钻头中得以应用 , 产品规格分布在 21519 ～44415 mm 同时又独立起到静密封的作用 。这种密封结构减少了 一只需要旋转的橡胶圈 , 同时也就减少了至少 2 个接 触面 , 有 助 于 提 高 密 封 性 能 和 钻 头 使 用 的 可 靠 性

　　112 采用新技术提高摩擦副材料性能 单金属浮动密封的工况较为恶劣 , 环境介质常常 具有较强的磨砺性 , 所以要求浮动金属密封摩擦副具

　　1998 年 , Baker Hughes Christensen 公司推出应用 了该技术的单金属密封高速滚动轴承牙轮钻头 , 其采 用的单金属浮动密封 (简称 SEMS) 如图 3 所示 , 其 特点在于增加了背部支撑橡胶环 , 该钻头在墨西哥湾 [9 ] ( GOM ) 地区的平均寿命超过了 55 h 。 2003 年 , 该公司对其进行了改进 , 开发出新一代单金属浮动密 封 (简称 SEMS2 ) , 改进之处包括橡胶增能圈及对应 牙爪密封面的几何形状 、背部支撑环的几何形状 、金 属密封环的端面尺寸和表面强化处理 。 2005 年中期 在市场上推出了使用 SEMS2 技术的 MXL 系列牙轮钻 头产品 , 在 GOM 地区的钻井统计资料表明 , 在 80% 的可 靠 度 下 , 21519 mm 钢 齿 SEMS2 牙 轮 钻 头 较 SEMS牙轮钻头和常规径向橡胶密封牙轮钻头的平均 [ 10 - 11 ] 工作总转数分别提高了 38%和 47% 。

　　摘要 : 与传统的双橡胶圈浮动密封相比 , 单金属浮动密封具有占用空间小 、承受转速高Kaiyun 开云 、磨损小的优点 。在国外钻 井工程中的实际应用表明 , 该技术能大幅度提高密封件的可靠性和工作寿命 , 是一种高性能的密封新技术 , 值得在国内 化技术在单金属浮动密封中的应用情况 , 指出通过表面强化技术提高密封摩擦副的性能 、建立混合润滑状态下单金属浮 动密封的设计理论 、采用 CAE技术优化密封端面参数是研究开发单金属浮动密封有效途径 , 其中采用 CAE 技术优化密 封端面参数将是单金属浮动密封研究的近期目标 。 关键词 : 单金属浮动密封 ; 计算机辅助工程 ; 表面处理 ; 混合润滑 中图分类号 : TH136 文献标识码 : A 文章编号 : 0254 - 0150 ( 2008 ) 3 - 099 -Kaiyun 开云 5

　　金属浮动密封是一 种具 有 良 好 的 耐 高 温 、 耐磨 性 能 的 密 封 结 构 , 广泛应用于石油 、矿山 、 航空等领域的恶劣工况 [1 - 6 ] 场合 。早 期 使 用 的 浮动密封为双橡胶圈结 图 1 浮动密封结构 构 , 如图 1 所示 , 2 个硬 Fig 1 Structure of the floating seal 度很高的金属端面密封 环和 2 个 O 型橡胶密封圈构成密封装置 , 结构对称 , 2 个密封环一个旋转一个静止 , 靠接触面的轴向压力 压紧形成端面密封 。当周围的介质压Kaiyun 开云力发生变化 、密 封环磨损和承受一定的倾覆力矩时 , 在 O 型橡胶密 [5] 封圈的弹性力作用下 , 密封仍能保持正常工作 。

　　目前国内厂家和研究单位对单金属浮动密封技术 的研究和开发相对滞后 , 采用该技术的国产牙轮钻头 仍属空白 。鉴于国内油气钻井行业对长寿命 、开云 开云体育高转速 牙轮钻头的迫切需要 , 从国外密封技术的发展过程来 看 , 采用单金属浮动密封是一个必然趋势 , 且该技术 在矿业资源开采设备 、工程机械等领域也具有良好的 应用前景 。 1 单金属浮动密封技术特点

　　密封行业推广 。介绍了单金属浮动密封的应用特点 、润滑模型 、计算机辅助工程 ( CAE ) 在理论研究中的应用 、表面强

　　有硬度高 、开云 开云体育抗磨性能好 、滑动摩擦因数低 、热变形小 等特点 , 这对于传统的摩擦副材料来讲比较困难 , 目 前表面处理新技术的蓬勃发展对于提高摩擦副材料的 性能功效显著 。 11211 激光束快速熔化密封端面技术 如图 6 所示 , 使用激光在浮动环的表面重熔合金 而制成硬度很高的抗磨螺旋层 , 可以改善润滑条件 , 同时又有排除外来颗粒的能力 , 从而提高了耐磨性 能 。另外使用激光加热淬硬抗磨层 , 与传统的在密封 端面上渗硼氮化或喷涂金属的效果不同 , 后者可能引 起密封端 面 的 变 形 , 使 用 时 可 能 引 起 氮 化 层 的 剥 [ 5, 14 ] 落 。 “ 硬陶瓷材料 ”一般指金属碳化物 、金属氮化 物 、碳氮化合物和超晶格氮化物 , 金属氮化物包括 TiN、 CrN、 ZrN 和 NbN 等 , 在金属密封摩擦副中主 要使用 TiN。美 国 西 北 大 学 基 础 工 业 研 究 实 验 室 ( B IRC ) 新发明的高速反应溅射技术能够使摩擦副表 面硬度和 耐 磨 性 能 得 到 显 著 提 高 。当 基 体 材 料 为 440C (美国的一种不锈钢牌号 ) 时 , 沉积后表面硬

　　明 , 采用这种技术不仅可以提高牙轮钻头的工作转速 和工作寿命 , 而且比使用常规橡胶密封圈更能提高整 个轴承系统的可靠性 。江汉石油钻头股份有限公司通 过与美方合作 , 获得了部分制造组装技术 , 目前该公 司在 GJ、 FJ、 HJ、 王者之风 ” E 等 4 个系列的牙轮 “ 之间 。 20 世纪 90 年代初期罗纬等人率先在世界上提 出了牙轮钻头轴承系统单金属浮动密封的结构方案 , 成径向密封 , 橡胶圈既提供预紧力使静环柔性固定 , 如图 2 所示 , 其主要特点是采用了一对金属密封环形

　　金属浮动密封能否正常工作取决于密封端面之间 能否建立稳定 、可靠的润滑液膜和及时地将摩擦热导 出 , 并且密封性能可靠 。如图 4 所示 , 在已知介质压 力差 Δp的条件下 , 密封性能和可靠性主要取决于动 密封面之间的接触比压 p 和动密封接触面的表面质 量 , 并使比压 p满足如下条件 : Δ ( 1) p = F /A ≥ p, A =πb ( D - b) [7 ] 式中 : F 为密封力 , 通常采用实验方法加以确定 ; A 为动密封接触面的面积 ; D 为浮动环接触面外径 ; b为浮动环接触面的接触宽度 , 一般 b = 2 ～315 mm。 动密封在工作时 , 不允许外侧钻井液侵入 , 但允 许润滑脂有少量泄漏 , 以润滑动密封接触面 , 减小摩 擦磨损 , 其表面质量是保证密封性能和可靠性的关 键 , 这与浮动环结构和采用的材料有关 。 111 浮动环端面结构 浮动环初期采用的端面多数研磨成宽平面型 。这 种密封端面虽然加工方便 , 但其平行度很难保证 , 而 且在对端面施加比压时 , 由于环的重心和施力点不重 合 , 将发生向外张口现象 (图 1 中张开角 i) , 水和 泥砂将通过微小的 i角侵入其中 , 加剧端面磨损使之 [ 12 ] 很快失效 。 目前采用较多的是球面端面的浮动环 , 如图 5 所 示 , 当球形端面浮动环组装成摩擦副后 , 摩擦副间将 有一层极薄的 、近似于楔形的润滑油膜 。根据机械密 封机制 , 若动密封摩擦副之间能保持 2 ～3 μm 的油 膜厚度 , 它不仅有良好的密封性能 , 而且有良好的润 [ 13 ] 滑性能 , 因而使用寿命较长 。