否正常运转的关键部件。随着人们对环境保护的日益关注，对机械密封的泄漏要求越来越严格，发展机械密封的新理论、新技术迫在眉睫。

1.机械密封的组成及工作原理

机械密封是一种限制工作流体沿转轴泄漏的、无填料的端面密封装置，主要由静环、动环、弹性元件、传动元件和辅助密封圈等组成。

其工作时靠固定在轴上的动环和固定在泵壳上的静环，并利用弹性元件的弹性力和密封流体的压力，促使动、静环端面的紧密贴合来实现密封功能的。在机械密封装置中，压力轴封水一方面阻止高压泄出水，另一方面挤入动、静环之间维持一层流动的润滑液膜，使动、静环端面不接触。由于流动膜很薄且由于高压水的作用，因此漏泄水量很少。一般情况下，机械密封的泄漏率控制在10 mL/h 以内并不困难。采用了机械密封之后，可有效地解决动环与静环端面之间、静环和密封压盖之间、动环和旋转轴之间及密封压盖和壳体之间等漏泄渠道的密封问题。

工作时，旋转轴通过紧固螺钉带动弹簧座同转；而弹簧座则通过传动螺钉和传动销带动弹簧、推环、动环密封圈和动环一起旋转，从而产生了动环和静环之间的相对回转运动和良好的贴合接触。其中，静环是静止固定在设备壳件上而不作旋转运动的。止动销则是防止静环随轴一起转动的。静环密封圈和动环密封圈通常称为辅助密封圈。前者主要是为了阻止静环和密封压盖之间的漏泄；后者主

要是为了阻止动环和旋转轴之间径向间隙的漏泄．并随旋转轴一同同转。弹簧是机械密封的主要缓冲补偿元件，借助其弹性力使动环始终与静环保持良好的贴合接触。紧周螺钉把弹簧座周定在旋转轴上，使之与旋转轴一起同转，并通过传动螺钉和传动销，使推环除了推动动环密封圈使动环和静环很好地贴合接触外，亦随旋转轴一起旋转[1]。

2.机械密封新材料

机械密封的使用条件与密封特性有关，故要求滑动材料具有下述理想特性；

(1)滑动面磨损小，发热胶着等造成的损失少；

(2)密封流体的液膜应能减小滑动阻力；

(3)不产生有害于滑动特性的反应生成物和磨损粉末

(4)密封液体对滑动面无浸蚀(腐蚀、酸蚀、磨蚀)。

作为滑动材料应具有上述(1)、(3)、(4)项特性。特性(2)则要求滑动面与密封流体间有一定漏泄。因此，经过对多种滑动材料的研究和开发，多种材料已经能供实际应用。特别是70 年代初，陶瓷材料的实际应用，扩大了机械密封使用条件的范围，其典型例子有汽车发动机冷却水泵的密封。传统机械密封摩擦副材料的组对，通常一方是以碳石墨的软质材料；另一方则是以硬质合金、陶瓷为代表的硬质材料。辅助密封圈的材料则是以通用合成橡胶、聚四氟乙烯为代表[2]。目前在机械密封产品中使用的材料将进一步发展，如有自润滑硬质合金、高性能工程陶瓷、高性能密封圈材料等。随着纳米材料的出现，在现有的密封材料中加入熔点较低而自润滑性能很强的纳米材料，形成新型的纳米复合材料，这种新型的纳米复合材料必将在机械密封用材中占重要地位。

2.1. 陶瓷材料

机械结构零件用的陶瓷材料称为工程陶瓷。近来得到推广的有SiC、Si3N4、ZrO2的烧结体，它们能扩大条件的范围这些材料与以往的以氧化铝为代表的陶瓷材料和超硬合金相比具有硬度高、韧性好、耐热冲击性好的特点，这些特点正是机械密封的滑动材料所应具有性质。近来许多人对它的实用化进行了研究，现在主要使用的陶瓷材料是SiC质材料，因为SiC质材料不仅物理性能优越，而且耐腐蚀性也好，SiC单体是非常稳定的化台物，几乎不受各种酸、碱的腐蚀。2.1.1. 表面转换型SiC

该材料是最初用来作为机械密封的滑动材料，是将碳基体材料约1mm厚的表面层转换成SiC而形成的。由于这种材科的多孔性．所以作为机械密封滑动材料使用时，在浸渍热硬化性树脂后，具有不浸透性。因此，这种材料的缺点在于耐腐蚀性受到浸渍树脂的限制。目前，从耐腐蚀方面看，如果碳材料在不宜使用的特殊流体如盐酸等中使用时，就须逐渐换成常压烧结型SiC材料。

2.1.2. 反应烧结型SiC

反应烧结型SiC是由(SiC+Si)组成的致密的烧结体。这种材料的特点是制造时尺寸收缩率非常小，所以适用于直径大、形状复杂及种类多、数量少的产品。如可用作大直径转轴机械和高PV值特殊回转机械或者高浓度泥浆旋转机械等小批量生产用的机械密封滑动材料。

2.1.

3. 常压烧结型SiC

这是一种制法比较新的材料，因为除SiC外，其它成分的含量均在百分之

几以下，所以它能最大限度地发挥作为纯粹化合物SiC所具有的优良特性。这种SiC，通常是用粉末冶金方法制成，适合于批量生产。因此，它多用来作处理强腐蚀性流体的旋转机械和批量生产的旋转机械的机械密封滑动材料。

2.1.4. 部分反应烧结型SiC

这种材料是通过利用与表面转换型SiC不同的碳基体材料和反应条件，将基体材料的表层部分转换成约1．5mm厚的SiC而形成的。成分是SiC和碳，不透气。因此，这种材科也是一种具有由碳产生的自润滑性和耐热冲击性的特殊SiC 材料。例如，高速旋转机械在密封含泥浆液体的场合，由常压烧结型SiC相互组合的材料因不具有自润滑性，可能会发热胶着。可是当常压烧结型SiC与部分反应烧结型SiC组合时，由于后者具有自润滑性和耐热冲击性，因而即使在高速运转条件下也能使用[3]。

3.机械密封新技术

3.1.剖分式机械密封

1991年日本Nagai Yataro[4]等发明了“带有剖分环的机械密封”，其密封环被一个带预制沟槽的支撑环覆盖住，用“O”环镶嵌在预制的槽中。1994年美国拉多萨夫[5]等发明了一种“剖分式机械密封”。其动、静环由许多弓形环段形成，分别置于两个对开式托架装置中，托架剖分面用螺栓连接成一体，刚性支持着动、静环。1997年Bessette[6]等发明的“完全剖分集装式机械密封”，由两个部分组成，每部分依据集装式设计标准设计。装配采用定位螺丝把密封装配固定在转轴上，用套简和槽来固定静组件于密封腔上。结构非常简单、操作方便、安装时无需测量或推测工作。尽管如此，剖分式机械密封并未获得真正的应用。直到2003年才由德国Burgmann公司生产出产品并应用于水处理、制浆和发电等工业装置中。2007年Boyson[7]提出了离心流体装置用剖分式密封技术的可靠性问题，指出要使得剖分式密封能被广泛使用，需要寻找更大的密封压力适用范围。国内马卫东开展剖分式机械密封研究较早，2000年发明了一种用于大型反应釜和大型泵的分体式机械密封，其动环通过推环、传动环固定成一体，动环、推环、传动环均由对称两部分组成，且分别由具有斜面的两个半夹紧环固定；静环、静环座、压紧螺母固定为一体，静环、静环座上的具有斜面的两个半夹紧环夹紧。2008年杨启明等开展了反应釜用剖分式机械密封设计研究，利用有限元法分析了辅助密封圈的应力应变状况，提出了两种分型面连接结构[8]。

3.2.非接触式机械密封

3.2.1.干气密封

干气密封即“干运转气体密封”，是将开槽密封技术用于气体密封的一种新型轴端密封，属于非接触密封[9]。当端面外侧开设有流体动压槽(2.5-10μm)的动环按图2所示方向旋转时，流体动压槽把外径侧(称之为上游侧)的高压隔离气体泵人密封端面之间，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，在摩擦副之间形成很薄的一层气膜(1-3μm)，从而使密封工作在非接触状态下。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。这种密封运行无磨损，功耗小；泄漏量小，可实现零泄漏或者