剖分式机械密封研究进展

剖分式机械密封研究进展

王伟

(南京林业大学机电工程学院江苏南京210037)

摘要：剖分式机械密封相对于整体式机械密封具有不可比拟的优势，有效地解决了某些密封件不易拆卸的困难。其应用前景广阔，是未来机械密封发展的趋势之一。对剖分式机械密封的研究，国外已取得一定成果，并有所应用。国内起步较晚，对剖分式机械密封的研究各有特色，理论研究也取得一定成果，但应用研究略有滞后，实际应用只在工作参数较低的场合。同时研究人员提出对密封端面和分型面受热受压条件下变形与控制规律及分型面连接的紧密性进行研究对于剖分式机械密封的发展具有重要意义，并指出了今后一段时期剖分式机械密封理论研究、试验研究和应用研究的方向。

关键词：剖分式；机械密封；研究进展

一引言

机械密封装置是旋转装置中不可缺少的部件，其正常运行对整个机械的运转至关重要。其具有功耗小、泄漏率低、密封性能可靠、使用寿命长等优点，被广泛应用于石油、化工、航空航天等各个领域。机械密封的泄漏率大约为填料密封的1%，功率消耗约为填料密封的30%[1]。机械密封在运转时，除了机械密封自身的浮动补偿环由于密封面磨损需作轴向移动补偿外，安装在密封环上的辅助密封则伴随浮动环沿轴表面作微小的轴向移动，故对轴或轴套的磨损是比较小的。

旋转轴密封装置是工艺流程发生故障最频繁的关键部位之一，一旦整体式密封发生故障需要检修时，整体式机械密封装置拆卸十分麻烦，维修周期长，因此密封界一直致力于研究开发剖分式机械密封件，以求在不拆卸轴承、减速机、电机等部件的情况下完成机械密封件的更换。这种结构形式的密封装置大大的降低了设备的安装、维修成本。

本文对剖分式机械密封的机构机理进行了阐述，并对近年来剖分式机械密封的发研究发展做了归纳总结。

二剖分式机械密封结构[2]

剖分式机械密封是将做成周向对开或多瓣的环(包括动环座、动环支撑动环、静环、静环支撑、静环座)用接插销钉连接或围簧箍住形成整体，再配以开口密封圈和弹性元件组成的密封件。除密封环与支撑座存在剖分面外其工作原理、结构与普通机械密封均相同。该结构形式的密封装置无须拆卸反应釜的其他装置即可直接进行安装、拆卸等工作，降低了设备的安装维修成本、缩短了停车时间。图1为对开剖分式平行端面机械密封。图中装配工具是为了方便地将动、静环分别装入动环支撑和静环支撑而专门设计的。安装时，先将1装配工具置于轴上并用围簧箍住形成整体，再分别将动环支撑、动环、静环和静环支撑放置于轴

作者简介:王伟（1989—）,男,工学学士,南京林业大学机电学院.

上并用接插销钉连接，将扣式或插口式密封圈连接好外套在动、静环上。然后利用装配工具将动环和静环分别插入动环支撑和静环在动环座与动环间放置小弹簧，在动环支撑和轴之间、静环和静环座之间装入扣式或插口式密封圈。剖分式机械密封安装在机壳中的状态如图2所示。

三剖分式机械密封技术的发展历程

1．国外剖分式机械密封技术的发展历程[3]

1991年日本NagaiYataro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，用套筒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。Reagan发明了“剖分式机械密封环及其使用”，这种环至少分为两瓣，并用特殊对准夹具对齐。在每个环段剖分面上有一个弧形凹槽，把对准夹具放入一个环段剖分面上的弧形凹槽内并固定，以便能进行另一环段剖分面的固定。安装时，必须确保每个环段对中,以便在安装操作时，尽可能地减少对准夹具对密封环损害，并尽可能地减少泄漏造成的不对中。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年美国Giard发明了“剖分式机械复合密封装置”，同年Boyson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。然而,提高密封压力所增加的应力不仅导致整个组件产生较大变形，而且也使剖分环瓣产生相对运动，需要对所使用的材料进行非线性变形和应力计算。

2．国内剖分式机械密封技术的发展历程

根据资料发现，国内外对剖分式机械密封结构的研究设计还比较少。只有合肥通用机械研究所参照德国的一家公司研究和生产部分剖分式机械密封产品。合肥通用机械研究所设计制造了20多套单端面、小弹簧结构剖分式机械密封供石化行业使用。但该剖分式机械密封适合于工作参数低的工况下使用，不适用于压力大于0.1Mpa的反应轴封[4]。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。2003年邵嘉兴等对完全剖分式机械密封进行了结构分析，阐述了其结构特点及试验、实际应用情况。2007年艾志工业技术集团公司报道了其成功地将CHESTERTON442剖分式机械密封应用于大亚湾核电站工况为出口压力0·5 MPa,温度小于50℃的冷却循环水泵的情况。2008年杨启明[5]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。2009年孙见君[6]等开展了剖分式机械密封技术进展的研究，通过对剖分式机械密封技术近20年发展状况的回顾与总结，指出剖分式机械密封之所以至今未能获得推广或只能应用于工作参数较低的场合，是因为缺乏对密封端面和分型面受热受压条件下变形与控制规律研究、以及分型面连接的紧密性分析，无法保证密封设计与运行的可靠性。并指出了今后一段时期剖分式机械密封理论研究、试验研究和应用研究的方向。同年王洪群[7]等从剖分式机械密封泄漏机理及改进设计入手对釜用完全剖分式机械密封进行了研究并根据釜用完全剖分式机械密封的市场需求，对目前产品存在的缺陷进行分析研究，并给出解决方案。2010年陈碧凤[8]采用了有限元法进行建模加载和分析，证明剖分式机械密封结构的合理性和可行性。

四结束语

国内外对剖分式机械密封均作了一定程度的研究，但是要掌握其密封理论与应用技术、提高对对密封端面和分型面受热受压后变形规律的认识，保证密封设计与运行的可靠性、解决剖分式机械密封在高工作参数下工作的技术难题还有很长的路要走。

国内一些企业对剖分式机械密封的生产使用也进行了一些有益的探索，但掌握成熟的生产研发技术、