摘要：端面液膜汽化現象對機械密封的工作性能具有重要影響，是機械密封研究與應用的焦點問題之一。從物理機制、實驗研究、理論研究3方面介紹了機械密封液膜汽化問題的研究現狀：闡釋機械密封液膜汽化的物理機制及其可能造成的危害；從早期的簡單現象觀察到后來穩態及瞬態的定量化實驗研究，總結各階段的技術與成果：涵蓋軸對稱到全三維、穩態到瞬態、間斷沸騰模型到連續沸騰模型的各種類型的數學模型和研究進展。
0 引言
在輕烴泵、低溫液化氣泵、熱水泵、熱油泵等極端工況或特殊介質的石油煉化裝備中，廣泛存在著機械密封端面液膜汽化的現象。機械密封在機械密封在此狀態下運行時，可能發生多種失穩現象，這種汽化失穩是導致密封失效的主要原因之一。
具有端面液膜汽化工況的機械密封，又稱為兩相機械密封。國內外學者對兩相機械密封已進行多年的理論與實驗探索，積累了較為豐富的研究成果。然而，目前對該問題實現定量化的預測和分析仍存有較大困難。在實際工程中，依然采用經驗和實驗結合的方法進行產品設計，缺乏完整的設計理論體系，制約了機械密封適應高參數與復雜工況的能力，重要設備的機械密封因液膜汽化導致失效的情況時有發生。以文獻[9]中案例為例：中石油吉林石化公司煉油廠關鍵設備聯合芳烴裝置熱水泵，4年間共發生機械密封失效67次(密封運行時間最短為4h最長也僅3個月)，失效原因就是端面液膜汽化導致密封端面發生嚴重磨損。
近年來，我國石化裝備的迅速發展給機泵設備和配套密封件的技術性能提出了越來越高的要求作為高性能機械密封設計的關鍵技術之一，機械密封端面液膜汽化機理分析及相應的先進密封設計技術亟待深入研究。本文將從物理機制、實驗研究、理論研究3方面，依次論述機械密封液膜汽化問題研究中的重要成果和現狀，并在此基礎上對未來研究提出展望，為相關研究的開展提供參考和借鑒。
1 密封端面液膜汽化物理機制
機械密封是含有多組件的裝置，其典型結構如圖1所示。為保證機械密封的穩定工作，密封端面之間一般要求形成穩定的流體薄膜，以提供適當的潤滑，避免干摩擦磨損。密封端面的開啟載荷是由端面間的流體靜壓與流體動壓作用提供的。倘若液膜遭到破壞，比如液膜汽化，將會導致端面表面微凸體間的接觸變得更加劇烈，從而導致摩擦發熱和磨損增加。因此，由于潤滑液的不穩定汽化而引起的界面膜的破壞，是制約密封性能的重要因素，需在機械密封溫度設計中充分考慮。
圖1 機械密封的基本結構
1.1 端面液膜汽化的影響
當溫度大于當地壓力下的飽和溫度時，端面間的液體在相應位置會發生一定程度的汽化。在穩定的兩相流體膜下，許多密封能可靠地工作。并且，在密封低壓側，有限程度的受控汽化可以增強流體靜壓承載能力，并限制泄漏，如圖2所示。但是，如果密封端面間液體汽化量明顯增加，會使汽液界面的位置向密封的高壓側移動，從而導致間隙內液膜區域減小。由于這種變化以及黏度因溫升而減小，會使得潤滑膜的承載能力減小，密封端面間的混合潤滑程度增加，結果導致密封界面流體溫度進一步升高，密封開始產生不穩定汽化。在實際工況中，這種變化過程可能是由密封工作條件的變化(溫度、壓力、振動等)或者流體性質的變化引起的。
圖2 平行端面兩相壓力分布
1.2 端面液膜汽化造成的危害
在不穩定汽化工況下工作的密封，會發出可見可聞的故障信號。例如，流體膜周期性的破裂和重新形成，使蒸汽從端面低壓側噴逸，即“氣噴”現象(puffing)；或發出刺耳的噼啪噪聲，即“間歇振蕩開啟“現象(popping open)。這種情況會迅速導致端面損壞密封失效。如果密封環為脆性材料制造，則密封端面破壞的特征是出現小的凹痕、彗尾和缺口(向低壓邊)，如圖3(a)所示；或者，端面在蒸汽狀態工作，發生干摩擦，出現擦亮的傷痕或唱片狀條紋般的同心圓紋理，如圖3(b)所示；如果密封環為韌性材料制造，則密封端面表現為熱裂破壞，如圖3(c)所示，這種熱裂現象由密封端面上局部過大的熱應力引起，且與汽化過程中流體膜破壞的周期有關；如果不穩定汽化在密封運轉過程中持續發生，危害可能很嚴重，最終導致密封環體的破壞，如圖3(d)所示。
液膜汽化引起的典型端面損壞形式
1.3 液膜汽化與空化的區別
當液體在恒壓下加熱或在恒溫下用靜力或動力的方法減壓，到達一定程度時，蒸汽空泡或充滿氣體與蒸汽的空泡開始出現或發育。在熱力學領域，上述過程若由溫度升高所引起稱為 “沸騰”，若由靜壓下降所引起稱為 “閃蒸”。如1.2節所述，兩相機械密封端面流體膜由液相轉變為汽相，是沸騰與閃蒸綜合作用的結果，本文統稱為“汽化”。液膜汽化的特征是，液體達到當地飽和狀態，汽化區域延伸至液膜邊緣，汽相連續不斷地從液膜表面和內部沸騰界面逃逸，汽相與液相處于動平衡的狀態。
與汽化現象類似，若溫度基本不變而因動壓作用導致局部壓力下降所引起的空穴或者空泡，則稱為“空化”。它有兩種成因；第一種成因是液膜壓力降低導致氣體溶解度降低，從而氣體從液膜中析出，形成氣核，積聚并長大形成氣泡；第二種成因是液膜局部壓力低于其飽和蒸汽壓力時，液膜汽化產生汽泡。空化區域是包含于液膜內部的，汽相與液相有可能處于靜態平衡，也有可能處于瞬態平衡。與汽化相別，空化中的兩相之間不一定存在質量遷移的問題。
綜上所述，影響空化的主要因素是流體的局部壓力變化，溫度是次要因素，于是很多理論研究都將液體做等溫假設展開。影響汽化的主要因素是溫度和壓力，研究必須綜合考慮液膜的溫度分布與壓力分布。為了便于從字面上區別兩者，這里把空化記作“氣液兩相”問題，而把汽化問題記作“ 汽液兩相”問題。
2 實驗研究
2.1 早期液膜汽化現象觀察實驗
早期有關兩相機械密封的研究集中于對其端面的摩擦與潤滑機理的定性觀察。研究者通過設計多種直接或者間接的實驗，觀察端面液膜的狀態，總結液膜發生汽化的條件。Denny以丙酮作為密封介質，在實驗中發現液膜汽化可以增大端面開啟力。Sunmers-Smith發現當溫度升高導致液膜汽化時摩擦系數降低。Orcutt把水加熱到接近沸點，透過半透明的密封環觀察密封間隙液膜汽化的現象。他們發現，當高壓側液體溫度趨近沸點時，連接大氣側的區域形成明顯的汽化同心環區域，隨著溫度升高，氣相區域擴大，摩擦力降低，泄漏減小。
2.2 機械密封端面液膜汽化穩態實驗
盡管兩相機械密封具有較大的開啟力、較小的摩擦系數與泄漏的優點，但在很多情況下端面液膜汽化問題卻是造成機械密封失穩的主要原因之一。于是，有必要對端面液膜汽化的穩定工作極限做出深入的研究。
Lymer以熱水為介質討論了平衡型平端面機械密封含有端面液膜汽化問題的工作極限。他采用的實驗方法是，在不同壓力條件下，不斷提高入口液體的溫度，記錄密封發生失穩的溫度值(以氣噴和泄漏持續增大現象來認定密封失穩)，結果如圖4所示。
圖4 典型水潤滑密封的穩定運行溫度范圍
Lebeck等采用了與Lymer類似的實驗方法，區別在于他們采用測量密封環端面溫度與摩擦扭矩結合的方式定量記錄密封失穩狀態，部分實驗結果如圖5所示。隨著入口流體溫度升高，端面的溫度緩慢降低，但當溫度達到并高于Tsat后，密封環的溫度突然大幅增加，實驗中出現 “氣噴”的現象。
圖5 端面溫升與流體溫度的函數關系
(平衡比B=0.75)
此后，Harrison等[11]分別以蒸餾水、原油和油水混合物作為密封介質，采用監測密封扭矩和泄漏腔背壓的方法，研究了機械密封端面液膜汽化現象。他們發現，Lymer的工作極限曲線僅適用于平端面機械密封，且密封介質具有確定的飽和狀態極限曲線；對于端面開有深槽的機械密封，即使超過Lymer提出的工作極限，也沒有發生明顯的液膜汽化現象。
2.3 機械密封端面液膜汽化瞬態實驗
在穩態實驗研究的基礎上，研究者對兩相機械密封的瞬態行為展開了深入的實驗研究。研究發現，兩相機械密封的瞬態行為具有典型的周期性特征。Nau對典型的“氣噴”現象采用定量化的實驗手段展開研究。當流體介質接近沸點時，在實驗現場可以聽到端面碰撞發出的爆鳴聲，同時端面扭矩測量儀器顯示出以數秒為周期的摩擦力矩連續波動，汽化的介質發生斷續泄漏。這種失穩現象并非一直持續，而是以數十秒為周期反復出現。Rhodes等研究了在模擬停電工況下的壓水堆核主泵機械密封的工作性能。研究表明，端面液膜發生汽化現象，機械密封可能存在兩個穩定工作的平衡膜厚。
綜上可見，早期的實驗研究主要集中于端面液膜汽化的產生條件的確認與汽化現象的觀察，得到了液膜汽化具有增大開啟力，減小摩擦的特點。后續的實驗研究則聚焦于密封端面溫度與扭矩等物理量的測量，并對液膜汽化造成的動力學現象做定量觀測。這些實驗結果為相關理論研究的開展提供了基礎。
3 理論研究
3.1 二維間斷沸騰穩態模型
以早期實驗現象為基礎，Hughes最早針對機械密封液膜汽化現象建立了簡單的理論預測模型。他假設密封泄漏率極小，忽略液膜內部對流換熱效應，則認為在液膜的某一確定位置發生汽化，由此建立了間斷沸騰軸對稱模型。基于此模型所做的分析表明，密封存在兩個平衡膜厚，其中在較大的膜厚下密封可以穩定工作，而在較小的膜厚下則是非穩定的。Hughes等采用等溫與絕熱兩類理想熱邊界條件發展了上述模型，對理想氣體假設進行了放松。研究的結論是：當泄漏率小時，等溫模型準確，當泄漏率大時，絕熱模型更準確；在穩定性分析上，兩種模型都得到了與上述類似的雙平衡膜厚結果，如圖6所示。另外，單相穩定運行的收斂間隙端面也有可能發生失穩的現象，但汽化相變可以降低其泄漏率。Beatty等基于絕熱模型考慮了在大泄漏率(絕熱湍流狀態)條件下的端面液膜汽化問題。Basu等基于等溫模型考慮了流體離心力的慣性作用。兩者的研究結果與Hughes的雙平衡膜厚結果類似。Lau等總結上述研究成果，提出了適用于工程計算的簡化模型，所得結果與間斷沸騰模型預測結果接近，并證明較小的端面錐度變化會引起兩相機械密封性能的巨大變化。
圖6 開啟力與膜厚變化的關系
以間斷沸騰軸對稱模型為基礎，Lebeck以密封環的實際幾何形狀建立分析模型，考慮了粗糙度接觸的因素，發現液膜汽化可以產生更大的開啟力，而且當流體溫度接近沸點時泄漏率增大，這為“氣噴”現象給出了原理性解釋。Ruan等綜合考慮了熱流固耦合因素，建立了含有粗糙峰接觸的兩相混合潤滑模型"發現液膜汽化條件下端面溫度變化較小，沸騰半徑隨著流體溫度升高而逐漸擴大，泄漏率隨著溫度升高下降。這些結果都與上述實驗觀測結果一致。
Gu把流體膜按相態特征分為4類：全液相、全汽相、似液相和似汽相。其中，全液相和全汽相密封工作穩定，似液相似穩定，唯有似汽相不穩定。對于各相態的密封，當端面溫度Tf已知時，可采用Km-Tf(Km為膜壓系數)曲線或αmR-TR(αmR為氣相體積比，TR為溫度比)曲線來判斷端面間流體的相態及密封的穩定性。彭旭東等以間斷沸騰模型為基礎，先后研究了多種單組分介質問題、多組分問題，以及考慮了機械密封端面粗糙度、錐度和流體慣性的問題，建立了混合摩擦工況下的機械密封模型。綜合以上研究成果，Peng等提出以求解膜壓系數Km來判斷端面相態的方法，如圖7所示。對于已知熱物理性質的密封介質，該方法可以明確判斷平端面密封的穩定性。在此基礎上，Peng等又進一步提出了在線監測液膜汽化穩定性的技術。
圖7 丙烷介質密封相態穩定性判據
3.2 二維間斷沸騰瞬態模型
上述穩態模型只能對機械密封的穩定性做出定性的判斷，為了深入揭示端面液膜汽化工況下的機械密封的失穩機理，需要發展瞬態分析模型。
Yasuna等考慮了壓膜效應與熱瞬態效應，建立了兩相機械密封瞬態模型，發現在平衡位置給出一定的軸向擾動，兩相機械密封具有阻尼瞬態響應特性。Salant等基于間斷沸騰模型建立了包含端面熱變形因素的兩相機械密封的動力學分析模型。研究發現，即使具有正剛度的平衡膜厚，在較大擾動量情況下也會發生失穩現象。該模型采用傳熱學中的集總參數法簡化計算了密封環導熱問題，忽略熱慣性的影響，導致振蕩周期極短——只有幾毫秒，這與Nau的實驗結果不符。Blasbalg等基于Salant等的動力學模型，進一步綜合考慮了密封環熱彈變形耦合、粗糙度接觸與流體膜擠壓效應。其研究發現，當密封間隙沿流動方向為收斂形狀及流體膜剛度是正值時，密封才能達到穩定狀態，否則密封將發生如“間歇振蕩開啟”(popping open)或“振蕩運動”(oscillatory motion)的失穩狀況。文中采用圓柱翅片瞬態導熱理論對密封環建立導熱模型，考慮了熱慣性的影響，因此計算結果更接近實際觀測的瞬態行為——以秒為振蕩周期，如圖8所示。
圖8 液膜汽化造成的端面振蕩失穩
3.3 二維連續沸騰模型
二維間斷沸騰模型只適用于泄漏率很小的極端工況，即端面膜厚與表面粗糙度同一量級的情況。對于膜厚較大的非接觸式機械密封的液膜汽化問題，間斷沸騰模型的誤差較大。針對這一問題，Yasuna等建立了連續沸騰軸對稱模型，討論溫度變化與對流效應對密封穩定性和泄漏率的影響。研究表明，在泄漏率較小的情況下，流體膜溫度也存在變化，但由于溫度變化的絕對值不大，故仍可用等溫間斷沸騰模型近似；當泄漏率較大時，流體膜溫度變化劇烈，間斷沸騰模型不再適用。基于上述連續沸騰模型，Yasuna等綜合考慮在湍流條件下對流效應、熱慣性效應和擠壓效應，得到密封“雙穩態”運行特征：如圖9所示，在給定運行條件下，初始的穩定平衡膜厚5μm在受到一定程度的擾動后，經過約20ms的響應過程，達到大小為26μm的新的平衡膜厚，這種現象與Rhodes等關于核主泵斷電時的機械密封實驗現象一致。
圖9 湍流工況錐度密封穩定響應-開啟擾動
3.4 三維間斷沸騰模型
在有端面偏擺及端面有開槽等情況下，上述軸對稱型的二維沸騰模型不再適用。Etsion等[43]基于間斷沸騰假設建立了三維流熱耦合分析模型，討論密封環偏轉對端面液膜汽化半徑的影響。其結論是，液膜汽化不利于密封的角剛度，即使密封環存在中等程度的偏轉，沸騰間斷面仍可以認為是對稱的。后續，Etsion等[44]探討了密封環偏轉產生的動壓效應對沸騰半徑分布的影響，發現較大的沸騰半徑造成液相有效寬度變窄，從而削弱了動壓效應，當Sommerfled數小于0.2時，可忽略環偏轉產生的動壓效應對兩相機械密封性能的影響。
綜上所述，機械密封液膜汽化問題的理論研究可分為二維與三維，穩態與瞬態，間斷沸騰模型與連續沸騰模型等類型，經歷著由簡單到復雜的發展過程。但到目前為止，已有的研究還是主要集中于二維軸對稱問題的分析，關于三維模型的研究還很少，且已有的模型是基于穩態、間斷沸騰假設的。
4 結語
機械密封端面液膜汽化現象是端面壓力降低與液膜剪切升溫共同作用的結果。液膜汽化造成潤滑液膜破裂，端面直接接觸發生干摩擦或振蕩，損壞端面。嚴重失穩機械密封會發出刺耳的鳴叫和泄漏率異常等現象，通過監測密封環摩擦扭矩、端面溫度和泄漏腔背壓等參數，可以探測到兩相機械密封早期失穩狀態。基于這些工廠經驗與實驗研究，先后建立了間斷沸騰模型和連續沸騰模型，初步揭示了兩相機械密封失穩的機理。
然而，關于端面液膜汽化問題不論在理論模型、實驗研究和工程應用方面都遠未成熟和完善。基于完善的理論和實驗研究設計兩相密封，避免液膜汽化造成的密封失效，甚至利用受控汽化提高密封的某些性能等，是具有重要工程價值和理論意義的。根據目前的研究狀況，以下4個方面的深入研究有待進一步開展。
(1)精確的實驗測量技術。已有的液膜汽化測量手段主要采用的是間接測量方式，如熱電偶測端面溫度、力傳感器測摩擦扭矩等，對于液膜發生汽化的過程和流場缺乏直接定量的觀測，局限了對機械密封液膜汽化問題的深入認識。借鑒微通道兩相流的一些實驗技術，如高速攝影技術等，對液膜汽化過程展開全面細致地觀測，有助于推進兩相機械密封的基礎研究。
(2)更加完善和準確的理論研究模型。二維間斷沸騰模型已實現基于熱流固耦合技術的全過程分析，對接觸式兩相機械密封的一些典型的行為給出了解釋。連續沸騰模型尚未實現熱流固耦合分析，在這方面可以進一步豐富。已有的二維模型只能對軸向自由度的動力學特性進行分析，工程中兩相機械密封的失穩現象也伴隨復雜的振動情況，Etsion等的研究已表明液膜汽化對密封環角向自由度的動力學行為有顯著的影響。因此，建立兩相機械密封的三維分析模型，實現完整的動力學分析有重要意義。
(3)深入的多組分介質研究%密封介質往往是多組分的，各組分的熱物性參數存在差異。在密封間隙流動過程中，各組分汽化規律不同會引起熱力學耦合效應，易導致液膜性質變異的問題(如焦化、結晶等)，對密封端面造成損傷，進而影響機械密封正常穩定運行。目前多組分介質問題液膜汽化研究的相關的理論和實驗研究都還比較匱乏，亟待深入開展。
(4)控制液膜汽化的新技術。對于兩相機械密封，傳統的液膜汽化控制技術包括提高密封介質壓力、降低密封介質溫度和增加沖洗量等。新發展起來的端面開槽技術和可控密封技術，從端面和密封結構設計的角度提供了控制液膜汽化的新途徑。結合這些新技術，經過合理的設計，有望降低兩相密封對輔助系統的要求、提高兩相密封的工作可靠性和壽命、增強兩相密封對苛刻工況和特殊使用環境等的適應能力等，從而提升兩相密封的綜合性能。
更多機械密封件信息歡迎訪問進口密封件公司奧賽羅密封，咨詢電話：0311-87316999。奧賽羅密封誠招代理商。
