论文部分内容阅读
摘要：O形圈静密封、组合动密封等是石油井下仪器中最为常见的密封结构形式，应用广泛。本文从工程实践出发，介绍了常见密封形式的适用场合、选用原则和注意事项。
关键词：静密封；动密封；O形圈；组合密封；泄漏量
1 引言
由于石油井下仪器的使用环境极其复杂，存在高温、高压、强腐蚀等恶劣工况，因此需要将仪器内部的电路板、传感器等元器件与外界的油水气介质隔离密封。针对不同的密封介质、环境温度、压力变化等情况，选用经济的密封件和密封结构形式，是井下仪器结构设计的一项重要内容。
2 密封概述
2.1 密封是防止流体或固体颗粒从相邻结合面间泄漏及防止外界杂质（灰尘、水分等）侵入设备内部的零部件和措施。
2.2 静密封通常是指两个静止面之间的密封。密封办法主要是使用垫圈、密封圈、密封胶等。O形密封圈是最常用的静密封结构，常见于压力不高于100MPa以上的场合，密封可靠，零泄漏。
2.3 动密封是指相对运动件之间的密封，分为往复式动密封和旋转式动密封两类。目前多采用成熟的、标准化的组合密封结构，以减小运动摩擦和低速“爬行”现象。此外采用间隙小于（1μm～3μm）的刚体密封方式，在高压柱塞泵等应用场合也应用广泛。从原理上讲，往复动密封往往存在一定的泄漏量。
3 密封形式的选用考虑因素
3.1 密封介质
密封介质有矿物油、液压油、水、气体、泥浆、固体等。介质和密封件之间的相容性很重要。如井下仪器因长期接触油、水介质，密封圈一般选用耐油的丁腈橡胶（NBR）、氟橡胶（FKM）等材质加工，天然橡胶（NR）、硅橡胶（VMQ）等不耐油不宜选用。
3.2 环境温度
主要与密封件的材料、密封面配合间隙等因素关系较大。常用橡胶材料的推荐使用温度范围为：天然橡胶（NR）（-60～+100）℃、丁腈橡胶（NBR）（-55～+130）℃、氢化丁腈橡胶（HNBR）（-30～+150）℃、氟橡胶（FKM）（-40～+250）℃、硅橡胶（VMQ）（-70～+280）℃。【1】更高温度的密封可能要选用金属材质、石墨或聚四氟乙烯等材质加工的密封件。
3.3 压力作用形式
密封件的选用、安装时，需要考虑压力的大小、方向及交变情况。主要原因有：
1）密封件的耐压能力是有限的；如O形圈的使用压力上限为35MPa，超过该压力则要求增加挡圈，防止O形圈被压力挤到密封间隙而“咬伤”；唇形密封圈的使用压力上限为35MPa，不宜超压使用；
2）大部分密封件的安装是有方向要求的；如唇形密封圈、车氏密封等要求密封件唇口朝着压力方向，否则就起不到密封作用，而O形圈能密封双向压力。使用O形圈作为端面密封件，受内压或外压作用时，沟槽与O形圈的配合面是不一样的，需防止O形圈扭曲、损坏。
3.4 其它因素
如工作寿命、强腐蚀性、气密性、食品药品卫生、极低温等，这些一般在具体设计时考虑，不再详述。
4 常见密封形式及设计要点
4.1 双O形圈密封+螺纹连接方式
这种结构形式是最常用的，广泛用于井下仪器及地面仪器的高、低压静密封处。螺纹起到连接作用，并便于将O形圈引导进入密封面。设计和选用这种结构形式时，需要关注：
1）选择合理压缩率和拉伸率参数；一般静密封推荐压缩率为15%-30%；压缩率并非越大越好，过大会导致永久变形和装配困难（特别是胶料硬度高时），这也是诱发螺纹粘扣的一大原因；一般拉伸率推荐为1.03-1.04，相对于压缩率，拉伸率容易被人忽视。拉伸率过小会导致旋入时密封圈松动，或被挤到一侧；拉伸率过大会导致应力松弛，影响密封寿命；
2）直口与密封槽槽顶的配合间隙；一般情况下间隙越小，O形圈抗挤出“咬伤”的能力越强，耐压越高；该间隙由配合公差和同轴度公差同时决定；实际应用中，一般采用了比密封手册推荐值至少大一倍的配合間隙；
3）密封面粗糙度；密封面粗糙度主要影响密封圈的使用寿命和密封效果；井下仪器一般要求密封面粗糙度不低于1.6，并绝对禁止密封面螺旋形损伤或轴向贯穿形损伤；
4）同轴度；不同轴可能导致密封圈偏心受压从大间隙挤出“咬伤”发生或密封面研伤、粘扣等严重问题；
5）其它事项：直口、密封槽顶部的圆角是为了便于装配、防止密封圈损伤；选择合理的密封槽宽度，防止密封圈翻滚；直口处保证合适的壁厚，减少受压变形等。
4.2 组合密封结构
单一的密封结构往往无法胜任极其恶劣、复杂的工况。为此利用不同材质弹性体、不同密封形式进行二次组合，设计出组合密封结构。车氏密封是常用的一种高压动密封结构，见图1，其由O形圈和齿形滑环两部分组成。齿形滑环采用填充聚四氟乙烯材质，并设计特殊的齿形结构，以减少与传动轴的摩擦系数。O形圈为氟橡胶材质，耐高温性能好，且提供齿形滑环与传动轴的初始预紧力，保证低压密封可靠性，且随着外压的升高密封越严实。该组合密封既能保证仪器内部构件与外部环境的可靠密封，又能有效减少外压对传动轴输出扭矩的影响。
1）传动轴轴肩处应安装轴承对，用于定心和承受轴向力，减小转动摩擦力；
2）车氏密封应按正确方向安装，唇口及O形圈正对压力的方向；
3）密封面粗糙度有较高要求，内孔不低于0.8，轴外圆不低于0.4，严禁螺旋形损伤和轴向贯穿形损伤；
4）内孔密封面倒角按样本要求设计，可适当加大，锐边倒圆；如轴外圆有台阶，应平滑过渡；
5）隔环厚度及尺寸参考样本设计要求，保证车氏密封足够的压缩率；
6）通常采用开式沟槽，便于安装更换。
4.3 其他密封方式
1）（软金属）垫片密封；通过螺纹等方式夹紧，使垫片产生塑性变形，从而达到填料密封的效果；密封可靠，但不太适用于常拆卸的位置；
2）锥面—球面线密封或锥面—圆口线密封等结构，常用于阀类零件；要求较高的加工精度和形位公差，密封可靠高、寿命长；
3）液体隔离气密封；在不易拆卸更换的密封构件前端灌入硅油，对气体起到隔离密封作用，在高压气井类仪器中使用效果较好。【2】
5 结束语
密封是井下仪器结构设计时需要面对和解决的问题，建议尽量采用成熟技术和已用结构，关注注意事项，进行充分计算、分析及验证。密封零件加工时应关注粗糙度、形位公差、圆角等要求。装配时严格执行清洁、润滑等工艺要求，注意密封件安装方向，避免野蛮装配造成密封件损伤。本文内容为笔者根据实际工作中遇到的问题搜集整理而得，希望对井下仪器的密封结构设计工作起到一定的参考作用。
参考文献
[1]《中国航空材料手册 第六卷 橡胶 密封剂 燃料及润滑材料》，中国标准出版社，1989年2月第一版
（作者单位：贵州航天凯山石油仪器有限公司）
关键词：静密封；动密封；O形圈；组合密封；泄漏量
1 引言
由于石油井下仪器的使用环境极其复杂，存在高温、高压、强腐蚀等恶劣工况，因此需要将仪器内部的电路板、传感器等元器件与外界的油水气介质隔离密封。针对不同的密封介质、环境温度、压力变化等情况，选用经济的密封件和密封结构形式，是井下仪器结构设计的一项重要内容。
2 密封概述
2.1 密封是防止流体或固体颗粒从相邻结合面间泄漏及防止外界杂质（灰尘、水分等）侵入设备内部的零部件和措施。
2.2 静密封通常是指两个静止面之间的密封。密封办法主要是使用垫圈、密封圈、密封胶等。O形密封圈是最常用的静密封结构，常见于压力不高于100MPa以上的场合，密封可靠，零泄漏。
2.3 动密封是指相对运动件之间的密封，分为往复式动密封和旋转式动密封两类。目前多采用成熟的、标准化的组合密封结构，以减小运动摩擦和低速“爬行”现象。此外采用间隙小于（1μm～3μm）的刚体密封方式，在高压柱塞泵等应用场合也应用广泛。从原理上讲，往复动密封往往存在一定的泄漏量。
3 密封形式的选用考虑因素
3.1 密封介质
密封介质有矿物油、液压油、水、气体、泥浆、固体等。介质和密封件之间的相容性很重要。如井下仪器因长期接触油、水介质，密封圈一般选用耐油的丁腈橡胶（NBR）、氟橡胶（FKM）等材质加工，天然橡胶（NR）、硅橡胶（VMQ）等不耐油不宜选用。
3.2 环境温度
主要与密封件的材料、密封面配合间隙等因素关系较大。常用橡胶材料的推荐使用温度范围为：天然橡胶（NR）（-60～+100）℃、丁腈橡胶（NBR）（-55～+130）℃、氢化丁腈橡胶（HNBR）（-30～+150）℃、氟橡胶（FKM）（-40～+250）℃、硅橡胶（VMQ）（-70～+280）℃。【1】更高温度的密封可能要选用金属材质、石墨或聚四氟乙烯等材质加工的密封件。
3.3 压力作用形式
密封件的选用、安装时，需要考虑压力的大小、方向及交变情况。主要原因有：
1）密封件的耐压能力是有限的；如O形圈的使用压力上限为35MPa，超过该压力则要求增加挡圈，防止O形圈被压力挤到密封间隙而“咬伤”；唇形密封圈的使用压力上限为35MPa，不宜超压使用；
2）大部分密封件的安装是有方向要求的；如唇形密封圈、车氏密封等要求密封件唇口朝着压力方向，否则就起不到密封作用，而O形圈能密封双向压力。使用O形圈作为端面密封件，受内压或外压作用时，沟槽与O形圈的配合面是不一样的，需防止O形圈扭曲、损坏。
3.4 其它因素
如工作寿命、强腐蚀性、气密性、食品药品卫生、极低温等，这些一般在具体设计时考虑，不再详述。
4 常见密封形式及设计要点
4.1 双O形圈密封+螺纹连接方式
这种结构形式是最常用的，广泛用于井下仪器及地面仪器的高、低压静密封处。螺纹起到连接作用，并便于将O形圈引导进入密封面。设计和选用这种结构形式时，需要关注：
1）选择合理压缩率和拉伸率参数；一般静密封推荐压缩率为15%-30%；压缩率并非越大越好，过大会导致永久变形和装配困难（特别是胶料硬度高时），这也是诱发螺纹粘扣的一大原因；一般拉伸率推荐为1.03-1.04，相对于压缩率，拉伸率容易被人忽视。拉伸率过小会导致旋入时密封圈松动，或被挤到一侧；拉伸率过大会导致应力松弛，影响密封寿命；
2）直口与密封槽槽顶的配合间隙；一般情况下间隙越小，O形圈抗挤出“咬伤”的能力越强，耐压越高；该间隙由配合公差和同轴度公差同时决定；实际应用中，一般采用了比密封手册推荐值至少大一倍的配合間隙；
3）密封面粗糙度；密封面粗糙度主要影响密封圈的使用寿命和密封效果；井下仪器一般要求密封面粗糙度不低于1.6，并绝对禁止密封面螺旋形损伤或轴向贯穿形损伤；
4）同轴度；不同轴可能导致密封圈偏心受压从大间隙挤出“咬伤”发生或密封面研伤、粘扣等严重问题；
5）其它事项：直口、密封槽顶部的圆角是为了便于装配、防止密封圈损伤；选择合理的密封槽宽度，防止密封圈翻滚；直口处保证合适的壁厚，减少受压变形等。
4.2 组合密封结构
单一的密封结构往往无法胜任极其恶劣、复杂的工况。为此利用不同材质弹性体、不同密封形式进行二次组合，设计出组合密封结构。车氏密封是常用的一种高压动密封结构，见图1，其由O形圈和齿形滑环两部分组成。齿形滑环采用填充聚四氟乙烯材质，并设计特殊的齿形结构，以减少与传动轴的摩擦系数。O形圈为氟橡胶材质，耐高温性能好，且提供齿形滑环与传动轴的初始预紧力，保证低压密封可靠性，且随着外压的升高密封越严实。该组合密封既能保证仪器内部构件与外部环境的可靠密封，又能有效减少外压对传动轴输出扭矩的影响。
1）传动轴轴肩处应安装轴承对，用于定心和承受轴向力，减小转动摩擦力；
2）车氏密封应按正确方向安装，唇口及O形圈正对压力的方向；
3）密封面粗糙度有较高要求，内孔不低于0.8，轴外圆不低于0.4，严禁螺旋形损伤和轴向贯穿形损伤；
4）内孔密封面倒角按样本要求设计，可适当加大，锐边倒圆；如轴外圆有台阶，应平滑过渡；
5）隔环厚度及尺寸参考样本设计要求，保证车氏密封足够的压缩率；
6）通常采用开式沟槽，便于安装更换。
4.3 其他密封方式
1）（软金属）垫片密封；通过螺纹等方式夹紧，使垫片产生塑性变形，从而达到填料密封的效果；密封可靠，但不太适用于常拆卸的位置；
2）锥面—球面线密封或锥面—圆口线密封等结构，常用于阀类零件；要求较高的加工精度和形位公差，密封可靠高、寿命长；
3）液体隔离气密封；在不易拆卸更换的密封构件前端灌入硅油，对气体起到隔离密封作用，在高压气井类仪器中使用效果较好。【2】
5 结束语
密封是井下仪器结构设计时需要面对和解决的问题，建议尽量采用成熟技术和已用结构，关注注意事项，进行充分计算、分析及验证。密封零件加工时应关注粗糙度、形位公差、圆角等要求。装配时严格执行清洁、润滑等工艺要求，注意密封件安装方向，避免野蛮装配造成密封件损伤。本文内容为笔者根据实际工作中遇到的问题搜集整理而得，希望对井下仪器的密封结构设计工作起到一定的参考作用。
参考文献
[1]《中国航空材料手册 第六卷 橡胶 密封剂 燃料及润滑材料》，中国标准出版社，1989年2月第一版
（作者单位：贵州航天凯山石油仪器有限公司）