基于熱-固耦合的船舶艉軸密封環材料對密封性能的影響研究

魏文豪 李雙喜 張敬博 閆欣欣 宋玉鵬

（北京化工大學機電工程學院）

0 引言

機械密封是用于解決流體機械旋轉軸與機體之間的密封裝置，也是流體密封技術發展最迅速、應用最普遍的一種密封類型[1]。艉軸機械密封長期在惡劣的環境中工作，再加上復雜的工況條件，密封環端面可能會出現溫度過高和強壓力的情況，進而造成了密封端面過度磨損破裂，最終導致密封裝置的大面積泄漏，這給密封裝置的使用壽命和安全性能都帶來了極大的挑戰。因此，對于艉軸密封裝置的設計，首要解決的問題是密封裝置中動靜環材料的選取，即在可以滿足低泄漏或不泄漏的前提下，減少密封環受熱受壓后的變形程度，最終提高密封裝置的使用壽命[2]。對于材料的選取與改進，國內外學者做了大量的實驗研究。羅賦等將石墨浸入熔融的巴氏合金中，并與表面噴涂2Cr13的陶瓷配對進行密封性能實驗，結果表明：相較于其他配對組合，其磨損量與泄漏量遠遠小于其他密封環材料配對，且該密封材料有相對成熟的制造工藝、使用壽命長等特點，適合在潛艇艉軸上改裝使用[3]。姚翠翠等針對YNW8（鎢鎳類硬質合金）-丁晴橡膠的密封環配對進行有限元分析并用實驗論證，結果表明：靜環密封端面中心溫度最高，且沿徑向向兩邊逐步擴散。由于內外部存在溫差，導致密封環內側變形量大于外側，整體變形呈收斂趨勢[4]。楊義家發現采用CH-2復合材料制造的氣封環產品，根據該復合材料本身的性能特點以及在離心鼓風機上的使用情況，有望在離心壓縮領域取得更廣泛的應用[5]。

總之，優質的材料具有降低密封環表面溫度、減少密封環的變形量、降低密封環的磨損量及延長密封環的使用壽命等優點。因此，艉軸密封環材料的選取對船舶運行起到了至關重要的作用。

1 密封結構與工作原理

船舶艉軸機械密封具體內部結構如圖1所示，密封環上部為充滿海水的外部環境，該位置為高壓側；密封環內部為充滿空氣的內部環境，該位置為低壓側。彈簧座中內嵌緊固多個彈簧，以保證不會因高壓水的沖擊導致密封端面受力不均勻或者密封間隙過大；靜環緊壓環通過螺栓將靜環緊壓在靜環座中，既保證靜環不會上下偏移，也防止了靜環隨動環轉動。靜環座通過螺栓等連接元件固定在腔內，同時在靜環與靜環座之間設置O型圈密封，防止外部環境的流體介質泄漏進腔內；靜環座與彈簧座之間同樣設置O 型圈密封，能使密封元件保持相對靜止。在橫向軸向力的作用下，防止外部環境中海水泄漏到內部環境，發揮密封的正常功能。

圖1 船舶艉軸機械密封裝置圖Fig.1 The mechanical seal of ship stern shaft device diagram

2 有限元分析模型

2.1 幾何模型

根據船舶艉軸機械密封建立相對應的幾何模型，如圖2所示。動靜環尺寸如表1和表2所示。

圖2 密封環結構圖Fig.2 Sealing ring structure drawing

表1 靜環尺寸參數Tab.1 Sealing ring size parameters

表2 動環尺寸參數Tab.2 Dynamic sealing ring size parameters

根據表1和表2數據建立三維接觸模型，為保證計算結果的合理準確，并簡化計算過程，合理簡化模型，有限元模型如圖3所示。

圖3 密封環有限元模型Fig.3 Finite element model of sealing ring

為保證數值模擬計算的準確性，需進行以下假設:

1）假設密封端面熱量來源為穩態熱源，本文研究密封環運轉穩定后的密封性能；2）密封環自重及外部環境中液體重力影響密封端面接觸平衡的程度較小，因此不考慮重力對密封結構的影響；3）忽略艉軸旋轉帶來的徑向和橫向振動對艉軸密封端面變形影響；4）密封端面變形出現泄漏，泄漏介質與密封端面存在微量的熱量交換，為簡化計算，不考慮密封環泄漏對傳熱的影響。

2.2 材料參數

船舶艉軸機械密封環中動靜環是最重要的元件，動靜環高速旋轉所產生的大量摩擦熱會直接影響密封環的密封性能。因此，在選取動靜環材料時，需考慮材料的磨損性能和散熱性能等綜合性能[6-7]。本節選取了幾種典型材料，研究其密封環的密封性能，靜環材料一般為浸漬石墨，而動環材料可以是陶瓷、金屬、硬質合金或噴涂材料。為研究不同材料對密封端面的影響，將不同的靜環材料和動環材料進行組合配對（有些材料為噴涂材料，下表中有標注），如表3 所示，材料的物理屬性如表4所示[8-9]。

表3 密封動靜環典型材料配對情況Tab.3 Typical material matching situation of sealing dynamic and static ring

表4 密封動靜環材料物理屬性Tab.4 Physical properties of materials of sealing dynamic and static ring

2.3 熱-固分析邊界條件

2.3.1 溫度場條件

圖4為密封環與周圍環境換熱的情況?？梢钥闯?，密封端面產生摩擦熱[10]。密封環的溫度交換情況非常復雜，以虛線為界限（O 型圈位置）劃分內外環境溫度。外側動靜環與外界環境交換熱量[11-12]較大，由于外界與內部環境溫差的緣故，內側動靜環與內部環境交換熱量較小。其余邊界離密封端面較遠，產生的熱量交換對密封端面的影響較小，可忽略，故設置為絕熱邊界[13]。

圖4 密封環溫度交換情況Fig.4 Temperature exchange of sealing ring

為保證計算的簡潔合理，不考慮由于半徑位置的差異所帶來的對流換熱系數的差異，將溫度場設置邊界條件，匯總如表5所示[14]。

表5 溫度場邊界設置類型Tab.5 Temperature field boundary setting type

2.3.2 靜力場條件

圖5 為密封環的受力情況，由于所處環境的特殊性，密封環受力區域較大，主要是彈簧補償力和外界環境壓力。其余邊界為低壓側邊界，不影響密封環的整體受力，故設置為不向任何方向變形的邊界。

圖5 密封環受力圖Fig.5 Seal ring force diagram

匯總其操作參數如表6。

表6 操作參數匯總表Tab.6 Summary of operating parameters

由于內外介質的不同導致內外壓差不同，且還受到彈簧力作為補償力的作用，船舶艉軸機械的整體受力情況比較復雜，還需要考慮彈簧座、靜環座等周邊密封元件的約束。因此，匯總靜力場設置邊界條件如表7。

表7 靜力場邊界設置類型Tab.7 Static field boundary setting type

2.4 網格劃分

為確保有限元分析計算的準確性，對船舶艉軸機械密封模型劃分有限元網格如圖6，網格尺寸設置為0.8mm，節點數共有69325個，網格個數為165139個，經檢驗，網格平均質量為0.90325，大于網格質量要求的最低值0.7，故網格精度可以保證。

圖6 密封環網格劃分圖Fig.6 Meshing diagram of seal ring

為了最大程度地降低網格數量對有限元計算結果的影響，確保計算準確的同時，計算并整理出網格數量與密封端面最大變形量的變化關系，如圖7所示?？梢钥闯?，隨著網格數量的變化，變形量逐漸下降，且下降幅度遞減，計算結果基本維持在一個水平。在網格數量達到30萬后，后續的計算設置30萬的模型網格數量，經過驗證得到網格的有效平均質量為0.968，高于最小標準0.7，證明計算結果的合理性。經過網格無關性驗證，證明該密封環網格劃分結果準確。

圖7 網格無關性驗證Fig.7 Grid independence verification

3 動靜環溫度場、變形場及應力

3.1 動靜環溫度場

由于動靜環材料的不同，導致兩者擴散熱量的能力有所差異，最終出現差異性的溫度分布。分析腔體壓力8.0MPa，彈簧比壓0.2MPa，轉速500r/min 的工況下密封環端面溫度如圖8所示。

圖8 密封端面溫度計算結果Fig.8 Sealing end face temperature calculation results

從密封環端面溫度分布上可以發現，由于靜環內外徑所處環境的不同，導致內外擴散熱的程度有所差異，因此密封環表面的最高溫度從中徑逐漸往內徑方向偏移。從圖9中可以看出，密封環端面溫度呈二次函數形式分布，溫度由中徑逐漸向內外徑擴散。需要說明的是實際中密封端面溫度超過80℃后，密封動靜環間的介質可能會從液態變為氣態，密封動靜環從水潤滑摩擦狀態轉變為干摩擦狀態，因缺少介質的流動，密封端面溫度增大，端面間摩擦系數成倍增大，變形量增大，密封環間隙增大，密封環磨損和泄漏必定陡增。同時介質汽化會使得密封環間隙的壓力突增，外部介質高速流入，對密封端面的沖擊增大。

圖9為密封環的最高溫度計算結果，Ⅲ組與Ⅶ組的計算數值遠大于其它配對組合，分析原因是S30408 的導熱系數遠遠小于其它動環材料，故端面最大溫度高于其它組密封環；Ⅳ組與Ⅷ組的計算數值小于其它配對組合，分析原因是SiC 的導熱系數較高，其擴散熱的能力較強，故端面溫度最低。

圖9 密封端面最高溫度Fig.9 Maximum temperature of sealing end face

3.2 動靜變形場

圖10 為密封端面最大變形計算結果，從密封環端面變形分布上看，主要發生變形的部位在靜環上，靜環密封面的最大變形點偏軸側，同溫度變化及應力變化基本對應，說明在溫度的影響下，密封環傳遞熱量不均勻，導致密封端面產生收斂性變形。

圖10 密封端面變形Fig.10 Sealing end face distortion

圖11 為密封端面變形計算結果，S30408 的熱膨脹系數高于其余動環材料，故在溫度的影響下，端面最大變形量最大。從圖11 中趨勢可以看出，該材料在轉速越大的情況下計算結果越容易發生突變，相較于其它配對材料的變化趨勢，YNW8 的變化趨勢并不穩定，分析其原因在于YNW8的彈性模量大于其它動環材料，說明該材料在變工況的情況下出現變形的可能性較大，采用該材料做密封動環，可能會對船舶艉軸機械密封造成預期外的損失。

圖11 密封端面最大變形Fig.11 Maximum deformation of sealing end face

3.3 動靜環應力

圖12 為密封端面最大應力計算結果，從端面環端面應力分布上看，每組密封環均是動環出現最大應力幅值，受力最高點偏軸側，密封環端面應力呈二次函數形式分布，應力由最高逐漸向內外徑擴散，該分布情況和溫度分布情況相同，符合模擬結果。

圖12 為密封端面應力，Ⅳ組與Ⅷ組的計算數值小于其它配對組合，分析原因是SiC 的導熱系數較高，其擴散熱的能力較強，故端面溫度最低，進而由溫度影響產生的端面應力較小，但由于SiC 的脆性較大，考慮到船舶艉軸機械工作環境中可能存在尺寸大小不一的雜質，可能會導致密封環的破裂與失效。

圖12 密封端面應力Fig.12 Sealing end face stress

圖13 密封端面最大應力Fig.13 Maximum stress of sealing end face

4 材料參數的影響分析

相比其他參數材料參數較為特殊，每種材料的各項屬性數值都是固定的，不會因為人為的選擇而改變，不能僅研究單個材料屬性對密封環的影響，因此本文針對材料進行分析，選擇靜環材料為M106D，研究不同動環材料對密封環的影響，研究材料名稱及屬性見表8。接觸式機械密封的接觸端面從微觀角度來看，存在很多隨機分布、大小不一的接觸間隙。在以往的分析計算中，假設接觸間隙是均勻的，得出的結果與實際測量值差距很大。本文根據相關文獻的分形理論，利用二維W-M 函數表征密封端面表面形貌[15]，計算其泄漏量[16]和磨損率[17]。

表8 動環材料物性的取值范圍Tab.8 Value range of material properties of dynamic ring

4.1 彈性模量

圖14 為不同彈性模量下密封環的密封性能情況，從圖14中可以看出，材料A的端面最大變形、磨損率及摩擦功耗相較其余材料最大，變形和功耗大可能會使密封端面的磨損加??；材料C 的端面最高溫度、泄漏量相較其余材料最大，溫度過大可能會使密封端面出現過度變形導致密封端面間隙過大，最終使泄漏量加劇。材料B，D的端面最大變形、泄漏量數值相近，但端面溫度差距過大。因此建議選取密封動環材料B（Cr2O3）為密封環材料。

圖14 不同彈性模量下密封環的密封性能情況Fig.14 Seal performance of seal ring under different elastic modulus

4.2 熱膨脹系數

圖15 為不同熱膨脹系數下密封環的密封性能情況，從圖中可以看出，材料C的端面最大變形、端面最高溫度相較其余材料最大，變形和溫度大可能會使密封端面的磨損加??；材料D 的泄漏量相較其余材料最大，泄漏量過大可能會使密封端面密封性能大幅度降低。材料A，B的端面最大變形、端面最高溫度、摩擦功耗及磨損率數值相近，但泄漏量有一定的差距，建議選取密封環材料B（Cr2O3）為密封環材料。

圖15 不同熱膨脹系數下密封環的密封性能情況Fig.15 Seal performance of seal ring under different thermal expansion coefficient

4.3 導熱系數

圖16 為不同導熱系數下密封環的密封性能情況，從圖中可以看出，材料C的各項密封性能指標均大于其余材料，說明材料C 的密封性能相對其余材料較弱；除C 以外，材料A 的端面最大變形、泄漏量相較的其余材料最大，溫度過大可能會使密封端面出現過度變形導致密封端面間隙過大，最終使泄漏量加劇。材料B，D的端面最大變形、泄漏量數值相近，但摩擦功耗和磨損率有一定的差距，建議選取密封環材料B（Cr2O3）為密封環材料。

圖16 不同導熱系數下密封環的密封性能情況Fig.16 Seal performance of seal ring under different thermal conductivity

5 結論

本文建立船舶艉軸機械密封性能分析幾何模型，確定了動靜環材料并進行有限元網格劃分，驗證網格無關性，按照真實工作環境設置對應的邊界條件。計算了得到不同動靜環材料的溫度場、變形場及應力，分析了不同動環材料對艉軸密封性能的影響。

1）通過有限元模擬計算得到：由于導熱系數的差異，動環材料為S30408的密封環組合端面溫升最大，動環材料為SiC的密封環組合端面溫升最小。

2）對比分析不同密封環材料在溫度和應力作用下的端面變形情況發現：端面的熱變形要大于力變形。

3）對比分析不同材料參數下，船舶艉軸機械密封環的密封性能，在實際工作環境中，外部溫度偏低，密封結構內外溫差較大，密封環的散熱能力決定了密封環密封性能的上限。由于熱膨脹系數的存在，受到相同溫度影響時，材料的差異導致密封環產生變形的差異，變形過大易使密封失效。因此，通過研究得出最優動環材料為Cr2O3。