為了方便穿套在旋轉(zhuǎn)軸上的密封環(huán)和輔助密封圈等元件的安裝, 人們開始從事剖分式機械密封技術(shù)研究。通過對剖分式機械密封技術(shù)近20年發(fā)展狀況的回顧與總結(jié), 發(fā)現(xiàn)剖分式機械密封之所以至今未能獲得推廣或只能應(yīng)用于工作參數(shù)較低的場合, 是因為缺乏對密封端面和分型面受熱受壓條件下變形與控制規(guī)律研究、以及分型面連接的緊密性分析, 無法保證密封設(shè)計與運行的可靠性。指出了今后一段時期剖分式機械密封理論研究、試驗研究和應(yīng)用研究的方向。

　　機械密封作為一種旋轉(zhuǎn)軸動密封, 因結(jié)構(gòu)簡單和性能穩(wěn)定, 被廣泛應(yīng)用于電力、船舶、航空航天、石油化工等領(lǐng)域的裝置上。人們通過改進密封端面結(jié)構(gòu), 改變摩擦副組對材料, 加強沖洗、冷卻等力圖延長機械密封壽命。然而, 工作條件不同和環(huán)境變化,以及工作過程中動、靜環(huán)密封端面間存在著的摩擦磨損(對于非接觸式機械密封, 在開停車階段或介質(zhì)參數(shù)發(fā)生變化時, 也存在摩擦磨損) , 在造成端面或其他零部件損壞, 引起泄漏率超標后, 終將導(dǎo)致停機修理或更換機械密封。由于穿套在旋轉(zhuǎn)軸上的機械密封, 其基體包括密封環(huán)和輔助密封圈的形狀是閉合環(huán)形, 拆卸修理或更換時需要卸下軸一端的配合件, 工程量大、時間長、費用高。真空技術(shù)網(wǎng)有關(guān)文章表明, 機器設(shè)備維修中有40%～50%的工作量用于軸封的維修,大約有70%的維修費用于處理相關(guān)機器的密封故障。

　　為此, 自20世紀90年代初就有人開始進行結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便的剖分式機械密封研究, 但至今少有應(yīng)用。

　　本文作者旨在對近20年剖分式機械密封技術(shù)發(fā)展狀況進行歸納總結(jié), 從中找出制約研究的瓶頸, 指出剖分式機械密封技術(shù)今后的努力方向, 為這一技術(shù)獲得安全可靠的工程應(yīng)用與推廣提供借鑒。

1、剖分式機械密封及其結(jié)構(gòu)

　　剖分式機械密封是將做成周向?qū)﹂_或多瓣的環(huán)(包括動環(huán)座、動環(huán)支撐、動環(huán)、靜環(huán)、靜環(huán)支撐、靜環(huán)座),用接插銷釘連接或圍簧箍住形成整體, 再配以開口密封圈和彈性元件組成的密封件。除密封環(huán)與支撐座存在剖分面外, 其工作原理、結(jié)構(gòu)與普通機械密封均相同。按端面狀態(tài)不同也分為平行端面和改型端面剖分式機械密封。安裝剖分式機械密封無需拆卸泵或聯(lián)軸器、方便快捷, 停機時間短。圖1為對開剖分式平行端面機械密封。圖中裝配工具是為了方便地將動、靜環(huán)分別裝入動環(huán)支撐和靜環(huán)支撐而專門設(shè)計的。安裝時, 先將裝配工具置于軸上并用圍簧箍住形成整體, 再分別將動環(huán)支撐、動環(huán)、靜環(huán)和靜環(huán)支撐放置于軸上并用接插銷釘連接(圖中未注出) , 將扣式或插口式密封圈連接好外套在動、靜環(huán)上。然后利用裝配工具將動環(huán)和靜環(huán)分別插入動環(huán)支撐和靜環(huán)支撐。將動環(huán)座和靜環(huán)座分別穿套在軸上并連接好,在動環(huán)座與動環(huán)間放置小彈簧, 在動環(huán)支撐和軸之間、靜環(huán)和靜環(huán)座之間裝入扣式或插口式密封圈。剖分式機械密封安裝在機殼中的狀態(tài)如圖2所示。

2、研究狀況

　　1991年日本Nagai Yataro等發(fā)明了“帶有剖分環(huán)的機械密封”, 其密封環(huán)被一個帶預(yù)制溝槽的支撐環(huán)覆蓋住, 用“O”環(huán)鑲嵌在預(yù)制的槽中。1994年美國拉多薩夫等發(fā)明了一種“剖分式機械密封”,其動、靜環(huán)由許多弓形環(huán)段形成, 分別置于兩個對開式托架裝置中, 托架剖分面用螺栓連接成一體, 剛性支持著動、靜環(huán)。1997年Bessette等發(fā)明的“完全剖分集裝式機械密封”, 由兩個部分組成, 每部分依據(jù)集裝式設(shè)計標準設(shè)計。裝配采用定位螺絲把密封裝配固定在轉(zhuǎn)軸上, 用套筒和槽來固定靜組件于密封腔上。結(jié)構(gòu)非常簡單、操作方便、安裝時無需測量或推測工作。Reagan發(fā)明了“剖分式機械密封環(huán)及其使用”, 這種環(huán)至少分為兩瓣, 并用特殊對準夾具對齊。在每個環(huán)段剖分面上有一個弧形凹槽, 把對準夾具放入一個環(huán)段剖分面上的弧形凹槽內(nèi)并固定, 以便能進行另一環(huán)段剖分面的固定。安裝時, 必須確保每個環(huán)段對中, 以便在安裝操作時, 盡可能地減少對準夾具對密封環(huán)損害, 并盡可能地減少泄漏造成的不對中。盡管如此, 剖分式機械密封并未獲得真正的應(yīng)用。直到2003年才由德國Burgmann公司生產(chǎn)出產(chǎn)品并應(yīng)用于水處理、制漿和發(fā)電等工業(yè)裝置中。2007年美國Giard發(fā)明了“剖分式機械復(fù)合密封裝置”,同年Boyson提出了離心流體裝置用剖分式密封技術(shù)的可靠性問題, 指出要使得剖分式密封能被廣泛使用, 需要尋找更大的密封壓力適用范圍。然而, 提高密封壓力所增加的應(yīng)力不僅導(dǎo)致整個組件產(chǎn)生較大變形, 而且也使剖分環(huán)瓣產(chǎn)生相對運動, 需要對所使用的材料進行非線性變形和應(yīng)力計算。國內(nèi)馬衛(wèi)東開展剖分式機械密封研究較早, 2000 年發(fā)明了一種用于大型反應(yīng)釜和大型泵的分體式機械密封, 其動環(huán)通過推環(huán)、傳動環(huán)固定成一體, 動環(huán)、推環(huán)、傳動環(huán)均由對稱兩部分組成、且分別由具有斜面的兩個半夾緊環(huán)固定; 靜環(huán)、靜環(huán)座、壓緊螺母固定為一體, 靜環(huán)、靜環(huán)座上的具有斜面的兩個半夾緊環(huán)夾緊。2003年合肥通用機械研究所對剖分式機械密封進行試驗和工程應(yīng)用研究后, 指出目前研制的完全剖分式機械密封只適用于工作參數(shù)(壓力、溫度) 低的工況, 要提高其工作參數(shù), 還需進行更為深入的研究。

　　2007年艾志工業(yè)技術(shù)集團公司報道了其成功地將CHESTERTON442剖分式機械密封應(yīng)用于大亞灣核電站工況為出口壓力0.5MPa, 溫度小于50 ℃的冷卻循環(huán)水泵的情況。2008年楊啟明等開展了反應(yīng)釜用剖分式機械密封設(shè)計研究, 利用有限元法分析了輔助密封圈的應(yīng)力應(yīng)變狀況, 提出了兩種分型面連接結(jié)構(gòu)。

3、存在的問題

　　通過上述分析可以看出, 這些研究給大型機器設(shè)備端面密封修理或更換帶來了極大的便利, 解決了剖分式機械密封設(shè)計的可行性問題。但其研究的重點主要集中在動環(huán)、靜環(huán)及輔助密封圈分型面的連接, 均未考慮端面摩擦熱、外力引起的形變對泄漏率、端面摩擦磨損及分型面連接緊密性的影響。實際上, 剖分式機械密封基本問題包括泄漏率、端面磨損率和分型面的緊密性。分型面的存在, 不僅打破了整體密封環(huán)的結(jié)構(gòu)連續(xù)性, 形成軸向泄漏通道, 而且也改變了端面受熱受壓后的變形規(guī)律。之所以剖分式機械密封至今未能得到更廣泛的應(yīng)用, 或只能應(yīng)用于工作參數(shù)較低的場合, 是因為在解決了分型面的連接問題之后,缺乏對密封端面和分型面受熱受壓后變形規(guī)律的認識、以及分型面連接的緊密性分析, 無法保證密封設(shè)計與運行的可靠性。要解決設(shè)計與運行的可靠性問題, 使剖分式機械密封更好地應(yīng)用于工業(yè)裝置, 有必要深入開展剖分式機械密封理論與應(yīng)用技術(shù)研究。