核主泵機(jī)械密封輔助O形密封圈摩擦學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究

鄭嘉榕 文 學(xué) 楊全超 向先保 孟祥鎧

(1.福建福清核電有限公司 福建福清 350318；2.浙江工業(yè)大學(xué)過程裝備及其再制造教育部工程研究中心 浙江杭州 310032)

核主泵用流體動壓型機(jī)械密封起到防止核主泵內(nèi)含有放射性物質(zhì)的高溫、高壓水的泄漏，其安全性和可靠性對核電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的影響[1-8]。核主泵用機(jī)械密封第三級輔助密封圈安裝于靜環(huán)組件與密封法蘭(插入件)之間，起到防止水沿兩者間的縫隙泄漏的作用，并兼有吸振的功能，是核主泵用機(jī)械密封的關(guān)鍵輔助部件。現(xiàn)場使用發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過一定的使用周期后，機(jī)械密封插入件與O形密封圈接觸部位出現(xiàn)了嚴(yán)重的磨損，影響了機(jī)械密封的正常工作狀態(tài)，致使第三級密封前壓力升高，泄漏率升高，嚴(yán)重影響了核電站的安全運(yùn)行。

針對核主泵機(jī)械密封輔助密封圈，劉瑩等人[9]采用SRV摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對三元乙丙橡膠與具有DLC涂層的鋼配偶件進(jìn)行対磨，獲得了密封材料的摩擦因數(shù)隨潤滑狀態(tài)、載荷、溫度及滑動速度的變化規(guī)律。鄭金鵬等[10]建立了輔助密封圈的有限元分析模型，研究了位移幅值、密封介質(zhì)壓力、壓縮率及摩擦因數(shù)等對其微動特性的影響，指出O形密封圈在黏著狀態(tài)下的綜合性能最佳。廖傳軍等[11]針對核主泵用流體靜壓型機(jī)械密封中的O形密封圈，系統(tǒng)探討了其初始壓縮和受載壓縮2種狀態(tài)下幾何與力學(xué)特性的分析模型和計(jì)算方法，結(jié)合軸封系統(tǒng)，給出了O形密封圈結(jié)構(gòu)參數(shù)、接觸幾何參數(shù)和力學(xué)參數(shù)的計(jì)算方法。

為便于輔助密封圈的安裝，現(xiàn)場一般需在O形密封圈表面涂抹硅脂以降低安裝時(shí)的摩擦力。為分析涂抹硅脂對輔助密封圈正常工作性能的影響，本文作者在前人對橡膠進(jìn)行的摩擦學(xué)性能研究基礎(chǔ)上[12-16]，對機(jī)械密封輔助系統(tǒng)中O形密封圈摩擦性能做了進(jìn)一步研究，評估安裝前涂抹潤滑脂在輔助密封系統(tǒng)服役過程中所起到的潤滑作用。重點(diǎn)分析了干摩擦狀態(tài)及脂潤滑兩種狀態(tài)下的摩擦因數(shù)與滑移速度之間的關(guān)系，并評估安裝前涂抹潤滑脂潤滑的必要性及其在密封服役過程中的潤滑作用，研究結(jié)果可為揭示輔助密封失效機(jī)制提供理論指導(dǎo)，并為核電站主泵機(jī)械密封的現(xiàn)場維護(hù)提供幫助。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料及制備

采用與輔助密封圈/插入件接觸方式相同的柱-面接觸，以核電站現(xiàn)行服役的三元乙丙橡膠(EPDM)O形密封圈/316L不銹鋼平面為研究對象。其中，橡膠柱面由現(xiàn)役核電站采用的O形密封圈(截面直徑5.33 mm，邵氏硬度70)截成10 mm長的圓柱作為上試樣，如圖1所示。

圖1 輔助O形密封圈

下試樣采用316L不銹鋼制備的平面試塊，尺寸為40 mm×30 mm×10 mm，其摩擦配對面粗糙度控制在Ra0.4 μm左右。試驗(yàn)前，將不銹鋼對偶件放入丙酮中進(jìn)行超聲波清洗以去除表面油,干燥后備用；橡膠柱面上試樣用去離子水清洗以去除表面灰塵并干燥。試驗(yàn)所用潤滑脂為核電站安裝O形密封圈所使用的潤滑脂，型號為MOLYKOTE 111。

1.2 試驗(yàn)方法

如圖2所示為流體動壓型機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖，其密封動環(huán)組件安裝于核主泵主軸上并隨軸旋轉(zhuǎn)，由于主泵軸的軸向跳動，密封動環(huán)組件也隨之沿軸向方向做微小運(yùn)動，而密封靜環(huán)在密封介質(zhì)靜壓力和密封端面間液膜流體動壓作用下跟隨密封動環(huán)組件而產(chǎn)生軸向運(yùn)動，因此輔助O形密封圈也處于軸向往復(fù)微動狀態(tài)之下。圖3所示為輔助密封結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意

圖3 輔助密封結(jié)構(gòu)示意

為模擬輔助密封圈的運(yùn)動狀態(tài)，借助UMT-3多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，建立了如圖4所示的試驗(yàn)?zāi)M裝置。下試樣在伺服電機(jī)的帶動下作往復(fù)運(yùn)動，從而模擬實(shí)際機(jī)械密封靜環(huán)組件的上下運(yùn)動，橡膠柱上試樣安裝于夾具內(nèi)，并與下試樣接觸，接觸力大小由上試樣夾具的伺服電機(jī)控制。試驗(yàn)參數(shù)選擇如下：往復(fù)位移D=0.2、0.5、1 mm，頻率f=0.5、1、4 Hz，法向載荷Fn=40 N；試驗(yàn)在大氣環(huán)境(溫度t=(25±1) ℃，相對濕度RH為55%±2%)下進(jìn)行。利用該實(shí)驗(yàn)臺，分別開展干摩擦狀態(tài)和脂潤滑狀態(tài)下輔助密封圈的摩擦學(xué)特性試驗(yàn)研究，其中脂潤滑試驗(yàn)前，先將定量潤滑脂均勻涂抹在配副金屬表面。

圖4 試驗(yàn)原理示意

2 結(jié)果與討論

2.1 干摩擦工況下摩擦因數(shù)時(shí)變分析

為研究輔助密封系統(tǒng)安裝完成后，潤滑脂的存在是否會潤滑O形密封圈/插入件摩擦副，文中首先測量了干摩擦狀態(tài)下，不同往復(fù)位移及不同頻率下O形密封圈與插入件之間的摩擦阻力，從而得出了O形輔助密封圈在干摩擦工況下的摩擦學(xué)性能。

圖5所示為在干摩擦狀態(tài)下，O形密封圈在不同往復(fù)頻率和不同往復(fù)位移幅值下的摩擦因數(shù)變化規(guī)律。

可見，在固定往復(fù)位移幅值和固定頻率下，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，摩擦因數(shù)先迅速增大，后趨于穩(wěn)定，這是由于試驗(yàn)啟動時(shí)，密封圈與不銹鋼對偶件摩擦生熱，溫度升高的過程中橡膠材質(zhì)本身的黏彈特性使得摩擦因數(shù)增大；隨著試驗(yàn)的延長，摩擦生熱量與系統(tǒng)的對流換熱量平衡時(shí)，摩擦因數(shù)不再增大并趨于穩(wěn)定值。

在文中試驗(yàn)條件下，雖然往復(fù)運(yùn)動頻率對摩擦因數(shù)的影響較小(如圖5(d)所示)，但過高的往復(fù)頻率增加了單位時(shí)間內(nèi)的摩擦運(yùn)動距離，將加劇密封圈和對偶件的磨損。從圖5(d)還可看出，在固定往復(fù)運(yùn)動頻率下，摩擦因數(shù)隨往復(fù)運(yùn)動幅值的增大而線性增大，摩擦因數(shù)由D=0.2 mm時(shí)的0.075左右增大為D=1 mm時(shí)的0.27左右。由此可見，隨著往復(fù)位移幅值的增大，O形密封圈由黏著狀態(tài)向滑移狀態(tài)逐漸過渡。這也表明控制核主泵主軸的軸向跳動不僅對機(jī)械密封端面有重要影響，對于輔助密封圈也有重要影響。

圖5 干摩擦條件下往復(fù)頻率及往復(fù)位移對摩擦因數(shù)的影響(40 N)

2.2 脂潤滑工況下摩擦因數(shù)時(shí)變分析

圖6所示為脂潤滑條件下，不同往復(fù)頻率和不同往復(fù)運(yùn)動幅值下的摩擦因數(shù)隨試驗(yàn)時(shí)間的變化情況。可見，在固定往復(fù)頻率和往復(fù)幅值下，摩擦因數(shù)先迅速增加至一定值后再緩慢增加至穩(wěn)定值。其主要原因是試驗(yàn)開始階段，摩擦副處于不穩(wěn)定狀態(tài)，摩擦因數(shù)快速增大；隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，不銹鋼表面的潤滑脂逐漸被O形密封圈排擠，從而造成摩擦界面的潤滑脂逐漸減少，其減摩效應(yīng)逐漸減弱，摩擦因數(shù)緩慢增加。對比圖5可見，在穩(wěn)定階段，脂潤滑條件下的摩擦因數(shù)接近于干摩擦狀態(tài)下的值，這也證明摩擦界面的潤滑脂已被擠出。從圖6(d)可發(fā)現(xiàn)在大往復(fù)運(yùn)動幅值下，往復(fù)頻率對摩擦因數(shù)具有一定的影響，摩擦因數(shù)隨往復(fù)頻率的增大而增大。這可能是因?yàn)橥磕ǖ臐櫥芡鶑?fù)運(yùn)動的影響被擠出而粘附于O形密封圈兩側(cè)，引起了摩擦因數(shù)的增大。

圖6 脂潤滑條件下往復(fù)頻率及往復(fù)位移對摩擦因數(shù)的影響(40 N)

2.3 脂潤滑效果評估

圖7所示為載荷40 N、往復(fù)頻率1 Hz、不同往復(fù)運(yùn)動幅值下O形輔助密封圈在干摩擦狀態(tài)和脂潤滑狀態(tài)下摩擦因數(shù)的對比。

圖7 不同往復(fù)位移下潤滑脂的減摩效果(40 N,1 Hz)

可見，當(dāng)往復(fù)運(yùn)動幅值較小時(shí)(D=0.2 mm)，O形密封圈處于黏著狀態(tài)，脂潤滑在一定程度上減小了摩擦因數(shù)，但減小程度有限；當(dāng)往復(fù)運(yùn)動幅值D=0.5 mm時(shí)，O形密封圈處于部分滑移區(qū)，脂潤滑狀態(tài)下摩擦因數(shù)略微大于干摩擦狀態(tài)；當(dāng)D=1 mm時(shí)，O形密封圈處于完全滑移區(qū)，脂潤滑狀態(tài)下摩擦因數(shù)小于干摩擦狀態(tài)，脂的減摩效果較為顯著。對于核主泵機(jī)械密封O形密封圈而言，泵主軸的軸向跳動一般不會超過0.1 mm，因此此時(shí)密封圈處于完全黏著狀態(tài)，硅脂對摩擦因數(shù)的減小作用不明顯，且隨著時(shí)間的延長，密封副接觸區(qū)的潤滑硅脂會被擠出，此外被擠出的硅脂集聚在O形密封圈背面支撐環(huán)處的較小間隙處，易吸納各種固體顆粒，從而對插入件或支撐環(huán)造成一定的磨損。

3 結(jié)論

(1)在干摩擦狀態(tài)下，O形密封圈與不銹鋼金屬對磨時(shí)，往復(fù)運(yùn)動頻率對摩擦因數(shù)影響不大，而往復(fù)運(yùn)動幅值影響較大，且隨幅值的增大摩擦因數(shù)線性增大。

(2)在脂潤滑狀態(tài)下，當(dāng)往復(fù)位移較小(D=0.2,0.5 mm)時(shí)，O形密封圈處于黏著狀態(tài)或部分滑移區(qū)，往復(fù)頻率對摩擦因數(shù)影響較??；當(dāng)往復(fù)位移達(dá)毫米級別(D=1 mm)時(shí)，O形密封圈處于完全滑移區(qū)，往復(fù)頻率的增大會使得密封界面的摩擦阻力變大。

(3)O形密封圈安裝所用的硅脂短時(shí)間內(nèi)可起到降低摩擦因數(shù)的效果，但隨著工作時(shí)間的延長，硅脂被從密封界面擠出，起不到降低摩擦因數(shù)，減小磨損的作用。

(4)為提高O形密封圈的使用壽命，減小插入件的磨損，應(yīng)盡量減小泵主軸的軸向跳動，使密封圈接觸界面處于黏著狀態(tài)。