深冷泵轴端密封结构型式探讨

0 引言

深冷泵广泛应用于大型空间模拟装置、镀膜设备、电子束设备、高能物理研究装置以及石油化工、煤化工行业乙烯、空分等装置，用来输送液氧、液氮、液氩、液化天然气等低温液化气体。绝大多数液化气体具有腐蚀性和危险性，一旦泄漏，容易造成相关部位的结冰，带了安全隐患，所以不允许泄漏到外界。随着我国经济的快速发展和科研事业的进步，在工程应用和试验研究中，低温泵用量均日益增加，而目前低温泵市场大多被国外公司所垄断，如美国FLOWSERVER、瑞士SULZER、日本EBARA、法国CRYOSTAR等，目前石化产业已将低温泵列为实施装备自主化的重点设备。

1 深冷泵轴端密封工作的温度范围

物质温度范围在173.15K（-100℃）以上称为普冷，在173.15K（-100℃）至4.2K之间者，称为深冷，4.2K以下者，称为极低温[1]。深冷泵输送介质如液氧、液氮、液氢、液氦等在一个大气压下的沸点介于-183℃到-268.9℃之间，位于深冷温度范围。

2 深冷泵密封难点

低温设备为了保持所输送介质的液体状态，工作温度必须低于气体的沸点，否则将产生严重的气化，进而造成泵工作失效，同时还必须保持一定的压力和真空度。与常规轴端密封相比，深冷泵轴端密封主要有以下几方面特点[2-3]：

（1） 设备主体和密封材料，随着温度的降低，脆性大大增加；

（2） 低温设备密封往往与真空相关联；

（3） 低温介质极易气化，密封端面干摩擦运转，造成密封失效。

3 深冷泵轴端密封型式及特点

3.1 密封型式

典型深冷泵轴端密封主要包括填料密封、迷宫密封和机械密封三类，如图1~图3所示。填料密封主要用于往复式泵结构中，离心式泵多采用迷宫密封和机械密封结构。

图1 填料密封

图2 迷宫密封

图3 机械密封

3.2 各类密封型式特点

深冷泵轴端密封的结构形式的选择，主要取决于泵的结构和特性，也依赖于密封技术水平的发展。

1） 填料密封

在往复泵领域，目前主要采用软填料密封。填料密封是最早的一种密封结构，主要依靠压紧力使填料与轴紧密接触而取得密封效果，如图4所示。它结构简单，安装技术要求低，成本低，作为轴端密封的最初结构型式，在透平式和容积式的流体输送装备如水泵、离心和容积压缩机领域应用普遍，其主要作为轴端密封以及活塞结构的径向密封。

然而随着工业进步，各类装备对于泄漏、能量损耗以及环境指标等要求的不断提高，填料密封逐渐退出诸多领域，主要是由于填料密封自身寿命较低、可靠性不高、泄漏率较高等缺点，已逐步被其他的密封型式特别是端面密封所取代。虽然如此，由于填料密封本身所固有的结构简单、更换方便的特点，目前在部分领域如柱塞泵、阀门等工业中仍然有大面积应用，这主要是得益于新型复合材料的出现。

图4 填料的径向应力分布

2） 迷宫密封

迷宫密封是由一系列节流齿隙和膨胀空腔构成的非接触式密封型式，主要用于密封气体介质。迷宫密封的旋转组件和固定组件之间必须留有间隙，不能直接接触，密封效果的实现主要是借助于逐级降压衰减，使得密封介质无法大量溢出。正是迷宫密封的这一特点，迷宫密封可以应用于一些接触式密封无法使用的场合。如超高温、深冷、超高速等工况，迷宫密封也广泛用于透平机械级间密封。

由于迷宫密封的动静组件间隙较大，其泄漏量较大，且同时为了保证密封性能，轴向尺寸较长。对于深冷泵用密封，都要添加封气，即在迷宫密封引入外部气源，以对密封部位进行吹扫，形成气堵，减小泄漏，如图5所示。

图5 迷宫密封（带吹扫气）

3） 机械密封

机械密封是一种依靠弹性元件或磁性元件以及介质压力对动、静环端面进行压紧，同时借助于垫片、O形密封圈等辅助静密封，达到轴向密封作用的装置。机械密封从轴端密封发展历程来讲，应该属于继填料密封、迷宫密封之后的第三代密封。机械密封综合了填料密封和迷宫密封的优点，在轴端密封发展过程中，机械密封的出现使得轴端密封本身自成一体，可以独立于主机尽享工业发展成果，充分利用材料产业的技术进步，形成自成体系的学科门类，从而为机械密封技术的腾飞奠定了基础，使动密封的使用寿命和密封性能有了空前的提高。目前，机械密封是深冷泵应用最为广泛的一种轴端密封型式，也是轴端密封的发展方向。

在机械密封结构中，深冷泵轴端密封弹性元件通常采用焊接金属波纹管结构，相比于常规螺旋弹簧，金属波纹管弹力均匀，有很好的抗剪切和传递扭矩作用，能够有效地避免低温下的冷脆断裂。

4 深冷泵机械密封面临的难题与对策

密封技术是多学科、交叉融合的技术体系，涉及到流体力学、固体力学、摩擦学、热力学、材料学、机械科学等众多学科，存在着参数设计、端面微处理、选材、制造工艺等诸多难题。国外产品往往随进口设备进入国内市场，在使用中也存在使用寿命短、密封效果差、运行可靠性低等问题。综合来说，该类设备机械密封需要解决的主要问题有：

1） 材质问题

结构件、弹性元件、辅助密封和密封环等选材问题。在超低温工况下，无论是金属还是非金属材料，物理性能如刚度、强度、耐磨性等都发生变化，相应的在设计计算中，相关常数将不能采用常规经验值，这也是大多数深冷泵机械密封出现问题最多的地方。图6~图7为某液氮泵机械密封出现故障后的状态，从图中可以看出，机械密封端面出现了极端磨损。根据迈尔的理论[4]，在极低的温度状态下，机械密封环所出现的磨损，类似于真空状态下的磨损，甚至，摩察系数还要大于真空状态下摩擦系数，这对密封端面材料提出了更高的要求。

材质问题表现的另一方面是材料本身的质量及制造工艺水平问题。由于制造技术不成熟及成本限制，国产基材无论是金属还是非金属材料，综合性能均低于进口材料。同时，同种材料各批次化学成分或微观致密度也存在一定的差异，这对于常规机械密封影响不大，但对深冷设备用机械密封，将会导致密封环、弹性元件等的失效，尤其是焊接金属波纹管波片及其国产碳石墨材料[5]。出于可靠性因素，对于深冷设备用机械密封，无论是基体材料还是密封环材料，都建议采用进口材料。

图6 故障机械密封

图7 故障机械密封环

2） 制造工艺问题

制造工艺问题主要体现在密封关键部件弹性元件的特殊加工工艺、密封环加工工艺等问题。在深冷环境下，加工过程中所采用的热处理、焊接、密封环制造工艺是否合理，将会体现的更明显。图7中，由于密封制造工艺不到位，导致出现严重磨损。

3） 密封参数设计问题[6-7]

参数设计是机械密封设计的核心问题，主要包含反压系数、平衡系数、弹性元件刚度，端面宽度，弹簧比压和端面比压。对于常规机械密封，在设计中已形成较成熟的经验参数，但对于深冷设备用机械密封，平衡系数和密封面端面几何宽度是确定的，其他几项会随着温度的变化而发生变化。深冷工况轴端机械密封需要对密封端面进行改型，借助于端面微处理，即通过端面微槽、微孔点阵以及仿生造型等，以维持更好的密封性能。

4） 机械密封国产化问题

由于该类机械密封多随主机设备配套进口而来，在日常维护或现场问题的解决存在一定障碍，且进口机械密封配件价格高、供货周期长，因此需要对深冷泵用机械密封进行国产化研究，实现要求工况下机械密封长周期平稳运行[8]。

5 结论

深冷泵在国家科研、工程和航空航天领域有着广泛的应用，其在大部分流程中都是核心装备，深冷泵轴端密封是其最易出现故障的薄弱环节，而密封装置的可靠运行能够大大提升流程及主机运行的可靠性。

（1） 介绍了深冷泵用轴端密封的工作参数及难点；

（2） 根据深冷泵结构及密封发展水平，轴端密封主要有填料密封、迷宫密封及机械密封等型式；

（3） 分析了深冷泵机械密封面临的难题，提出了相应对策。