机械密封比压选用原则

《液气压世界》2008年第3期阅读次数：370

【关键词】机械密封,载荷,承载能力,比载荷,流体膜压,微凸体接,触比压

【摘要】对各种不同密封型式、摩擦状态、密封面形状和流体相态的密封面载荷和承载能力作了具体分析，有利于对密封面比压的深入了解。对一些不切实际的选用原则和密封面比压的概念与数据进行了讨论分析，并给出明确的密封面比压新概念，以及如何验算密封面比压的具体计算方法。介绍了相关算例和数据资料。

为了保证机械密封可靠、长寿命运转，长期以来许多密封工作者千方百计地努力设确选用密封面比压，并以此来反映密封是否能够正常工作。由于设计时所用的计算方法不够完善，所以在使用过程中形成的密封面比压的平均值，可能与设计时确定的计算值相差很大。究其原因是对密封面比压的概念、用法和依据了解有些不全面，或混淆不清，甚至不正确。因此，有必要用摩擦学有关的新观点、新概念、新技术和新知识，对密封面的比压作一系统、完整及全面的研讨，以便得出正确的看法和计算方法，特别是下面关于比压选用原则，可供机械密封的设计、制造、使用和维护人员参考。

1、密封面载荷和承载能力

在机械密封的使用实践中，对机械密封的密封面比压有许多叫法。过去称作密封端面上单位面积所受的力，或作用在密封环带上单位面积上净剩的闭合力。近来有密封面微凸体接触比压(简称密封面比压)、单位接触压力和平均接触压力等叫法。为了便于对密封面比压有所了解，首先来分析密封面载荷和承载能力的轴向平衡。机械密封密封面的轴向载荷和承载能力示意，见图1。

图1 密封面轴向载荷和总承载能力示图

1.1 轴向载荷和总承载能力的平衡

机械密封轴向作用在密封面上的总载荷P g，包括流体压力作用载荷Pf和弹簧预加载荷P sp,即：

P g=P f+P sp (1)

承受这一密封面载荷的是总承载能力W，它包括流体膜承载能力W f和微凸体承载能力W c。流体膜承载能力包括流体膜静压承载能力W st和流体膜动压承载能力W dyn，即：

W=W f+W c=W st+W dyn+W c (2)

在稳定工况下两者是相互平衡的，即：

P g≡W (3)

1.2 载荷和比载荷

通常在密封系统压差p s较低时，虽然由于结构关系流体作用面积A s大于密封面面积A f，但轴向总载荷不大，密封面的流体膜和微凸体的承载能力是足够的。则流体压力作用载荷为：

P f=p s A s

随着密封系统压差p s的增高，为了减轻轴向载荷，除了保证必要的弹簧预加载荷外，采用平衡型机械密封结构以减小流体作用面积。流体作用面积A s与密封面面积A f之比，通常叫做面积比，即：

B=A s/A f

因为B又表示了轴向载荷的平衡关系，所以又称为平衡比。于是流体压力作用载荷可以表示为：

P f=Bp s A f

通常，非平衡型机械密封的平衡比B＞1，而平衡型机械密封的平衡比B≤1。

密封面载荷为：

P g=P sp+Bp s A f

密封面的比载荷为：

p g=P g/A f=p sp+Bp s (5)

式中,p sp为弹簧比载荷,N/m2。

由此可见，密封面的载荷和比载荷主要决定于密封工况(密封系统流体压差ps)、弹簧的预加载荷P sp(或弹簧比载荷p sp)、流体作用面积A s或密封面面积A f以及平衡比B。

密封面比载荷p g与系统流体压差p s之比可定义为载荷系数，即：

K g=p g/p s=B+p sp/p s (6)

机械密封的密封面载荷和比载荷用于确定工况参数、计算泄漏量和总结试验数据，如工况参数为可表示：

G=μvb/P g=μn/p g (7)

则接触式机械密封的泄漏量为：

Q=πD m p s h2S/p g2 (8)

1.3 总承载能力和膜压与比压

支持密封面载荷的是密封面总承载能力W，除以密封面面积Af便可得出单位密封面面积承载能力W，它包括流体膜膜压pm(流体膜静压pst与流体膜动压pdyn)和微凸体接触比压pc，即：

(9)

机械密封的流体膜膜压分布取决于密封面形状、介质的性质和相态等，必须按具体情况来确定，即平均膜压为：

(10)

流体膜膜压pm与系统流体压差ps之比可定义为膜压系数Km,即：

K m=p m/p s (11)

由膜压系数说明，沿密封面径向膜压的分布可以根据不同的摩擦状态、密封面结构形状和不同相态等条件来确定。

从摩擦学角度考虑，密封面(微凸体接触)比压p c等于材料的抗压强度σc和微凸体承载面积比b m的乘积。而b m又取决于膜厚h与说明表面粗糙度的均方根偏差σ之比(膜厚比λ)，即：

p c=σc b m (12)

利用高斯分布可以得出微凸体承载面积比：

(13)

其中膜厚比λ=h/σ，其与微凸体承载面积比b m的关系见表1。对于混合摩擦的机械密封，膜厚比λ为2.0～3.0。

通过轴向力平衡可以得出稳定工况下的p g=p sp+Bp s=p m+p c，于是在一般情况下，接触式机械密封的密封面比压应与其它各项协调，则得：

p c=p sp+(B-K m)p s (14)

表1 机械密封相对膜厚比与微凸体承载面积比关系

由此可见，密封面的比压是接触式机械密封必要的密封面微凸体承载能力，而不是单位面积净剩的闭合力，也不能笼统地认为只是密封端面上单位面积所受的力。密封面比压的大小不仅取决于材料强度、表面结构、微凸体承载面积和相对膜厚，还应与密封工况(密封系统流体压差ps)、弹簧比载荷p sp和平衡比B等协调，同时必须与流体膜膜压p m或膜压系数K m相

适应。通常用流体膜承载比K f和微凸体承载比K d来反映它们之间的协调关系，即流体膜承载比为：

K f=p m/p g=K m/K g (15)

而微凸体承载比为：

K d=p c/p g=K c/K g (15a)

式(15)表示流体膜承受载荷的百分率，而式(15a)表示微凸体承受载荷的百分率。

密封面比压通常用来校核机械密封的密封性和耐磨密封性，以及说明密封所处的状态。为了保证接触式密封密封面(闭合)的密封性，密封面比压必须大于0，即p c＞0。为了保证必要的耐磨性，密封面比压值必须小于许用密封面比压值，即：

p c＜［p c］ (16)

或机械密封的p c v值必须小于许用值，即：

p c v＜［p c v］ (16a)

或

p c＜［p c v］／v (16b)

为了校核机械密封干运转(9000h)时的耐磨性，使工作的比载荷p g v值小于许用的［p g v］值，即：

p g v＜［p g v］ (17)

或

p g＜［p g v］/v (17a)

为了校核热强度，热强度准则(p c v)max的大小应该满足：

p c≤(p c v)max/v (18)

其中

(18a)

式中，σt为抗强度，k为导热率，α为膨胀系数，E为弹性模量，耐热冲击系数

ThSP=σλ/αE(不同密封副材料可查表2)，f为摩擦因数，a为环厚。

表2 密封材料耐热冲击系数

为了判断摩擦状态，可以根据密封面比压p c和密封副中软密封面材料的抗压强度σc，求出微凸体承载面积比b m，再进一步得到膜厚比λ值，于是便可判断出所处的摩擦状态。

2 不同情况下膜压系数

2.1 不同密封型式和摩擦状态

(1)非接触式密封--流体摩擦

流体摩擦工况下的膜压系数：

K m=K g=B+p sp/p s (19)

(2)接触式密封--混合摩擦

在混合摩擦工况下膜压系数分为3种情况。

①平行面密封对于平行面液体端面密封，液体膜压沿密封面半径线性分布，膜压系数K m1≈1/2；对于平行面气体端面密封，气体膜压沿密封面半径按凸状抛物线分布，膜压系数K mg≈2/3。

②收敛面密封对于收敛面非接触式密封，流体膜压沿密封面半径按凸状抛物线分布，膜压系数K m＞1/2；对于收敛面接触式密封，流体膜压沿密封面半径抛物线分布，膜压系数K m＞1/2。收敛面机械密封的膜压系数可以近似地按下式计算：

K m=1/(1+β) (20)

式中，β=h1/h2，h1为密封面侧间隙(膜厚)，h2为密封面外侧间隙(膜厚)。

③扩散面密封对于扩散面非接触式密封，流体膜压沿密封面半径按凹状抛物线分布，膜压系数K m＜1/2；对于扩散面接触式密封，流体膜压沿密封面半径抛物线分布，膜压系数K m＜1/2。

2.2 不同相态机械密封

对于轻烃泵一类的混相机械密封，其密封面间存在相变，因而可能出现不同相态。就密封面间相态来说，根据沸腾(相变)半径的不同，有全液相(R b≤R1)、全汽(气)相(R b≥R2)和气液混相(R1＜R b＜R2)，而气液混相又可以分为似液相(R1＜R b R2)和似汽相(R1 R b＜R2)。

①液相对于液相密封，其膜压沿密封面径向线性下降，膜压系数K m1≈1/2，其密封面比压近似按式(14)计算。对于置式密封，其膜压系数可按下式计算：

(21)

②气(汽)相对于气(汽)相密封，其膜压沿密封面径向抛物线下降，膜压系数K mg≈2/3，相应的密封面比压近似地按式(14)计算。对于置式密封，考虑到过程是等温膨胀，其膜压系数可按下式计算：

(22)

③气液混相对于气液混相密封，例如液态烃密封，其膜压按先线性，后抛物线下降。例如近似地取膜压系数K mm=0.707，则密封面比压为p cm=p sp+(B-0.707）p s。也可近似地用下式计算气液混相密封膜压系数：

(23)

由此可见，气液混相机械密封的膜压系数主要取决于介质的饱和蒸汽压p t与密封压差p s之比(相对饱和蒸汽压p t＇)、沸腾半径R b与密封面外半径R2之比(相对沸腾半径R b＇)和密封面外半径比R1＇。精确的膜压系数表达式为：

当n=2(等温膨胀)时，不同相态的膜压系数为：

(24)

以上公式的解法可以参见有关文献。其中相变半径可以按下列超越方程来确定：

(25)

此外，还可以足够精确地用下式确定气液混相机械密封的膜压系数和沸腾半径：

(24a)

(25a)