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机械密封发展史

来源:GORDON BUCK BIO作者:泵友圈翻译整理

机械密封是20世纪一项意义非凡的产品。根据Mayer(1974)的说法,机械密封的概念最早可追溯到1900年。Schoenherr(1965)展示了1913和1919年的专利,这些专利具有现代机械密封的特征。


第一个商业上成功的应用于离心泵的机械密封可能是由英格索兰公司的Cameron 部门在1928年左右制造的(Tetlow,1951年)。在此之前,机械密封已应用于小型制冷机,但未用于大型泵。Cameron密封首先安装在许多管道泵中。显然,Cameron没有出售通用密封,因为直到20世纪30年代,离心泵才出现多种规格样式的密封。

机械密封基本上是由George J. Cooke(专利号#1545080,“旋转轴密封”)在1923年发明的。他的设计最初被称为“Cooke Seal”,并创立了Cooke Seal 公司。Cooke的密封件首先用于制冷压缩机。Cooke公司其实是Cooke的副产品,因此他将公司卖给了Muskegon Piston Ring 公司,继而成立了Rotary Seal部门。然后,Muskegon公司将这个部门出售给EG&G Sealol,最后被约翰克兰公司收购。

1929年,Crane Packing公司的JM Ryan开发了一种机械密封,后来被称为“ Ryan Seal”。Ryan密封使用钢与青铜材质,单个螺旋弹簧和填料作为二次密封,而O形圈此时尚未发明。非补偿环由钢制成,并以过盈配合安装到泵轴上。密封面是机械加工的,没有研磨过。公司至少售出了三件Ryan Seal:一种用于管道服务,一种用于炼油厂,另一种用于锅炉给水。

1934年,AR Tuck和JH Hohler制造的机械密封件已在印第安纳州怀廷的标准炼油厂使用。CC Hall of Turametallic与Durametallic签署了Tuck and Hohler的独家协议。在接下来的12年,机械密封成为Durametallic 公司的主要产品。

那些早期的泵密封件经常使用硬化钢与铅青铜的表面组合。这种面层材料组合在有润滑油的状况下令人满意,但在非润滑条件下需要使用润滑剂,通常是油脂。Durametallic在1937年(Miller,1992年)开发了一种更好的润滑方法,即双端面机械密封。


此外,双端面机械密封还用于腐蚀性、环境差和高压工况。在某些方面,双端面机械密封类似于传统的填料,由套环分离并由密封端盖油系统供给。即使那些初代的机械密封在今天被认为是泄漏过多,但密封泄漏仍然比填料泄漏要少几个数量级。事实上,填料泄漏和密封端盖油消耗是炼油厂产能的可测量部分,在某些情况下接近10%(Porges,1950)。

在1930年代的机械密封中,软填料被用作二次密封。软填料由天然纤维,橡胶,氯丁橡胶或石棉制成。O形圈于1930年代开发,但直到第二次世界大战之后才用于机械密封。Neil Christensen于1933年发现了O形圈及其凹槽的最佳尺寸。他于1937年申请了专利,并于1939年获得#2180795专利。


在第二次世界大战之前,橡胶意味着天然橡胶,尽管在开发合成橡胶方面做了很多工作。战争期间,天然橡胶很难获得,合成橡胶的制造成为战时的重点。氯丁橡胶、丁腈橡胶、丁腈橡胶是第一批合成橡胶。合成橡胶的温度一般限制在250华氏度以下。

在1930年代中期,Crane Packing公司从Chicago Rotary Seal获得了机械密封设计许可。通过Crane的多项专利,该设计演变为full convolution rubber bellows seal。到1938年,英国的Crane Packing公司已经为炼油厂用泵制造了自己的机械密封件。


这些是使用密封端盖填料作为二次密封的多弹簧密封;表面材料是碳对钨铬钴合金。面对材料是碳对司太立。后来,Crane Packing公司也采用了橡胶波纹管密封。他们的第一批橡胶波纹管密封件实际上是作为静密封件使用的,其压力来自内径;一个有趣的变化是在11000转/分时使用的!

从专利申请来看,30年代中期至40年代中期是机械密封开发的活跃时期。专利包括:


1936 (1939?) — First automobile seal, John Crane.

1938 — Hanns Hornschurch “Sealing Device” (perhaps the first balanced seal)

1939 — Robert Stevenson, “Seal Construction” (assigned to Sealol)

1941 — Olin Brummer, “Liquid Seal for Rotary Shafts” (assigned to John Crane)

在1930年代后期,大概在1938或1939年左右,机械密封开始取代汽车水泵上的填料。最初,只有比较昂贵的汽车在水泵中使用机械密封。第二次世界大战的著名吉普车WWII在水泵中使用了Crane橡胶波纹管密封件。第二次世界大战后,所有汽车水泵均使用机械密封。

1938年,英格兰曼彻斯特炼油厂的工程师F. B. Porges建造了自己的机械密封,以解决一些困难的密封问题。短短几年内,Flexibox公司成立了,以销售他的机械密封件。首批Flexibox产品使用单层金属波纹管。很快,Flexibox制作了双层和三层波纹管。

1913年获得专利的密封件中提到了平衡比的概念(Schoenherr,1965年)。然而,平衡型机械密封似乎直到1930年代后期取得发展。Hanns Hornschurch的“密封装置”获得了2128744专利,该密封装置后来被称为双重密封。在这种设计中,内部密封件是平衡的。


这可能是平衡比的首次应用,尽管当时未使用该术语。后来,Stevenson Engineering公司(后来成为 Sealol)的Robert Stevenson获得了液压平衡型机械密封的专利2321871。在早期,从表面载荷仅由弹簧引起而不受压力影响的说法来看,接近50%的平衡率肯定是典型的。

随着1930年代后期密封的发展,二战后步伐加快。

特氟龙于1944年上市,但直到二战后才用于机械密封。特氟龙的惰性使得机械密封可以在腐蚀环境中使用。由于其刚性,特氟龙通常被制成楔子,U形杯,V形和波纹管作为二次密封。特氟龙被认为在500华氏度以下可用。

二战后,碳石墨的改进使得这种自润滑材料作为密封面材料变得更加流行。碳石墨的应用在20世纪50年代确实增加了。

在1940年代中期,泵制造商开始自行制造机械密封。英格索兰公司(Ingersoll-Rand)已经开发出可用于600磅/平方英寸的单平衡密封。这使他们比使用双密封和润滑系统的竞争对手更具优势。Worthington, Pacific, 拜伦-杰克逊(Byron Jackson), United, Union和其他公司各自进行开发设计(Miller,1992年)。最终,泵制造公司退出了密封业务,除了拜伦-杰克逊密封成为Borg-Warner密封(现为福斯Flowserve)和Worthington设计出售给Chempro(现为John Crane-Sealol)。

1945年,Crane Packing公司开发了四个版本的full convolution rubber bellows seal并申请了专利:Types 1、2、3和4。Types 3和4是吉普水泵密封件,并且在Types 1和2之前使用,但在引入时没有编号。

同样在1945年,Flexibox公司在英格兰曼彻斯特成立,以销售机械密封为主,该密封于1938年开始在曼彻斯特炼油厂开发使用。首批Flexibox产品使用成型的金属波纹管。在短短几年内,Flexibox制作了双层和三层波纹管。

1946年,Crane Packing 公司的Jim Thayer开发了使用特氟龙楔块的Type 9密封。为了保证杜邦化工厂的腐蚀性或反应性很强的流体密封性,特氟隆楔形件是必不可少的。大约在同一时间,Crane Packing公司开发了用于管道服务的Type 8B密封。Type 8B使用的是丁腈橡胶O形圈,压力可达到1200 psig。

现代密封泄漏少的原因之一是制造工艺和质量控制的改进。最初的密封面不像今天那么光滑。尽管早在1938年就对密封面进行过研磨(Porges,1950;Crane Packing,1938),但随着机械密封的发展,精密研磨也得到了发展。1948年,Crane成立了Lapmaster部门,以销售研磨机和工艺。

在1940年代后期, Olin Brummer离开约翰·克兰(John Crane)创立了自己的公司,Brummer Manufacturing Company。他获得了机械密封的多项专利,并且在广告中宣称Brummer水泵密封已广泛使用。

到1950年,集装式密封已被经常使用;这种密封、套筒和密封端盖的方便包装可能是由Durametallic的C.E.Wiessner在1942年左右开发的(Miller,1992)。

1950年代初开发了用于促进密封系统循环的Pumping rings。

到1954年,机械密封在炼油和加工业中的使用已十分普遍,以至于美国石油学会在其标准API610(通用炼油厂离心泵)的第一版中就包括了密封规格。由于从填料转换为机械密封时出现问题,密封规格(超过一页多)主要与应力、螺栓和垫圈有关。密封端盖必须使用至少4个直径至少为2英寸的螺栓,并具有nonferrous close clearance throttle bushing。1955年,美国标准协会(American Standards Association)试图对某些泵的尺寸和术语进行标准化。这项工作导致了American Voluntary Standard(AVS)泵,最终成为ANSI泵。

到1956年,许多目前正在使用的概念设计和应用指南已经制定出来(Elonka,1956)。商用设计包括旋转和静止柔性元件、平衡和不平衡液压负载、橡胶和金属波纹管以及各种弹簧设计和类型。二次密封元件包括O形圈、楔块、U形杯和各种填料。


碳石墨是一种广泛应用的密封面材料,但在碳化钨开始使用的情况下,但配合的密封面通常是铸铁,耐镍,400系列不锈钢,钨铬钴合金或氧化铝陶瓷。硬质合金,特别是钨铬钴合金,常用于不锈钢和工艺泵密封。当使用两个硬面时,碳石墨面通常被铸铁、青铜或碳化钨所代替。


当时,和现在一样,不锈钢被广泛用于弹簧、保持器、套筒和密封端盖。根据设计和材料的不同,这些密封件的温度额定值在200到800华氏度之间。根据设计和材料,压力额定值高达1000 psig。必要时,使用单密封和多密封(称为“双密封”和“串联密封”)来实现所需的性能。毫无疑问,可以公平地说,1950年代机械密封的容许泄漏量比今天大得多。毕竟,在那些日子里,机械密封的泄漏与填料相比,是一个明显的进步!

1956年,日本NOK公司开发了第一款通用机械密封。

Karl Schoenherr本人是机械密封技术的主要贡献者,他认为Durametallic的总工程师Herbert B.Hummer开发了pressure-velocity product(PV)作为机械密封设计和应用的指导方针(Schoenheer,1995)。Hummer的PV工作始于1950年代初,除了PV外,Hummer还演示了轴挠度对密封性能的影响,并制定了极限准则。时任约翰克兰(John Crane)总工程师Schoenherr推广了PV概念,并发表了许多关于机械密封基础知识的文章。

自1950年以来,金属波纹管一直被用作机械密封、阀杆和其他设备的密封元件。1957年,Sealol引进了边缘焊接金属波纹管密封。以前,金属波纹管密封采用的成型波纹管比边缘焊接的金属波纹管厚得多,硬度更高。早期的重点是高温应用。

杜邦公司将第一种氟橡胶Viton A商业化。

1960年代初,Crane Packing公司开发了8B-1型密封,这是其9B型产品的O型圈版本。

1960年代,机械密封的理论研究和试验开始关注表面效应和流体力学。研究人员开始研究和撰写关于“粗糙度”的文章,将其作为一种机械负载支持以及开发流体动力操作的手段。在博格曼(Burgmann),Mayer在密封面上放置了循环槽以促进冷却。在Crane,Trytek开发了hydropadded密封面。

Rayleigh pads已在推力轴承中使用了一段时间,但其硬度不足以防止在机械密封的广泛工作条件下发生表面接触。Muijderman通过使用螺旋凹槽改进了Rayleigh pads。1960年代后期,James F. Gardne在Crane Packing公司工作时,为压缩机开发了非接触式机械密封并申请了专利,该机械密封在密封面上使用了螺旋槽。1989年,AO Lebeck因其采用“ Wavy-Tilt-Dam Seal Ring”非接触式密封而获得了4836561号专利。如今,大多数新压缩机都配备了非接触式干气密封,许多旧压缩机已经过改装以使用它们。

1962年,德国的博格曼(Burgmann)开始开发和生产机械密封。Ehrhard Mayer博士研究并改进了高压应用中带循环槽的热流体动力密封。

1963年左右,碳化钨开始用作密封面材料。

橡胶波纹管以前只能在天然橡胶,氯丁橡胶或丁纳橡胶中使用,于1965年开始由含氟橡胶制成。

1971年,杜邦公司再次以其耐高温、耐腐蚀的全氟橡胶Kalrez革新了橡胶技术。

1972年,固态反应结合碳化硅开始用作机械密封面。

Chesterton为ANSI泵引入了标准集装式密封。以前,ANSI泵上的小密封室(实际上是填料函)规定使用组件密封。

我们今天所知的固定式金属波纹管密封是埃克森美孚巴吞鲁日炼油厂(Exxon’s Baton Rouge refinery)的密封可靠性/开发计划的一部分。埃克森公司的泵业团队对热工密封的可靠性和性能并不满意。从1976年1月开始,埃克森团队使用来自不同密封制造商的零件设计、制造和组装了固定金属波纹管密封件。埃克森美孚的团队测试了19种不同的密封件,然后决定将设计交给密封件制造商进行商业开发。

直到1980年代后期,畅销的ANSI(“chemical duty”)泵的填料函都是为包装而设计的。很难将机械密封件,特别是多个密封件安装到这个狭小的空间中。几个泵和密封件制造商的独立测试证实了这一点:密封件的径向间隙越大,性能越好。结果是扩大了密封室的设计。其他密封室的变化,如锥形和导流叶片,很快就出现。

1990年的《清洁空气法》对泵的逃逸排放进行了限制。密封制造商的回应是改进设计(通常来自计算机建模)和使用更好的材料。重点放在集装密封和多重密封装置上。结果,满足了《清洁空气法》的要求。

事实证明,非接触式干气密封件非常可靠,并在压缩机中很受欢迎,以至于很快将其应用于泵。在1980年代后期,“Upstream Pumping”(Buck and Volden,1990)使用了螺旋沟槽式密封面,利用低压液体缓冲液创建了一种自加压双密封。但是在短短的几年内,液体缓冲液已被阻气层所取代,从而使双干燥气封日益普及。

1994年10月,美国石油学会发布了第一版API标准682“离心泵和旋转泵轴封系统”。该标准是第一个满足炼油行业要求的标准,对密封行业产生了重大影响。除了提供密封件选择指南之外,API 682还要求密封件制造商进行鉴定试验。API 682还设定了可靠性的目标:连续三年的服务。API 682现在已经是第四版了,第五版的工作已经开始。

毫无疑问,机械密封的可靠性自从商业应用以来就已经得到了极大的改善。第一批密封的寿命大概在几个月或更短的数量级上。在1940年代后期,一个用户的机械密封寿命目标是9个月——这与一些炼油厂的操作装置预计仍能正常运行(参考文献10)大致相同。到1960年代初,密封件制造商已经使用PV值设计了两年的磨损寿命。在1970年代初期,大多数泵都使用机械密封,炼油厂泵维修的平均时间为15到30个月。研究(参考文献12)表明,很少有密封件因磨损而失效。随着泵设计的改进(API 610第6、7和8版)、密封设计和应用技术的改进(API 682)以及对细节的仔细关注,一些用户的平均维修间隔时间已超过6年。

机械密封行业经历了多次整合。主要制造商有:

约翰克兰John Crane (Smiths Group of Great Britain) includes Sealol (Rotary), Flexibox, Safematic, Ropac;

福斯Flowserve includes BW/IP (Borg-Warner),   Durametallic,   Five   Star, Pacific Wietz;

伊格尔博格曼EagleBurgmann includes Eagle, Burgmann.

如今,除了螺旋槽和波浪等表面形状外,还开发了具有特殊表面的材料,以促进流体动力提升。激光可用于蚀刻密封面表面微观、性能增强的纹理。压电材料和电子控制正在研究,以创造真正可控的密封。特种密封面花纹、表面及控制技术的应用是一项发展迅速、前景广阔的新兴技术。



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