剖分环联接界面磁性液体密封的熔盐泵用剖分式机械密封的制作方法

本技术属于机械密封技术领域，涉及剖分式机械密封和磁性液体密封技术，适用于熔盐泵壳体与泵轴之间的密封。

背景技术：

本世纪以来，由于世界范围内的能源和资源紧缺程度日趋严重，温室气体效应等相关环境问题日益突出，因此寻求可持续、安全稳定且环境友好的能源受到了各国关注。2002年第四代核能国际论坛(gif)政策组发布了技术路线图，提出了几乎为所有核能国家所接受的6种堆型，其中3种分别是钠冷快堆、铅冷快堆和气冷快堆，另3种是超高温堆、超临界水堆和熔盐堆。其中，熔盐堆因效率高、废弃物排放少、在堆芯区域压力低等优点备受世界各国关注。

按照现有技术，熔盐泵借鉴轻水堆(包括压水堆和沸水堆)、重水堆、石墨气冷堆的第3级密封，即采用润滑油作阻塞流体的双端面机械密封或采用气体作阻塞流体的干气密封来实现密封。然而，机械密封动环、静环之间的相对转动产生的端面摩擦磨损，以及辅助密封o型圈的老化，都会导致机械密封失效；这种情况下，就需要更换或拆卸维修机械密封。由于现行使用的机械密封均为整体式的，在更换易损件时必须拆卸轴端的配合件，工程量大、耗时长、费用高，因此，自90年代就有人开始研究剖分式机械密封，期待以此取而代之。然而，剖分式机械密封的实现存在两大技术难点：一是剖分环联接界面的密封，二是剖分式辅助密封圈的设计。本专利主要探讨剖分式机械密封的剖分环联接界面密封问题；剖分式辅助密封圈的设计问题已通过另一专利力图解决。

从现有公知技术可以看到，目前密封环联接界面的密封方法可分为三种：一种是将脆性整环以断面形式分开(satot,okuboh.splitmechanicalseal:us,2010/0264597a1[p].2010-10-21；nagaiy,matsushitam,yamauchiy.mechanicalsealincludingasplitsealring:us,5067733[p].1991-11-26；sangrenje,poterjs.rotat-ingsealringcomponentkitforamechanicalsplitseal:us,5913521[p].1999-06-22)，安装时再合并，该方法具有较好的密封性能，但只能一组配对，不具备互换性(bezakr.designandapplicationofsplitmechanicalendfaceseals[j].lubrica-tionengineering,1978,34(6):304-308-319)，而且制作时成品完好率不高；再一种是分型表面开有沟槽，槽内放置密封件(武鹏,付国涛,叶素丹,吴大转.剖分式机械密封及装有剖分式机械密封的双螺杆泵:中国,103388580a[p].2013-11-13)，该方式具有良好的密封性能，但要求对沟槽尺寸及密封件压缩量进行严格控制，以防止密封件溢出动、静环密封端面或短缩于分型表面达不到动、静环密封端面处，导致动、静环密封端面不能贴合或近密封端面处的分型面存在径向泄漏通道；最后一种是将各分型面加工足够光滑，依靠分型面直接接触实现密封(aziberthv.splitmechanicalfaceseal:us,4576384[p].1986-03-18；aziberthv.universalsplitmechanicalseal:us,5571268[p].1996-11-05；jamesb,harriskl.splitmechanicalfaceseal:us,6485023b2[p].2002-11-26；孙见君，胡琼，佘宝秋，涂桥安，等.具有自紧密封能力的剖分式机械密封:cn,103307284b[p].2015-10-21.)，该方法最受欢迎，但在受热或承受介质压力时，平角半环将变形为钝角扇形环，分型面形成内径侧紧贴接触、外径侧分离状态(胡琼.基于多场耦合效应的剖分式机械密封性能研究[j].南京：南京林业大学学位论文,2016)，诱发泄漏。

实际上，动、静环的剖分，打破了密封环的整体性，增加了沿剖分面的泄漏通道，同时改变了在受热或承压条件下剖分环原有的沿轴心线的对称式变形形式，致使剖分联接界面形成收敛型间隙，引发剖分面径向泄漏以及静环外柱面与辅助密封圈间的轴向泄漏，这也是剖分式机械密封至今未能得到广泛应用，只适合工作参数较低场合的原因。

技术实现要素：

针对上述现有技术不足，本专利旨在提供一种用于剖分式机械密封剖分环联接界面的密封技术，即将磁性液体密封技术运用到剖分式机械密封的剖分环联接界面，解决安装时动、静环剖分联接界面泄漏通道以及工作时剖分环不对称变形引起的剖分联接界面收敛型间隙的流体泄漏问题。

本专利的技术解决方案是：一种剖分环联接界面磁性液体密封的熔盐泵用剖分式机械密封，由转轴1、键2、传动套3、弹簧座4、弹簧5、动环座6、开有对接口的o形圈ⅰ7、动环8(两个半环组成)、静环9(两个半环组成)、开有对接口的o形圈ⅱ10、静环座11、第一永磁体12、第一极靴13、第二极靴14、第二永磁体15组成，为保证剖分环安装精准，安装方法以及安装辅助设备可参考中国专利cn103968077a。组成动环8的两个半环和组成静环9的两个半环在每对剖分环联接界面上分别嵌有组成一对磁力发生机构的第一、第二磁力发生机构；第一磁力发生机构包括第一极靴13、第一永磁体12；第二磁力发生机构包括第二极靴14、第二永磁体15；一对磁力发生机构中的第一磁力发生机构与第二磁力发生机构以半环剖分面对称，但第一永磁体12和第二永磁体15极性相反，第一永磁体12和第二永磁体15产生的磁场方向垂直于半环剖分面，第一极靴13和第二极靴14的相对工作面上具有沿半环的径向方向和轴向方向上均间隔排列的极齿和齿槽，第一极靴13和第二极靴14朝向密封环端面的平面在紧邻剖分界面的边缘也有一组间隔排列的极齿和齿槽，在第一极靴13的极齿和第二极靴14的极齿之间注满磁性液体，组成动环8的一对半环和组成静环9的一对半环分别以剖分界面为对称面固定安装，剖分环联接界面上以及剖分环联接界面朝向密封环端面径向密封带上的磁性液体在磁力作用下形成阻封磁性流体液膜，封堵住动环8和静环9的剖分环联接界面周向间隙引起的径向泄漏通道和轴向泄漏通道，以及剖分界面与密封环密封端面之间的轴向间隙引起的径向泄漏通道。

所述每对磁力发生机构中的第一极靴13与第二极靴14相对工作面上的极齿间存在间隙，间隙为0.05～0.2mm，第一极靴13和第二极靴14朝向密封环端面的极齿端面低于密封环端面0.1mm。

所述第一永磁体12和第二永磁体15是沿垂直于半环剖分面的方向上充磁的，第一极靴13和第二极靴14相对工作面和朝向密封环端面的工作面有等间距分布的极齿和齿槽，并且第一极靴13与第二极靴14相对工作面上的极齿相互对应，永磁体磁力、极靴上极齿的数目和排列规律根据实际应用条件设计。

所述第一极靴13和第二极靴14分别嵌入在剖分环剖分联接界面对应的凹槽中，极靴与剖分环过盈配合。

所述第一极靴13和所述第二极靴14在半环径向方向上的外侧边缘与动环8或静环9的外径和弧度相等，第一极靴13和第二极靴14在半环径向方向上的内侧边缘与动环8或静环9的内径和弧度相等；第一极靴13和第二极靴14相对的工作面在动环8和静环9的剖分环联接界面的内径到外径范围内形成“l形”。

安装时，在所述转轴1上按顺序套上传动套3、弹簧座4、弹簧5、动环座6、静环座11，传动套3通过键2连接与转轴1周向固定，传动套3内壁面有半圆形凸台17，弹簧座4外壁面有与半圆形凸台匹配的u型槽，弹簧座4按凹凸位置对应套入传动套3内保持周向固定；动环座6左侧外圆表面也加工有与传动套3内壁面半圆凸台17对应的u型槽，动环座6按凹凸位置对应套入传动套3保持周向固定。

所述动环座6和静环座11上分别设置有四个螺纹孔，组成动环8的两个半环和组成静环9的两个半环凸缘上分别加工有与剖分面平行的两个平台16，安装时，先将开有v形口的o形圈ⅰ塞入动环8内的槽中，然后将组合成动环8模块的两个半环和组合成静环9模块的两个半环包在转轴1上，将开有v形口的o形圈ⅱ塞入静环9外壁面的槽中，把动环8和静环9分别推入动环座6和静环座11的孔中，并使动环座6和静环座11上的每个螺纹孔分别对准动环8和静环9凸缘上的平台16，在保证两个半环端面保持为完整的圆环平面并与转轴轴线垂直(方法参照中国专利cn103968077a)后用四个螺钉分别拧入动环座6和静环座11上的螺纹孔中压紧组成动环8的两个半环和组成静环9的两个半环，四个螺钉拧紧力矩相等，使动环剖分面和静环剖封面保持所需要的压力，同时也保证了动环座6与动环8、静环座11与静环9的周向固定和轴向固定。

所述的一种剖分环联接界面磁性液体密封的熔盐泵用剖分式机械密封共有五个泄漏通道：动环8与转轴1之间、静环9与静环座11之间、动环8剖分界面、静环9剖分界面、动环8与静环9密封端面之间，前四个泄漏通道属于静密封，动环8与转轴1之间和静环9与静环座11之间用开有v形口的o形圈密封，剖分环联接界面用磁性流体密封技术密封；动环8与静环9密封端面之间属于动密封，通过密封腔内介质压力和动环座6左端的弹簧力给动环8与静环9密封端面施加力使之紧密贴合从而实现密封。

剖分环联接界面磁性液体密封原理：将一组磁力发生机构对称于剖分面设置在剖分面的端部，磁极相反，并充填磁性液体于磁力发生机构之间，在磁场磁力的作用下，磁性液体由于自身的液态流动性以及磁性作用，均匀分布于剖分环剖分联接界面之间，并依靠恒定的磁力作用稳定存在，形成阻碍被密封介质流经剖分环联接界面的能力。

磁性液体是铁磁性物质如(fe3o4、cofe2o4、r-fe2o3)等颗粒表面吸附上一层界面活性剂，这种活性剂可使其均匀且稳定地分散在基液中，形成一种含有磁性固体微粒的胶体溶液；磁力发生机构主要包括永磁体和极靴，极靴上开有极齿和齿槽，磁力发生机构与密封表面具有一定的磁场间隙，磁性液体密封能力随密封间隙的增大而减小，密封间隙在0.05～0.2mm时效果较好(顾建明,许永兴,陆明琦,芮菁.磁流体密封间隙对密封性能的影响[j].上海交通大学学报,1999(03):136-138.)。

常用的极靴与永磁体分布式间隔排列的磁力发生机构，在极靴处产生带状密封界面，适合于对单一方向密封，如用作转轴圆柱面上的径向密封。基于本方案剖分环联接界面密封属于面密封，以及磁力发生机构不能延生至密封环密封端面以免形成端面磨损，设计时需要考虑两处间隙带来的泄漏(如附图3)：一个是由密封环剖分界面周向间隙引起的径向泄漏和轴向泄漏，另一个是由剖分界面与密封环密封端面间的轴向间隙引起的径向泄漏。

本方案采用一对磁力发生机构，分别相对安装在剖分环对应的两个剖分面上，两个永磁体对应面极性相反(s-n—s-n)，使得上下两个永磁体之间能够形成近似垂直于密封界面的磁力线，磁力线可以覆盖整个密封平面，在剖分环联接界面相对工作面上以及剖分环联接界面朝向密封环端面的一侧吸附的磁性液体膜是完整的交叉带状，能够承受剖分界面轴向及径向两个方向的密封要求，并把极靴距离密封端面的轴向间隙也密封住。在剖分面上极齿与齿槽交错排列，可简化模型计算单个极齿与齿槽能承受的密封压差，齿下磁场最强槽下磁场最弱则任一级的极限密封压差为δpmax＝ms(bmax-bmin)，n级密封的极限密封压差的计算值δpmax＝nms(bmax-bmin)。可推出磁性液体密封耐压公式：

式中：n——极齿的齿数；

ms——饱和磁化强度；

δbi——极齿与轴面间的密封间隙中单级极齿下的最大和最小磁感应强度间的差值；

μ0——起始磁导率；

g——密封间隙；

β——倾角；

s——槽宽。

由此公式可以得出磁性液体的密封压力与永磁体的性能、极靴的齿数n、饱和磁化强度ms以及极齿与转轴间的密封间隙中单级极齿下的最大磁场强度和最小磁场强度之间的差值δbi之间的关系。当饱和磁化强度ms和极齿与转轴间的密封间隙中单级极齿下的最大磁场强度和最小磁场强度之间的差值δbi保持不变时，极靴的齿数n越多，密封件的耐压能力越强；当极靴的齿数n和极齿与转轴间的密封间隙中单级极齿下的最大磁场强度和最小磁场强度之间的差值δbi保持不变时，饱和磁化强度ms越大，密封件的耐压能力越强；当极靴的齿数n和饱和磁化强度ms保持不变时，极齿与转轴间的密封间隙中单级极齿下的最大磁场强度和最小磁场强度之间的差值δbi越大，密封件的耐压能力越强。

本专利具有的优点和积极效果是：

(1)装拆方便，维修成本低。采用剖分式机械密封结构，装拆时无需拆卸轴端零件，方便了动、静环的更换，大大缩短了维修时间，降低了维修成本。

(2)零泄漏。在动环和静环的剖分环联接界面之间运用磁性液体密封技术，可以使剖分环剖分面的径向泄漏通道和轴向泄漏通道、剖分界面与密封端面间的径向泄漏通道，以及静环外圆柱面与辅助密封圈间的轴向泄漏通道实现磁性液体阻封，保证被密封介质无泄漏。

(3)长寿命。磁性液体是一种惰性、稳定、低蒸汽压的含磁性固体颗粒胶体溶液，具有良好的物性，能长期贮存在剖分界面，保证了机械密封剖分面的密封寿命。

(4)具有承受剖分环形变而保持剖分面密封的能力。在受热或承压条件下剖分环产生不对称变形会引起剖分联接界面形成收敛型间隙，磁性液体能迅速填补间隙的特性，保证了磁性液体密封中磁性液体的移动实时同步于密封间隙的微量变化，保存阻封能力。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本专利进一步说明。

图1是剖分式机械密封的剖面图；

图2是剖分环的剖分面极靴装配爆炸图；

图3是剖分环联接界面轴向、径向的泄漏方向示意图；

图4是剖分环结构示意图；

图5是一对磁力发生机构的相对工作面磁力线方向示意图；

图6是一对磁力发生机构磁力线示意图；

图7是剖分环联接界面极齿间的磁力循环线示意图；

图8是组成动环的其中一个剖分环的剖分面图；

图9是组成静环的其中一个剖分环的剖分面图；

图10是动、静环凸缘上的平台位置示意图；

图11是传动套3的轴向视图；

图12是一个极齿磁场分割模型。

图中：1—转轴，2—键，3—传动套，4—弹簧座，5—弹簧，6—动环座，7—开有对接口的o形圈ⅰ，8—动环(两个半环组成)，9—静环(两个半环组成)，10—开有对接口的o形圈ⅱ，11—静环座，12—第一永磁体，13—第一极靴，14—第二极靴，15—第二永磁体，16—平台，17—传动套内壁半圆凸台

具体实施方式

为了能够更清楚的描述本专利的上述特征和优点，下面结合附图对本专利的具体实施方式进行进一步的说明。

在转轴1上安装此剖分环联接界面磁性液体密封的熔盐泵用剖分式机械密封，其步骤如下：

步骤1、先将键2安装在转轴1的键槽内，然后将传动套3套到转轴1上，传动套3底部的键槽与键2配合，接着将装有一周等距分布的弹簧5的弹簧座4安装到传动套3内部，此时要将弹簧座4外侧的凹槽与传动套3内壁的半圆形凸台17一一对应，再把动环座6安装到传动套3内部，此时要将动环座6外侧的凹槽与传动套3内壁的半圆形凸台17一一对应，弹簧5左端顶紧弹簧座4并使弹簧座4与传动套3内底紧密贴合，弹簧5右端顶紧动环座6，最后将静环座11套到转轴1上(传动套3、弹簧座4、动环座6和静环座11与转轴1均为间隙配合)；

步骤2、先把第一永磁体12分别嵌入第一极靴13的槽内，第二永磁体15分别嵌入第二极靴14的槽内，极靴与永磁体两两配合组合成四对剖分面磁力发生机构；再分别把这四对剖分面磁力发生机构压入组成动环8和静环9的四个半环的剖分面上的槽内，磁力发生机构与剖分面上的槽过盈配合，并在配合面涂上粘接胶，其中安装在一对剖分面上的一对磁力发生机构的第一永磁体12和第二永磁体15极性相反安装；接着用注射器在第一极靴13的极齿和第二极靴14的极齿之间注满磁性液体；

步骤3、先将开有对接口的o形圈ⅰ塞入动环8内的槽中，然后将组合成动环8模块的一对半环和组合成静环9模块的一对半环包在转轴1上，两两对捧，将开有对接口的o形圈ⅱ塞入静环9外壁面的槽中，把动环8和静环9分别推入动环座6和静环座11的孔中，并使动环座6和静环座11上的每个螺纹孔分别对准动环8和静环9凸缘上的平台16，在保证两个半环端面保持为完整的圆环平面并与转轴轴线垂直(方法参照中国专利cn103968077a)后用四个螺钉分别拧入动环座6和静环座11上的螺纹孔中压紧组成动环8的两个半环和组成静环9的两个半环，四个螺钉拧紧力矩相等，使动环剖分面和静环剖封面保持所需要的压力，同时也保证了动环座6与动环8、静环座11与静环9的周向固定和轴向固定；安装完成后四对第一极靴13和第二极靴14相对的工作面在动环8和静环9的剖分环联接界面的内径到外径范围内形成“l形”，磁性液体在磁力作用下形成阻封磁性流体液膜，封堵住动环8和静环9的剖分环联接界面；

步骤4、推动静环座15使静环11与动环10的密封端面贴合，最后固定静环座11，使静环座11相对于壳体静止；

安装完成后如图1所示：当转轴1转动时，通过传动键2带动传动套3、由传动套3通过内壁面的半圆形凸台17带动弹簧座4和动环座6、再通过动环座6上压紧动环8凸缘平台16的螺钉带动动环8随转轴旋转；而两个半环组成的静环9则被穿过静环座11压紧静环9凸缘平台16的紧定螺钉固定，静环9与静环座11保持周向固定和轴向固定，介质压力和弹簧力作用在动环座6的左端面上，形成足够的密封端面比压，从而实现了动环8与静环9密封端面的动密封；转轴1与动环8之间间隙通过开有对接口的o形圈ⅰ实现静密封，静环9与静环座11之间间隙通过开有对接口的o形圈ⅱ实现静密封，密封环剖分界面周向间隙引起的径向泄漏和轴向泄漏，以及剖分界面与密封环密封端面间的轴向间隙引起的径向泄漏，都通过磁性液体实现密封。

下面选取某一型剖分环联接界面磁力机构，计算其承压能力。选取永磁体为钕铁硼g45eh，剩磁bf/t为1.28～1.36，内禀矫顽力2387hcj/ka·m^-1，矫顽力971hcb/ka·m^-1，最大磁能积318～358(bh)max/ka·m^-3；磁性液体型号mf01(北京交通大学制备，李德才.磁性液体密封理论及应用[m].北京：科学出版社，2010.)，基液为机油，饱和磁化强度ms为450gs，密度1.23(kg/m³)×10³，黏度20(25℃)/cp，起始磁导率μ0为0.8m/h；假设极靴的极齿齿宽a为0.9mm，极齿之间密封间隙g为0.1mm，边缘磁通范围取m＝2g。

将模型简化，用图12表示一个极齿磁场分割模型来计算磁压降，根据图形将一个极齿周围的磁场划分为5种磁通管，共有一个矩形磁通管ⅰ，四个1/4圆柱体ⅱ，四个1/4空心圆柱体ⅲ，四个1/8球体ⅳ，四个1/8空心球体ⅴ，分别计算各个磁通管的磁压降fg。

矩形磁通管ⅰ：

1/4圆柱体ⅱ：

1/4空心圆柱体ⅲ：

1/8球体ⅳ：

1/8空心球体ⅴ：

总的磁压降：

fg＝fg1+4×(fg2+fg3+fg4+fg5)＝0.0103

齿下磁场最强

槽下磁场最弱

则任一级的极限密封压差为δpmax＝ms(bmax-bmin)＝25668pa

根据本方案剖分环联接界面磁靴结构，按上述极齿尺寸设计，极靴平面轴向最小截面处有5道极齿，则轴向能够承受压差：

δpx＝nms(bmax-bmin)＝0.128mpa

极靴平面径向最小截面处有6道极齿，则径向能够承受压差：

δpy＝nms(bmax-bmin)＝0.154mpa

由熔盐泵用机械密封泵腔工作压力0.05mpa，可知此型剖分式机械密封环联接界面磁性液体密封的密封性能足够满足工况要求。