浅析高压机械密封的设计和应用
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摘要：伴随着机械密封技术的不断发展，高压机械密封的设计与应用逐渐成为众多机械专家研究的重点。这一技术也是进行自动化以及文明生产必要的环节。文章主要就高压机械密封的设计以及应用进行探讨，通过介绍高压机械密封的概况，介绍了机械密封的种类、主要类型等，还分析了目前高压机械密封的现状，着重介绍了结构设计方面的内容。同时，对影响高压机械密封设计的因素进行分析。并提出相应的解决措施，还对高压机械密封的应用情况进行了分析。
关键词：高压机械密封；设计；应用
0.引言
高压机械密封是船舶及高压容器常用的转轴密封装置，其主要是通过动、静两环之间发生摩擦来实现密封功能，这主要是因为摩擦生热，端面在温度升高的情况下发生磨损，从而影响高压机械密封的使用寿命，降低了安全系数[1]。所以说，在设计时，一定要对温度进行严格的控制，降低端面的温度，从而确保高压机械装置的安全性。
1.高压机械密封概况
1.1. 机械密封设计概况
1.1.1.机械密封设计研发的目的
机械密封的主要目的其实是对可能出现泄漏的地方或者已经发生泄漏的地方进行密封，设置好物理壁垒，根据其用途以及实际所需，从而进行设计，以实现多种功能，达到延长使用寿命，增加安全性，满足社会各方面的需求的目的[2]。
1.1.2.机械密封种类
按照作用来分，可以分为轴用密封、防尘密封以及导向环，还有孔用密封与固定密封等，而按照材料来分，可以分为工程塑料、聚氦酯以及橡胶等[3]。
1.1.3.机械密封的主要类型
机械密封与相对运动有关，一种是相互之间不存在相对运动，一种是相互之间存在相对运动，前者产生密封性的静密封件，后者产生密封性的动密封件。除此之外，机械密封系统还有根据专门为了防止灰尘或者其他有害物质进入而进行设计，这种设计一般都是采用防护罩或者与之类似的结构，这种机械密封是一种半静密封件。
1.1.4.密封件的命名及归类
静密封件通常依型式来命名，如垫片、环形密封件等垫片又可以进步按材料来分类，像橡胶垫片、非金属垫片、金属垫片等，或者按其结构化分为平垫片、螺旋缠绕垫片等密封胶常被看作是静密封中单独的类，分别为液态联结、液体垫片、螺纹密封胶等；而动密封件则可以归为强制压力下贴压在密封而上的接触型密封件与靠固定间隙（即没有摩擦接触）起作用的间隙密封件两大类[4]。
1.2. 高压机械密封的现状
密封腔体压力超过3MPa时所采用的机械密封属高压机械密封，其零件选材、可靠性要求、结构等都有别于通用型机械密封[5]。就目前而言，我国对高压机械密封技术的研究还是比较落后，性能稳定性较差，且多是从国外引进。经过多年的研究，我国已经有所收获，研究出了一系列的高压机械密封产品。如图1所示，图为高压机械密封装置简图：
密封与零件结构型式是高压机械密封的两种结构型式，在对结构进行设计时，需要将压力的平衡问题放在首要位置来考虑，因为压力不平衡可能导致密封发生变形或者改变位置的情况，这会大大影响密封情况。
2. 1.传动机构设计
一般在高压情况下，高压机械密封装置多是通过一些承受力极其差的小零件来进行传动操作。因此，想要加强传动的承受力度，可以通过增强起动扭矩来加强，并将起动扭矩估算为4倍的工作扭矩。
2. 2.密封端面设计
高温性端面设计对摩擦副的要求比较严格，因为摩擦副是机械密封的重要零件，不仅要保证摩擦副的平面、粗糙度，而且材料必须具备很强的耐磨、耐腐蚀以及拥有足够的强度[6]。由此，在对断面进行设计时，一定要充分考虑摩擦面是否能够导热，通过导热可以减少温差的变化，保持作用力之间的平衡，从而防止端面发生变形。
密封端面除了可以在动环端面或者静环端面的作用下形成流体动压槽，这种槽的深度一般在1毫米上下，如图2所示，图为典型流体动压端面型式。图中的槽形有各种模式，这些模式多是通过PV来进行设计，并通过实验一步一步来进行确立。这种新型的流体动压式密封即使在高压的情况下，也可以保持端面的稳定性，同时，在摩擦产生热的情况下，端面依旧稳定。当密封环出现旋转时，槽可以使得离密封端面距离较远的液体快速冷却，详细如图3所示：
在进行冷却操作时，密封环会出现流动楔以及高压区，这与槽数是一样的，其主要原因在于切向流以及压力降，在每一槽后形成慧星状楔，密封面上载荷、滑动速度与摩擦系数呈现反比[7]。
2. 3.载荷系数
在高压的情况下对载荷系数进行取值有着一定的难度，因为只要载荷系数有稍微的变化就可能导致断面的比压出现很明显的变化，这大大影响了参考取值。密封结构对高压机械密封载荷系数起着重要的影响，同时，介质性质对载荷系数也起着影响，在对载荷系数进行确定时，需要经过很多的实验来获取。
经过研究发现，针对非流体动压式密封，高压机械密封的载荷系数比膜压系数高0.05一 0. 15，配合弹簧比压选取；对于流体动压式密封，载荷系数应设计成0. 7—0. 85，这使得高压与密封端面的比压相对比较小，并且确保了密封端面一直处于贴合的状态[8]。
2. 4.材料
在材料的选择上，高压机械密封必须要是非常耐热，且容易导热，同时，还要具备耐摩擦与高强度的相关性能。同时，这些材料除了这些性能，还要满足工况要求。
在对高压机械密封的摩擦副进行设计时，一定要重点考虑碳石墨，确保其强度以及刚度达到要求，防止碳石墨环变形，导致性能受到影响。摩擦副的硬环材料，比如硬质合金、碳化硅等，少的强度比碳石墨材料高一个数量级，因此硬环的强度与刚度均能满足要求，但是这些材料一旦变形就不易复原，设计时应注意热变形以及抗冲击性能，过高的负荷，特别是可变的密封压力，会引起端面变形，即使微米级的变形也将影响密封的性能[9]。
3. 影响高压机械密封设计性能的因素
3.1.高压机械进行密封设计的主要目的在于避免出现泄漏，在其他进行密封的地方设置完善的物理壁垒。想要达到此目的，则必须确保密封件具有很大的弹性，可以保证填充密封面的任何的一个不平整之处，并使得此处的刚度不发生任何改变。通过压紧加载可以形成弹性流动，从而使得密封件保持在受力状态。如果系统中应力发生任何的松弛，都会对密封件的性能发生影响，导致这种的原因，与密封材料自身的原因有很大的关系，比如其自身的应力松弛，还有热胀冷缩等。
3.2.高压机械额密封性的强弱与被密封面上是否留有足够的压力有非常大的关系。与此同时，还要尽可能地减低密封件的磨损，从而确保系统的稳定性，保证动态响应以及伺服精度，也可以较少对载荷功率的损耗。在接触型密封结构中，由于静态压缩应力，密封件摩擦作用过程中的周期载荷，以及具有化学和物理化学活性的密封介质的侵蚀作用，对密封材料性能随时间的稳定也提出了较高的要求，限制了接触密封元件的使用条件[10]。
4. 提高高压机械密封设计质量的措施
4.1.对密封件相互之间的功能要进行明确的规定，并且都要满足密封系统的要求，密封件的每项功能都要致力于保证密封功能。
4.2.在结构上，要尽可能地在使用过程中出现的有害因素，保证密封功能。
4.3.密封在进行连接时，避免生成热。采取的措施可以是通过采用非接触密封代替接触密封，还可以通过用焊接代替连接或者缩短密封周边。
4.4.人才永远是各项竞争的关键，要大力培养高科技人才，加强人才队伍建设，在企业内部形成优秀的人才队伍，从而为高压机械密封设计提供技术保障。
5.高压机械密封应用
5. 1.高压机械密封的技术参数
5. 2.试验及实际运行
实验是在现场进行，按照相关的要求将机械密封装上设备，按机械密封试验规范，先作静压试验，静压合格后，再作动压试验[11]。此泵工作参数如下：介质：水，进口压力8. 6MPa，出口压力9. 5MPa，密封腔压力9. 65MPa，温度187 0C[12]。此外，在齐鲁塑料厂聚丙烯装置的P200泵上采用的双端面密封和P201泵上采用的三端面密封，并坚持用了6年；在内蒙化肥厂和九江大化肥合成氨装置午GA 302泵上使用也已超过2年；现场运行表明该高压机械密封设计合理，参数和结构选择正确，所研制产品可完全替代进口同类产品，有些产品的使用寿命甚至超过了国外同类产品[13]。
6.结语
在对高压机械密封进行设计时，先要避免石墨环出现变形，保证密封的稳定性。同时，在文中提及的结构设计中是在高压的状态下进行，及时在压力出现波动的情况下，密封的变形还是相对比较小的，且这种结构还可以用于双端面密封，可以确保工作的可靠性。此外，这种结构很大程度上提升了密封的PV值，使得水中的PV值是原先结构的好几倍。综上所述，高压机械密封受到越来越多机械制造专家们的注意，在多个领域发挥着重大的影响。
参考文献：
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