張 峰，楊大昱，李正大，宋 勇，王 良

(西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

機(jī)械密封是由至少一對垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的端面在液體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)彈力(或磁)的作用以及輔助密封的配合下保持貼合并相對滑動而構(gòu)成的防止流體泄漏的裝置。機(jī)械密封有著工作可靠、泄漏量少、使用壽命長、適用范廣等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用，由于核電和宇航的需要，高參數(shù)機(jī)械密封發(fā)展較快。機(jī)械密封作為液體火箭發(fā)動機(jī)渦輪泵的重要組件，起著隔離介質(zhì)和壓力腔的作用，具有高轉(zhuǎn)速、高壓力、高振動及介質(zhì)特殊等特點(diǎn)。

1 機(jī)械密封故障概述與分析

某氧化劑泵端面密封的石墨材料因廠家原因不再生產(chǎn)，某次發(fā)動機(jī)渦輪泵試車中搭載了新型石墨材料，工作中出現(xiàn)了油腔壓力異常，Ⅱ級密封嚴(yán)重磨損的問題，磨損過程造成參數(shù)波動。對該故障現(xiàn)象進(jìn)行了研究，對故障機(jī)理進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，提出了改進(jìn)措施。

某預(yù)研項(xiàng)目中渦輪泵機(jī)械密封布局見圖1所示。

1-泵輪；2-軸承；3-Ⅰ級密封；4-Ⅱ級密封；5-渦輪；6-潤滑油腔

為保證絕對密封，在氧化劑泵和渦輪之間設(shè)置了兩級機(jī)械密封裝置，用于隔離氧化劑N2O4與高溫燃?xì)?。其中Ⅰ級密封采用彈簧式密封，Ⅱ級密封焊接波紋管密封，摩擦副采用石墨靜環(huán)配對9Cr18動環(huán)。Ⅰ級密封和Ⅱ級密封之間為潤滑油腔，該腔為封閉腔，工作時加注有性能穩(wěn)定的潤滑油，主要起潤滑作用。

渦輪泵機(jī)械密封的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 渦輪泵機(jī)械密封設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2為渦輪泵試車中油腔壓力變化曲線，機(jī)械密封正常工作時油腔壓力約為0.8 MPa，在該項(xiàng)目研制試車中渦輪泵工作19 s時油腔壓力p2瞬間達(dá)到5 MPa，說明此時Ⅰ級密封出現(xiàn)不穩(wěn)定工作。渦輪泵分解后發(fā)現(xiàn)Ⅰ級密封靜環(huán)石墨磨損嚴(yán)重，Ⅱ級密封彈性元件失彈，對磨金屬動環(huán)密封面出現(xiàn)0.8 mm深環(huán)形溝槽。

圖2 渦輪泵試車中油腔壓力變化曲線

Ⅱ級密封破壞機(jī)理如下：液態(tài)N2O4作為液體火箭發(fā)動機(jī)渦輪泵常用氧化劑，具有強(qiáng)氧化性、高飽和蒸汽壓、易揮發(fā)，沸點(diǎn)只有21.15 ℃，其飽和蒸汽壓在100 ℃時達(dá)到2 MPa。

工作中Ⅰ級端面密封一旦出現(xiàn)微量N2O4泄漏到油腔，泄漏的N2O4在密封副摩擦熱的作用下，迅速汽化膨脹，油腔壓力p2出現(xiàn)高壓，使Ⅱ級密封端面比壓增大，運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證p2壓力達(dá)到3 MPa以上時將破壞Ⅱ級密封摩擦副液膜，石墨環(huán)在高比壓、高溫、干摩擦下將對磨動環(huán)磨出溝槽，使密封破壞，壓力也將隨之泄出。

2 密封泄漏原因分析

2.1 石墨材料物理性能

石墨材料具有優(yōu)良的潤滑、導(dǎo)熱性能，良好的耐高溫、耐低溫、耐腐蝕性能和一定的機(jī)械強(qiáng)度，廣泛用于機(jī)械密封摩擦副材料。發(fā)動機(jī)渦輪泵中用于密封氧化劑的機(jī)械密封摩擦副軟面材料主要為碳石墨材料。為了便于區(qū)別和分析，取原來配套的石墨材料，編號1#；本文密封故障使用的石墨材料，編號為2#；新型炭黑基石墨材料，編號3#。其中1#和3#是以高耐磨炭黑為主要材料的石墨，2#是以焦炭粉為主要材料的石墨，三種石墨材料均屬于浸漬酚醛樹脂的高強(qiáng)高密模壓型石墨材料。

表2中列出了石墨材料作為機(jī)械密封摩擦副材料主要機(jī)械物理性能參數(shù)。從數(shù)據(jù)對比來看，其機(jī)械性能指標(biāo)基本在一個水平。物理性能參數(shù)1#和3#基本相同，2#石墨導(dǎo)熱系數(shù)和石墨化度偏低。開口氣孔率1#和2#基本相同，3#石墨略大。

表2 石墨原材料機(jī)械物理性能指標(biāo)

對三種石墨進(jìn)行了元素分析，試驗(yàn)使用設(shè)備為X熒光光譜儀，檢測依據(jù)JY/T016-1996。從表3可以看出1#和3#石墨純度較高，雜質(zhì)較少。2#石墨表面存在雜質(zhì)較多，含有Mg，F(xiàn)e和Al等金屬元素。

表3 石墨元素分析

3#石墨與1#石墨同屬于炭黑基石墨，相比之下石墨化度相當(dāng)，導(dǎo)熱系數(shù)稍低，但是兩者表現(xiàn)出的密封性能也有差異。通過掃描電鏡(SEM)，對比石墨微觀形貌和結(jié)構(gòu)，找出了兩者差異性。采用設(shè)備為JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡，對1#和3#石墨斷面進(jìn)行了500倍掃描分析。通過SEM可以看出1#石墨基體密度均勻，結(jié)構(gòu)致密、細(xì)膩，基體連續(xù)性和整體性較好，見圖3(a)；3#石墨圖像呈云團(tuán)狀，密度分布不均勻，結(jié)構(gòu)比1#石墨粗糙、顆粒大，見圖3(b)?？梢娛牧辖M織結(jié)構(gòu)連續(xù)性、細(xì)膩程度的不同其表現(xiàn)的密封性能和摩擦磨損性能也不同。

同時對石墨材料微觀組織進(jìn)行500倍電鏡掃描和石墨環(huán)內(nèi)部無損探傷檢測，見圖4，可以看出浸漬碳石墨密度均勻，結(jié)構(gòu)致密、細(xì)膩，石墨材料整體性較好，石墨內(nèi)部不存在裂紋、空洞等缺陷。

圖3 石墨微觀組織

圖4 石墨微觀組織和無損探傷檢測

2.2 摩擦副材料特性分析

摩擦特性直接關(guān)系著密封性能的好壞，采用UMT-2多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，在PV值依次為10 MPa·m/s,20 MPa·m/s，30 MPa·m/s，35 MPa·m/s時，對2#石墨配對9Cr18動環(huán)進(jìn)行了350 s無潤滑條件下摩擦磨損特性試驗(yàn)，曲線見圖5。

圖5 摩擦副摩擦磨損特性曲線

由圖可以看出，PV值為10 MPa·m/s摩擦系數(shù)隨著試驗(yàn)時間而逐漸增加，其余三種PV值下的摩擦系數(shù)隨著試驗(yàn)時間先增大隨后逐漸減小，主要是因?yàn)檫\(yùn)轉(zhuǎn)前的摩擦系數(shù)需要克服靜摩擦，其數(shù)值較大；運(yùn)轉(zhuǎn)后經(jīng)過磨合，摩擦系數(shù)降低。摩擦系數(shù)曲線穩(wěn)定，說明石墨轉(zhuǎn)移膜均勻穩(wěn)定，摩擦性能較好。

2.3 介質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)

2.3.1 三種石墨的運(yùn)轉(zhuǎn)對比試驗(yàn)

介質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)將機(jī)械密封裝配至專用試驗(yàn)器中，其裝配狀態(tài)和渦輪泵相同，利用電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，使用N2O4介質(zhì)進(jìn)行回流冷卻進(jìn)行的機(jī)械密封運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)見表4。介質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)可以有效模擬渦輪泵試車對機(jī)械密封產(chǎn)品密封性能和密封副材料摩擦磨損性能進(jìn)行考核驗(yàn)證。

表4 N2O4介質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)參數(shù)

分別將1#石墨、2#石墨和3#石墨材料加工成密封靜環(huán)配對9Cr18材料動環(huán)，并配套其他雙道機(jī)械密封產(chǎn)品裝配于試驗(yàn)器中，對其分別各進(jìn)行一次介質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，驗(yàn)證石墨材料密封性能和摩擦磨損性能。圖6為介質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)油腔壓力變化對比曲線圖。

圖6 介質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)油腔壓力變化曲線對比圖

從圖6中三種石墨材料介質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)油腔壓力變化曲線對比可以看出，1#石墨材料油腔壓力變化平穩(wěn)，最高上升至0.15 MPa。2#石墨材料啟動后油腔壓力在70 s左右開始迅速爬升，上升至0.8 MPa，3#石墨材料啟動后油腔壓力平穩(wěn)，油腔壓力維持在0.1 MPa左右。從試驗(yàn)過程中油腔壓力曲線可以看出3#石墨材料泄漏最小，其次是1#石墨材料，2#石墨材料泄漏最大。2#石墨材料試驗(yàn)原理上復(fù)現(xiàn)了渦輪泵試車中的油腔壓力突升故障。機(jī)械密封分解后經(jīng)過測量1#和3#石墨磨損量為0.02 mm，2#石墨材料磨損量為0.2 mm。

2.3.2 鉬合金動環(huán)介質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)

鉬合金動環(huán)導(dǎo)熱系數(shù)為144.4 W/(m·K)，9Cr18動環(huán)導(dǎo)熱系數(shù)為14 W/(m·K),表5為不同動環(huán)材料在不同冷卻流量條件下，端面溫升仿真計(jì)算結(jié)果(計(jì)算時，假設(shè)密封比壓、轉(zhuǎn)速和工作時間均相同)?？梢钥闯鲈谙嗤ぷ鳁l件下，鉬合金動環(huán)端面溫升不到9Cr18動環(huán)端面溫升的50%。

表5 端面溫升仿真計(jì)算結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證石墨材料導(dǎo)熱系數(shù)對其密封性能的影響，對2#石墨材料配對鉬合金動環(huán)進(jìn)行介質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)和條件與以上試驗(yàn)相同。試驗(yàn)過程中油腔壓力曲線平穩(wěn)，最高0.12 MPa。測量Ⅰ級密封石墨材料磨損量為0.02 mm。說明了材料導(dǎo)熱性能良好的鉬合金動環(huán)可以改善密封工作環(huán)境，彌補(bǔ)石墨材料性能不足，減小機(jī)械密封泄漏。

3 機(jī)理分析

本文所述的雙端面密封為自潤滑接觸式平面機(jī)械密封，在工作過程中，由于摩擦，密封面處大量的熱量，就會造成摩擦副溫度急劇升高，密封面發(fā)生半干摩擦或者干摩擦，可能會造成石墨環(huán)燒損或者熱烈，引起端面密封不穩(wěn)定工作，甚至失效。圖7為端面密封石墨環(huán)溫度應(yīng)力示意圖。

端面摩擦熱的傳熱方向如圖7所示時有最大張應(yīng)力在端面上，見式(1):

(1)

式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；E為彈性模量，Pa；α為線膨脹系數(shù)，1/K；f為摩擦系數(shù)；pc為端面密封比壓，MPa；v為線速度，m/s；l為摩擦副厚度，mm。

圖7 端面密封石墨環(huán)溫度應(yīng)力分布

在相同的工作條件下，2#石墨密封面最大張應(yīng)力是1#和3#石墨的2.5倍左右，相比而言2#石墨密封面更加容易發(fā)生變形、出現(xiàn)干摩擦。

在試車過程中，端面密封在摩擦副端面產(chǎn)生大量的摩擦熱，2#石墨導(dǎo)熱系數(shù)較小，在工作轉(zhuǎn)速下Ⅰ級密封摩擦副出現(xiàn)半干摩擦或者干摩擦，大量摩擦熱聚集在密封端面，密封端面無法形成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移潤滑膜，動靜環(huán)端面摩擦磨損嚴(yán)重，端面溫度急劇升高，使Ⅰ級密封前介質(zhì)局部溫度高于該處介質(zhì)壓力下的飽和蒸汽壓溫度，進(jìn)而使端面部分汽化，Ⅰ級密封處于混合潤滑狀態(tài)，端面間局部產(chǎn)生高壓，導(dǎo)致整個密封端面大面積汽化，摩擦副瞬間開啟，介質(zhì)泄漏至油腔。

Ⅱ級密封采用焊接波紋管機(jī)械密封，密封正常工作時性能良好，泄漏的介質(zhì)被阻隔在油腔中，出現(xiàn)瞬間汽化，介質(zhì)在油腔迅速汽化膨脹，造成油腔壓力p2壓力瞬間異常升高，Ⅱ級密封端面比壓瞬間增大，為正常比壓的3-5倍。由摩擦功率公式(2)可得，密封摩擦功率與比壓成正比，比壓越大，摩擦功率越大

N=f·pc·v·A

(2)

式中：N為摩擦功率，kW；f為摩擦系數(shù)；pc為端面密封比壓，MPa；v為線速度，m/s；A為摩擦副環(huán)帶面積，mm2。

Ⅱ級密封摩擦副在高比壓、高轉(zhuǎn)速、高溫、干摩擦條件下，石墨環(huán)短時間內(nèi)將對磨動環(huán)磨出溝槽，使Ⅱ級密封破壞，油腔高壓p2瞬間得到釋放。

4 結(jié)論

1)試車中Ⅰ級端面密封工作不穩(wěn)定，造成介質(zhì)泄漏至油腔，介質(zhì)在密封副摩擦熱的作用下迅速汽化膨脹，產(chǎn)生高壓破壞機(jī)械密封。介質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)了試車中的密封故障，原因是端面石墨材料工作中不穩(wěn)定導(dǎo)致氧化劑泄漏引起。

2)石墨材料的導(dǎo)熱性能對機(jī)械密封工作起著重要作用，提高石墨材料的導(dǎo)熱性能可以提高密封工作穩(wěn)定性；利用鉬合金動環(huán)良好的導(dǎo)熱性與石墨材料配對，可以彌補(bǔ)石墨材料導(dǎo)熱性能和組織結(jié)構(gòu)上的不足，避免端面密封泄漏故障。