淺談剖分式機械密封理論體系的構建

現代化大生產的特點決定了工業裝備的長週期運行屬性。動密封作為旋轉機械的關鍵部件，對安全和穩定生產有着重要影響。機械密封作為工業裝備中轉軸密封的主要形式，應用非常廣泛，在一些工業發達國家，其使用量佔到了全部旋轉機械軸封用量的 90%左右。然而，對於穿套在旋轉軸上工作的傳統的機械密封，安裝和維修時需要將軸端的聯軸器、電動機或者葉輪等部件拆下，最後再逐個裝上，如此造成長時間停機停產，使企業損失巨大，同時繁重的裝拆帶來驚人的維修費用（大型設備尤為突出）[1].人們通過不斷努力，開發出一種剖分式機械密封，其結構和工作原理均與傳統的整環式機械密封相似，唯一不同的是在密封環上增加了剖分面。這種密封不僅具有整環式機械密封的拆裝便捷性，還具有填料密封的摩擦功耗小、自動補償磨損量等優點。與整環式機械密封相比，剖分式機械密封避免了因裝拆不便所帶來的鉅額附加費用和停產損失；與填料密封相比，剖分式機械密封具有較長的運行壽命（一般為填料密封的 4 倍），工作過程中無需調整，也不會劃傷軸或軸套，大大縮短了維修時間；因摩擦功率小，降低了能耗，從而提高了運行效率；運行中泄漏少，減少了環境污染和環境處理費用[2-3].但剖分面的存在打破了結構的連續性，增加了泄漏通道的來源途徑，加劇了理論研究及其技術開發的複雜性，進而制約了剖分式機械密封技術的發展。

本文旨在通過分析近幾十年剖分式機械密封的結構設計和理論研究狀況，歸納剖分面密封形式、定位方式以及剖分式彈性輔助密封圈斷口連接方式，探尋剖分式機械密封技術領域存在的結構設計、理論研究、測量方法、性能指標和製造技術方面的問題，提出剖分式機械密封今後一段時期的主要研究方向，為建立剖分式機械密封理論體系和推動其工程應用奠定基礎。

1 剖分式機械密封結構設計現狀

1.1 剖分式機械密封的分類

剖分式機械密封裝置有半剖分式和完全剖分式兩種。半剖分式機械密封是指部分配合件被剖分為兩個或多個環瓣，而其餘仍為整環；完全剖分式機械密封（圖 1）是指機械密封的所有零件全為兩瓣或多瓣，包括動環、靜環、動環座、靜環座、殼體、彈性輔助密封件等。剖分式機械密封按密封環密封端面可分為哈夫式[4]、組合式[5]和多體式[6-7],常見的形式是哈夫式，也稱分體式（通常所説的剖分式機械密封，若無特殊説明均指哈夫式，本文以下所述“剖分式”即為 “哈夫式”），即整環被均等剖分成兩段，兩半環剖分面對接形成整環；組合式密封環是沿密封環周向的某一個角度，斜切成兩半環弧段，兩半環弧段斜切面對接形成整環；多體式密封環由多個弓形段和多個密封段構成，相互間彼此緊靠形成完整環形。為解決安裝拆卸耗時耗資問題，傳統機械密封技術衍生出了“集裝式機械密封”的概念，即在安裝前，將所有密封部件組裝到一起，然後再套到旋轉軸上。為進一步提高作業效率，剖分式機械密封也引入了這一新的理念，Bessette 等[8]則為該設計理念的典型代表。

1.2 剖分式密封環剖分面密封設計

1.2.1 剖分面密封密封環剖分面密封目前可分為 3 種：一種是將脆性整環以斷面形式分開[9-12][圖 2（a）],該方法具有較好的密封性能，但只能一組配對，不具備互換性[13];另一種是表面開有溝槽，槽內放置密封件[14][圖 2（b）],該方式具有良好的密封性能，但要求對溝槽尺寸及密封件壓縮量進行嚴格控制；最後一種是將各剖分面加工足夠光滑，依靠剖分面直接接觸實現密封[15-17][圖 2（c）],該方法最受歡迎。後兩種方法，常常需要在密封環外圓面上施加一定的箍緊力[9],以實現可靠密封，該箍緊力可由箍緊環、輔助密封圈、介質壓力、剖分面連接螺釘或密封環座等提供。

1.2.2 剖分面定位由於剖分式機械密封剖分面的存在，使得剖分半環對接成整環時，難以保證密封端面的平面度以及密封環圓柱面的圓度，而它們分別與剖分面的軸向定位與徑向定位直接相關，這便限制了剖分式機械密封的發展，因此尋找有效的剖分面定位方法至關重要。目前，有如下幾種常用的剖分面定位方法。

第一種，利用圓環直接斷裂後形成的鋸齒狀斷口搭接後直接定位[7-11][圖 3（a）],該方法簡單、有效，但因此種密封半環不具備互換性而不適合推廣使用。

第二種，利用密封環外圓面所受的外力（如箍緊環箍緊力[8][圖 3（b）],輔助密封件彈性力[18-19][圖 3（c）]或介質壓力[20][圖 3（d）]等來實現密封環半環的軸向與徑向定位，且一般而言，利用該方法實現軸向與徑向定位時，密封環外圓面常設計成圓錐面，而錐面精度難以保證[7].

第三種，依靠輔助定位件定位剖分面，如利用螺釘鏈接密封環剖分面[圖 3（e）],提供密封壓緊力的同時，還可以起定位作用[21-22],但利用螺釘定位時，擰緊螺釘過程會產生扭矩，使得半環發生一定的扭轉，影響定位精度；也可利用定位銷定位[7,23][圖 3（f）],因密封環對位移和變形大小都有很高的要求，所以要求定位銷具有高的加工精度；或者在密封半環環體一端剖分面加工榫頭，相對半環的配合端加工對應的榫槽[19,24][圖 3（g）],但榫槽和榫頭加工時，均要對半環進行單獨加工，加工精度要求高，難以保證兩半環配合後密封端面的平直度及兩半環圓周面的圓度；還有利用 U 形鋼條定位半環剖分面[25][圖 3（h）]等。第四種，由動、靜環座輔助作用實現密封半環軸向與徑向精確定位，如對密封環背部及密封環座端面進行拋光，實現密封半環軸向精確定位[13],利用密封環座的圓度保證密封環的圓度及同軸度等。第五種，利用輔助安裝工具實現密封半環精確定位[7][圖 3（i）],即通過所設計的具有高精度平面度和圓度的安裝工具來保證密封環精確的端面平面度和圓度，該方法切實有效、可行。

1.3 輔助密封圈剖分設計

剖分式機械密封的輔助密封圈有多種形式，一種是將密封圈切斷，安裝後用膠黏在一起[20],這種情況存在因材料不同，使得受壓變形不同，而導致與密封環等部件接觸不均，或温度變化改變黏膠的性質而使其失效等問題；還有一種與前一種相類似的方式，稱為搭接方式，斷口形式多樣，可為徑向切面[8-9][圖 4（a）]和斜切面[8,21,26][圖 4（b）]等，但該方式不用膠黏結，因此，容易發生切口錯位，致使密封失效；一種採用插接式結構，即端口一端是凹坑；另一端是凸台，如球形頭插接[8,14,16,21][圖 4（c）]、矩形頭插接[27][圖 4（d）],或採用帶芯 O 形圈，一端為圓錐頭，插入另一端的圓形孔內，為防止脱開，圓錐頭外圓周及圓孔內圓周插入彈簧鋼絲[28][圖4（e）]等，該結構凸台截面尺寸較小，可能因斷裂而失效或配合端面因間隙較大而產生泄漏，同時可拆卸性差，且製造工藝較複雜，Nagai 等[9]採用斷口為多個切面的剖分式O形圈，兩切斷口形狀凹凸相對，以插接方式連接[圖 4（f）];第三種是扣式接頭[29][圖4（g）],安裝前在接頭密封腔底部塗一層黏膠，該結構保證了密封的密封性和可靠性，但製作工藝相對複雜。此外，以上 O 形圈均為非標準件，需廠家專門加工，耗時且增加成本，因此王洪羣 等[30]提出將兩個標準 O 形圈折成半圓弧，相對形成圓環，然後放置在預設的密封件溝槽內[圖 4（h）],無斷點而不易撕裂，但接頭處因圓形截面而存在較大縫隙，密封不可靠。針對這一問題，孫見君等[31]在王洪羣等設計理念的基礎上提出增添一道密封，採用類似迷宮密封的雙重密封[圖 4（i）],密封可靠，且不會發生撕裂，同時仍可使用標準件，但該發明存在 O 形圈摩擦阻力大的問題。王洪羣等[32]後來提出了矩形截面剖分式密封圈，利用搭接方式連接斷口，並針對軸向與徑向密封，分別提出兩種結構，一種是楔形端部搭接結構[圖 5（a）、（c）],另一種是台階形端部搭接結構[圖 5（b）、（d）],並通過試驗證明了其可行性及有效性。

2 剖分式機械密封理論研究現狀

成功建立剖分式機械密封設計理論使剖分式機械密封裝置得到廣泛的應用成為可能。然而相對於結構設計，理論研究開始較晚，國內外至今鮮見報道，相關的中英文刊物僅有 6 篇，其中 4 篇中文、2 篇英文（由 Google 搜索獲得，Web of Knowledge檢索結果為 0）。

2003 年 Azibert 等[33]以一種完全剖分式雙密封面幹氣機械密封結構為基礎，推導了平衡比 Bd,給出了其隨過程壓力的變化趨勢及隨內外壓差的變化趨勢圖，同時對 O 形圈和動環的組合模型進行了有限元分析，獲得了 O 形圈佈置位置與密封環變形的關係，給出了 O 形圈的最佳位置，並完成了完全剖分式機械密封的安裝，測得實際平衡比、泄漏量，而且在考慮剖分面的影響下，估計了端面氣膜的厚度。2007 年陳碧鳳[34]以反應釜旋轉軸密封為對象，運用傳統機械密封相關理論分析了一種剖分式機械密封的機理及性能，建立了氯化反應釜用剖分式機械密封模型，通過有限元分析，得到了密封環、密封圈及傳動套的應力分佈及受力變形。2009 年Boyson[35]指出密封壓力增加不僅導致更大的變形，還會使密封半環產生相對位移，故需進行更精確的受力分析，同時提出用剖分式機械密封取代填料密封時，藉助外周流體的離心作用可解決被密封介質含有大量固體雜質而破壞密封端面的情況（如泥漿等），並運用 CFD 流體仿真技術得出密封環周圍流體各區域的流速，據此對剖分式密封環進行了結構優化設計。同年陳碧鳳和楊啟明[36]利用螺旋密封的“泵送效應”來抵消密封部分壓力差，使其所設計的氯化反應釜用剖分式機械密封在較高的工作壓力下獲得了良好的密封效果。2013 年王洪羣等[30]用剖分式矩形截面O形圈解決了圓形截面剖分式O形圈無法保證密封圈各處的連續性、變形量的一致性及要求的可伸縮性的不足，並用實驗證明了軸向與徑向密封的剖分式矩形截面彈性密封圈的密封有效性。2014 年陶凱等[37]

考慮了螺釘預緊力、介質壓力和彈簧比壓對剖分式機械密封剖分面變形的綜合影響，運用有限元方法求解了綜合外力作用下密封端面及剖分面的變形，指出在一定範圍內，通過增大螺釘預緊力可有效提高剖分面的連接緊密性。

這些研究針對剖分式機械密封的各種應用場合，探討了不同工況下密封環的變形規律，提出了具體的結構優化參數，為剖分式機械密封的工程應用提供了理論依據，但並未涉及設計理論、密封技術標準，也未能解決性能測試技術和製造技術。可見，剖分式機械密封理論研究存在着巨大的空間。

3 剖分式機械密封的應用現狀

早在五十年前，剖分式機械密封便出現在海軍艦艇和潛艇的螺旋槳傳動軸上[38],因其維修簡單快捷及附加費用少，1986 年開始應用於世界各地的加工工業[1].

1978 年，美國 Crane Packing 公司的 RobertBezak 介紹了一種剖分式機械密封，成功應用於美國 North Eastern 造紙廠，運行參數包括室温、低水頭壓力、152.4mm 的軸徑、200r/min 的轉速及 70%黏稠度混凝土被密封介質，運行中無泄漏，安裝時間是原使用填料密封的 1/3,此外填料密封壽命為兩週，而該剖分式機械密封的壽命預計可超過五年[13].1998 年，華盛頓郎維尤纖維廠（LongviewFibre）為解決填料密封所帶來的一系列問題，在1995 年首次引入了 John Crane 公司的剖分式機械密封裝置，使用時温度控制在 82℃，壓力為 0.55MPa,轉速為1800r/min,軸徑為 7.375 英寸（約187.3mm），無泄漏產生，同時大幅度減少了維修、人力、清潔等費用[3].2003 年，國內合肥通用機械研究所對所設計的完全剖分式釜用機械密封進行了連續 5h 的試驗，結果表明該結構的適用壓力不超過 0.1MPa,在安慶石化公司應用時，安裝簡單，運行平穩，性能可靠[39].同年，英國的一家廢水泵站使用了 JohnCrane 公司的 3710 型集裝式剖分式機械密封，安裝時間與傳統整環式機械密封相比削減了近 90%[40],但資料中未給出實際運行參數。同年，Azibert 和Wu 等[33]

首次將剖分式機械密封用作氣密封，密封介質為 CO,過程氣體壓力 0.24MPa,温度為 150℃，阻礙流體壓力 0.35MPa,軸徑 90mm,轉速為1800r/min,運行 4.5h 後，CO 氣體温度為 140℃，端面温度在 60℃維持了 2h,無 CO 氣體泄漏，且該作者寫作時運行已超過 3500h[32],但 3500h 後的運行情況未知，測試時間短，不能判定是否可用於實際生產。2010 年，國內浙江長城有限公司對釜用完全剖分式機械密封進行了改進研究，按照國家標準在 FST 釜用機械密封試驗枱上進行了試驗，結果符合泄漏要求[41].同年，Cherston 公司報道，所設計製造的442型剖分式機械密封裝置2002年在美國一個水電站 12MW 的渦輪機上首次應用，軸徑為610mm,轉速 100r/min,介質為 0.3MPa 河水，使用超過 7 年；在澳大利亞的一個火力發電站使用時，軸徑為 300mm,泵轉速為 900r/min,介質為 0.7MPa未淨化水，使用超過九年；為滿足一家能源公司的使用需求，將剖分式機械密封與一個整體泵送環相配合，克服了高温水介質所帶來的問題，利用正驅動和標準捕捉墊片（captured gasket）可承受 3MPa介質壓力[38],但這些案例中均未給出具體泄漏量，且第三個案例未給出使用壽命和軸徑等參數。

以上綜述了幾乎所有可蒐集到的關於剖分式機械密封實際應用的資料，可見，國內外對剖分式機械密封的應用並不多，且工況參數較低。

4 存在的問題及面臨的關鍵技術

剖分式機械密封之所以不能廣泛應用於工業生產，主要還是因為缺乏設計理論、加工製造工藝、密封技術標準和性能測試技術。

4.1 結構及其設計方法

目前，剖分式機械密封均為動、靜環外加箍環，動、靜環表面為平面結構，依據經驗設計。由於剖分面的存在，使得零部件多，安裝時需要藉助專用的定位工具以保證端面平面度精度，以及採用各種墊片或 O 形圈以實現剖分面的密封；而零部件的增多，使得安裝過程繁瑣；如果遇到難以拆卸的裝置，如泵等，傳統剖分式機械密封安裝會受到空間的限制，導致耗時、低產。集裝式剖分式機械密封的出現較好地解決了這些問題[5],遺憾的是至今仍僅適用於參數較低的工況，如文獻[30]中所密封的氣體11800r/min.因此，如何採用集裝式剖分式機械密封結構形式，提高其運行工況參數，將是科技工作者努力攻關的課題。這一目標的實現，需要系統研究設計方法，如採用反變形法設計來實現端面及剖分面的零變形，開發密封端面型槽結構提高剖分式機械密封的抗磨能力等。

4.2 理論模型（温度、膜壓、變形和泄漏率）

剖分式機械密封與傳統機械密封的工作原理相似，均為動、靜環端面貼合形成足夠的端面比壓而密封。

機械密封設計方法的建立，需要開展端面温度、膜壓、變形和泄漏率等理論模型的研究。儘管傳統的整環式機械密封的端面温度、膜壓、變形和泄漏率模型已很成熟，但剖分面的存在打破了動、靜環整體結構的連續性和軸對稱性，使得這些模型失去了應有的應用條件。

由於端面温度、端面膜壓、介質壓力對密封端面和剖分面的變形以及剖分面的形變對密封端面變形的影響，使得剖分式密封環温度、膜壓、變形和泄漏率理論模型的建立變得十分複雜。亟待解決的關鍵問題是探尋非連續剖分環端面温度分佈函數，建立基於有限元理論的剖分式機械密封熱-力耦合變形模型，端面或剖分面微通道內流體流動及控制模型，以及温度場與壓力場中密封端面及剖分面形變的泄漏率模型。針對上述觀點作如下解釋：因剖分環整環特性的喪失使得圓環理論不可再用[42-43];結構複雜性的增加致使邊界元理論不再適用[44];考慮到剖分環變形由多物理場綜合作用，從而殼體力矩理論也不再適用[45],故而採用有限元理論建立變形模型。

4.3 測量方法

先進的測量方法是考核剖分式機械密封性能的保障。剖分機械密封性能參數主要有端面温度、變形和泄漏率。

4.3.1 端面温度測量與傳統機械密封一樣，剖分式機械密封工作時亦會發生端面摩擦生熱。密封環徑向、周向及軸向温度梯度引發端面及剖分面熱變形，加劇摩擦磨損及泄漏，使得以監測和控制端面温升為目的進行端面温度測量至關重要。

儘管傳統機械密封端面温度測量方法同樣適用於剖分式機械密封，但傳統測量方法本身也並非完善，主要是因為表面温度在摩擦副表面脱離後只能維繫幾毫秒，難以通過移開對偶面進行測量。部分研究人員在不移開密封環的前提下，基於紅外成像技術，以透明材質的靜密封環作為試件，對運行中密封試件的端面温度進行實時測量[46-47],但該方法要求一個密封環為透明材質，並不適用於實際生產應用中機械密封的測量。目前被普遍採用的方法是在靜環背部加工軸向盲孔，插入熱電偶傳感器，採集温度值後進行擬合處理以獲得端面温度的熱電偶法[48],存在的問題是，傳感器與密封端面間存在一定距離，使得測量結果不夠準確，且佈線繁亂。為解決佈線繁亂問題，Gupta 等[49]基於温度誘導磁場改變的原理，利用霍爾效應傳感器感應永久磁鐵中磁場的變化進而測得温度變化的方法，發明了一種無線温度傳感器，並用實驗證明了其測量結果的有效性，但無線温度傳感器存在的磁鐵高温嚴重失磁問題，極大地限制了其實用性和可靠性。因此，未來有待於將温度傳感器與其他先進技術相結合，探索一種直接測量摩擦表面温度、使用壽命長的端面温度測量技術，如發明一種採用基於紅外或聲表面波的無線温度傳感器進行密封端面温度測量的方法。

4.3.2 變形測量剖分式機械密封的變形主要表現為由物理原因、安裝錯誤及產品瑕疵所導致的密封端面及剖分面的開啟。通常後兩者可通過嚴格的診斷得以消除，但解決由前者所引發的剖分環變形則困難的多，主要是因為物理原因繁多，包括端面摩擦生熱、彈性密封圈收縮與膨脹、軸振動等，且在加工與安裝良好條件下，此類變形通常為微變形，而剖分面的引入更增加了變形的複雜性，因此難以測量並加以控制，現今還沒有效的'測量方法。

李鯤等[50]在靜環端面所開槽內裝入銅片，黏結牢固後磨平端面，通過固定在動環上的非接觸式位移傳感器，較準確地獲得了密封環端面的變形值；Brunetière 等[51]基於紅外成像技術對靜環為紅外可穿透材質的機械密封的變形進行了測量，得出模擬結果與試驗結 果相符 ;Liu 等[52]採用 Ramanspectrum 三維輪廓儀對運行結束的密封環端面表面形貌進行測量，獲得了其表面粗糙度的三維形態和數值，通過分析粗糙度值得到了端面變形後的形狀及變形值。但是，這些方法一方面需要苛刻的測試環境，造成測試結果的不穩定性與不確定性；另一方面，測量過程中未能考慮密封環端面變形是一個動態過程。對於剖分式機械密封，無論是伴隨摩擦磨損的密封端面，還是失去連續性的剖分面，在摩擦熱、介質壓力以及端面比載荷的作用下，都會產生變形，且隨着摩擦熱、介質壓力以及端面比載荷的變化而變化，這無疑增加了測量環境的複雜性和測量方法的應用難度。因此，設計出簡單、有效、可實現剖分式機械密封微變形的動態測量方法是未來的努力方向。

4.3.3 泄漏率測量剖分式機械密封的剖分面變形使得泄漏通道變多，結構非連續性加劇了密封環的應力分佈不均而引發更大的變形，導致泄漏比同工況下的傳統機械密封多得多，而機械密封泄漏構成健康、安全和環境隱患，因此如何掌握泄漏動態以採取措施消除泄漏成為剖分式機械密封技術研究的關鍵。

儘管剖分式機械密封的泄漏由端面泄漏率和剖分面泄漏率組成，但總體泄漏率仍可採用與傳統整環式機械密封相同的泄漏測量方法測量。當密封介質為流體時，採用規定時間內收集的泄漏液體的體積或質量來測量泄漏量，如量杯測量方法、電子天平或稱重傳感器測量法，泄漏大時也可通過統計泄漏液滴數計量；當介質為氣體時，可附加密封腔體，採用狀態方程法測量[53].

獨立測量運轉狀態下剖分式機械密封的端面泄漏率和剖分面泄漏率，面臨着示蹤粒子的流動跟隨性、成像可見性、投放布撒技術和 PTV（particletracking velocimetry）算法等問題。

4.4 技術標準

結構差異使得傳統機械密封的密封性能指標不再適用於剖分式機械密封。至今，剖分式機械密封仍然沒有建立相應的標準，如試驗方法、尺寸規格、性能指標等。實際上，技術標準是判定剖分式機械密封設計是否合理、性能是否滿足使用要求的依據。

建立剖分式機械密封技術標準需要解決的關鍵問題包括：用户對剖分式機械密封性能的期望值、現階段測試技術，製造能力調研，技術標準表徵方法等。

4.5 製造關鍵技術

剖分式機械密封的剖分面加工方法的選擇直接影響到密封端面的平面度和密封環圓度。整環剖分成半環後，內應力重新分佈和剖分面緊密性連接所施加的載荷，都會改變剖分面的平直度、環的圓度以及剖分面與端面的垂直度，極大地影響剖分式機械密封的性能。

限制剖分式機械密封高效、經濟、優質製造的瓶頸主要有內應力處理方法、經濟性加工方法的開發、提高加工精度的加工工藝的制定等。

5 結 語

剖分式機械密封解決了填料密封與軸或軸套之間的摩擦問題，克服了整環式機械密封裝拆時需要拆卸軸端零部件的困難。要提升剖分式機械密封技術的發展空間和應用前景，一方面需要分析剖分面割斷密封環結構連續性對密封性能及製造帶來的影響，提出新穎的剖分面和端面結構以及剖分式機械密封系統設計方法；另一方面，需要加強剖分式機械密封理論研究及其技術開發，包括：温度、變形和泄漏率理論模型，端面温度測量、變形和泄漏率測量技術，技術標準，製造關鍵技術。