國外船用密封件應(yīng)用現(xiàn)狀及特點(diǎn)分析

汪曉菲，李佳佳，王娜娜

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

船用密封件主要用于船艇主輔機(jī)的冷卻、消防、壓載、艙底等系統(tǒng)中，是設(shè)備及管道連接處以防止其漏油、漏氣、漏水以及外界環(huán)境介質(zhì)侵入的基礎(chǔ)組件。當(dāng)前，各國船用密封件都在向高壓力、高耐磨性、高潤滑性和超高/低溫性等方向發(fā)展[1]。

1 國外船用密封件應(yīng)用現(xiàn)狀分析

1.1 軍船應(yīng)用

在軍船應(yīng)用領(lǐng)域，各國供應(yīng)商主要關(guān)注密封件的故障率及可維修性，傾向于研發(fā)抗腐蝕性良好、密封性好、壽命更長的密封件。在美國Huntington Ingalls工業(yè)公司的一級供應(yīng)商名單中[2]，主要有5家供應(yīng)商（見表1）為海軍提供船用密封件。其中，美國Fort Worth Gasket & Supply公司及美國Grayloc Products公司更專注于國防軍事領(lǐng)域，其產(chǎn)品符合多項(xiàng)軍用標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前，供應(yīng)商提供的產(chǎn)品多為傳統(tǒng)密封產(chǎn)品，如：O形密封圈和機(jī)械密封等，其中，美國Dresser-Rand公司可提供干氣密封這一新型密封技術(shù)。

表1 Huntington Ingalls 工業(yè)公司密封件一級供應(yīng)商

除此之外，美國Flowserve公司的GX-200非接觸式金屬波紋管干氣密封件也是值得重點(diǎn)關(guān)注的。

該密封件屬于加壓氣體屏障密封件，采用Flowserve非接觸式外裝式金屬波紋管雙端面技術(shù)，運(yùn)行參數(shù)為：壓力為1.38 MPa，溫度范圍為?260 ℃～?40 ℃，速度為2.5 m/s～35.0 m/s，軸徑為1 in～3 in（1 in＝2.54 cm）[3]；主要材料為合金C-276或合金718金屬，其防顆粒的特征最大程度地降低了污染，且可以在危險(xiǎn)事件中實(shí)現(xiàn)零排放。該型密封件在美國海軍“Spruance DD 963”級驅(qū)逐艦、“CG47”級巡洋艦和“DDG”級驅(qū)逐艦上得到了應(yīng)用，以解決燃油泄漏及密封件故障頻率上升的問題。該型密封件能在超過規(guī)定的1 000 h測試期限后繼續(xù)運(yùn)行，通過了海軍的技術(shù)要求。

1.2 民船應(yīng)用

目前，在民船領(lǐng)域，密封件技術(shù)規(guī)格要求一般參照美國材料與試驗(yàn)協(xié)會（American Society of Testing Materials，ASTM）和美國機(jī)動車工程師學(xué)會（Society of Automotive Engineers，SAE）等行業(yè)組織頒布的密封件工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如：ASTM F1511-18 Standard Specification for MechanicalSeals for Shipboard Pump Applications（船用泵機(jī)械密封件的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范）等的技術(shù)要求。因不同船型產(chǎn)生了許多專用密封件，并通過研發(fā)不同材料及技術(shù)來適應(yīng)各類船型對密封的需求。全球知名的密封件供應(yīng)商在民船領(lǐng)域主要專注于特殊應(yīng)用領(lǐng)域或船用配套設(shè)備細(xì)分產(chǎn)品方面，相關(guān)情況見表2。

表2 國外知名密封件供應(yīng)商基本情況表

續(xù)表2：

其中，美國Flowserve公司提供了多種用于船舶領(lǐng)域的密封件技術(shù)，主要為機(jī)械密封，如：金屬波紋管密封和推桿密封等；同時(shí)，也提供干氣密封等新型密封技術(shù)，并提供特種密封及漿液密封技術(shù)用于特殊船用領(lǐng)域。該公司設(shè)計(jì)的泥漿船專用SLC重載工礦集裝式推進(jìn)型密封（見圖1）的特點(diǎn)如下：密封固體含量比重達(dá)60%的漿液；采用非阻塞錐形彈簧設(shè)計(jì)；無動態(tài)O型圈被卡滯的現(xiàn)象；操作時(shí)無需沖洗，因而可降低運(yùn)行成本，避免對產(chǎn)品的稀釋。該密封件壓力達(dá)2.06 MPa，運(yùn)行溫度在?18 ℃～110 ℃，軸徑為32 mm～220 mm。

圖1 美國Flowserve 公司漿液密封件SLC 外形圖

瑞典SKF集團(tuán)的船舶密封件產(chǎn)品組合包括徑向軸密封件、Simplex艉軸管密封件、液壓密封和Simplex Centrax艙壁密封件等，應(yīng)用于螺旋槳、軸承、舵機(jī)、輔助設(shè)備和甲板設(shè)備等領(lǐng)域。其中，HMS5型及HMSA10型徑向軸密封件是根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6194-1及德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN 3760設(shè)計(jì)的，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。

1.3 特殊環(huán)境應(yīng)用

1）極地環(huán)境應(yīng)用

根據(jù)挪威·德國勞氏船級社（DNV·GL）于2015 年發(fā)布的PART 6 ADDITIONAL CLASS NOTATIONS CHAPTER 6 COLD CLIMATE相關(guān)章節(jié)提出了極地船密封件的基本要求：“密封應(yīng)防止污染物流出，并適合工作溫度。應(yīng)急計(jì)劃為防止故障條件下污染物的排放，應(yīng)記錄在案；密封件進(jìn)行型式認(rèn)證型或其他經(jīng)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)[4]?！痹贒NV GL 的嚴(yán)格要求下，英國Roxtec 公司于2018 年為英國RRS Sir David Attenborough 極地研究船提供密封解決方案，為使該船能夠在南極和北極的極端條件下運(yùn)行60 天，英國Roxtec 公司將密封件安裝在關(guān)鍵區(qū)域，包括機(jī)艙、發(fā)電機(jī)和外部照明設(shè)備等，同時(shí)密封件還提供一定的保護(hù)措施，使其免受多種危害，如：火災(zāi)、水、氣體、振動、電磁干擾和爆炸。

2）深潛環(huán)境應(yīng)用

深海裝備在深海高壓環(huán)境下需安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此其對密封件的要求較高。目前，美國Oceaneering 公司和法國MAUCOUR 公司等開展了深海環(huán)境下的密封件技術(shù)研究。其中，美國Oceaneering 公司開發(fā)了雙手柄液壓密封連接器（Hydraulic Double Grip and Seal Connector，HDGSC），該連接器通過在跨接管和現(xiàn)有海底管道之間建立連接件來滿足深水連接的要求，并提供深海管道修復(fù)解決方案（見圖2）。通過遙控?zé)o人潛水器（Remote Operated Vehicle，ROV）操縱HDGSC 實(shí)現(xiàn)海底閥芯件維修，進(jìn)而完成密封過程。

圖2 美國Oceaneering 公司雙手柄液壓密封連接器

圖3 法國MAUCOUR 公司深海密封件結(jié)構(gòu)圖

2 國外船用密封件應(yīng)用特點(diǎn)分析

2.1 注重聚氨酯、超高分子量聚乙烯、三元乙丙等密封新材料的應(yīng)用

隨著船用密封件使用要求的提高，密封新材料的研究與應(yīng)用也進(jìn)入新的階段。如德國Simrit公司獨(dú)家推出用自潤滑材料PU 92 AU 21100 聚氨酯PU 材料，具有良好的潤滑性，耐超低溫（可達(dá)?253℃）；而超高分子量聚乙烯的應(yīng)用，更是使其具有了一定的潤滑性、耐磨損和耐沖擊性等，被廣泛應(yīng)用于船舶領(lǐng)域；德國Freudenberg Sealing Technologies 公司研發(fā)出低溫三元乙丙橡膠LM426288 材料和耐低溫氟橡膠LM426776 材料，推出耐高低溫密封件。

2.2 加強(qiáng)干氣密封、磁流體密封、刷式密封等前沿密封技術(shù)的研發(fā)

當(dāng)前，密封產(chǎn)品不斷推陳出新，科研人員相繼研發(fā)出具有零泄漏、高性能、高可靠性及壽命長的干氣密封件、磁流體密封件、刷式密封等新興密封技術(shù)。如：美國Flowserve 公司推出了GX-200 非接觸式金屬波紋管干氣密封件，緩解了OEM 接觸式機(jī)械密封件無法達(dá)到燃油零泄漏要求，故障率較高的現(xiàn)狀。另外，為提高船舶航行速度，代替?zhèn)鹘y(tǒng)盤根密封的磁流體密封技術(shù)被用于艦船螺旋推進(jìn)器的主軸密封，使主軸功率損耗降低10%～40%。德國MTU 發(fā)動機(jī)公司已申請了刷式密封專利，這是一種高效阻尼密封，有效避免了因直接長時(shí)間高頻率與轉(zhuǎn)動部件碰磨后而導(dǎo)致密封件與轉(zhuǎn)動部件之間密封間隙永久性增大，一定程度上降低了燃油消耗、二氧化碳和氮氧化物排放。

2.3 重視耐高低溫、減阻性能好、壽命長等密封件性能的提升

國外企業(yè)通過研制新材料、新工藝、新設(shè)計(jì)等方面不斷提升密封件的高低溫性能、減阻性能、壽命等性能。例如美國金屬碳公司（Metcar）研發(fā)了一種將碳石墨注入一系列材料中的專利工藝，致力于提高密封件的耐高溫性能；德國Freudenberg Sealing Technologies 公司研發(fā)了一種耐低溫氟橡膠，以用于O 形環(huán)和小型橡膠低溫靜態(tài)密封件，其研制出的密封件能夠承受低至-67 ℃的低溫和高至270℃的高溫。瑞典SKF 公司注重延長密封件壽命，研發(fā)出“液壓提升”（hydrodynamic liftoff）技術(shù)及涂層堅(jiān)固技術(shù)，通過使密封件在薄氣膜狀態(tài)下工作，免去了在靜部件和動部件之間的完全接觸，有效改善了密封件表面的摩擦力和磨損特征，延長了密封件壽命[5]。

3 結(jié)論

基于對國外船用密封件領(lǐng)域的主要供應(yīng)商、典型產(chǎn)品及主要應(yīng)用場景的研究分析，從新材料、新密封技術(shù)及高性能要求3個(gè)方面總結(jié)當(dāng)前船用密封件的應(yīng)用特點(diǎn)后發(fā)現(xiàn)，國外船用密封件行業(yè)發(fā)展呈穩(wěn)步發(fā)展的趨勢，并將重心放于特殊工況密封件產(chǎn)品，不斷研發(fā)新材料技術(shù)及新型密封技術(shù)以替代老舊技術(shù)，從而提升密封效率，提高密封件性能，確保船舶正常行駛。

因此，我國需結(jié)合國外的技術(shù)趨勢及研發(fā)重點(diǎn)，盡快突破當(dāng)前船用密封件的技術(shù)短板和瓶頸，在縮小與國外技術(shù)差距的同時(shí)，逐步實(shí)現(xiàn)自主創(chuàng)新，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，提高國內(nèi)船用密封件市場覆蓋率。