摘要
南极地区资源的开发和利用是世界能源可持续发展中的重大课题之一。在极地钻探装备研究中，密封技术是决定钻探装备能否安全、高效、经济运行的关键性技术。在此背景下，本文分析了极地钻探装备密封现存的问题，根据密封材料和密封技术的新发展，综合考虑到密封结构、材料的力学性能和极地低温钻井工况，指出了极地钻探装备密封目前常见的失效形式，并综述了已有改进方案，系统归纳了国内外现有极地装备类型及其技术特点，剖析了国内外之间存在的技术差距。
研发极地冰下基岩钻探装备对获取冰下基岩样品、探究冰下地质构造重要信息有着十分重要的科学意义。但由于极地恶劣的环境条件和复杂的冰下环境（基底冰、基底融水和冰碛物等），对极地冰下基岩钻探装备的性能要求也相对较高。在极地钻探装备研发过程中，密封技术是决定钻探装备是否安全、高效、经济运行的关键性技术。极地低温下密封材料逐渐变硬，拉伸、压缩变形后的恢复速度越来越缓慢，恢复程度也越来越低，对大部分密封结构来说产生不利的影响。对此，本文按照运动类型对密封元件做出分类，综述极地钻探装备密封常见失效形式，总结已有密封方案，对比国内外极地钻探技术现状。为提升极地钻机使用性能提供依据。
由于传统商用钻机液压系统、钻井液处理系统等在极地低温下工作性能不佳，所以需要专门针对极地环境对钻机进行设计。冰下基岩取心关键在于快速钻穿南极冰盖，在基岩层取心。由于基岩钻进对钻探装备动力需求较高，早期应用于深冰心钻探的铠装电缆式电动机械取心装备不适用于冰下基岩钻进。2016年Goodge
图1 美国RAID钻机结构示意
针对极地冰下基岩取心钻探的尝试由来已久，但成功的案例并不多。由此看来，针对极地冰下基岩取心钻探的技术与装备仍需持续改进与创新。
2014年吉林大学开展了极地深冰下基岩无钻杆取心钻探装备研发工
图2 极地深冰下无钻杆取心钻探装备系
综合来看，虽然我国开展极地钻探技术研究起步较晚，但随着极地战略不断推进，我国的极地冰钻关键技术与装备的研究正持续向着赶超极地钻探强国方向迈进，这必将为我国的极地科学研究提供强有力的技术支撑。
密封技术是决定钻探装备是否安全、高效、经济运行的关键性技术，其机械性能影响钻进工作效率。我国密封领域相关的学者在做了大量工作后对机械密封提出了通用规范，密封材料的选择、制造和安装极大程度上影响密封效果。龚洁
极地作业期间，各种设备长时间在恶劣工况下运行，这就对钻探装备的密封技术提出了更高的要求。所以优选出适合于极地钻探关键设备的密封材料、改进密封结构参数既具有理论意义又有重要的工程实用价值。密封元件分类方式很多，按照结合面之间是否相对运动可分为动密封和静密封。其中较为关键的为动密封，按其运动类型又可分为往复式动密封和旋转式动密封。本文主要从结构设计、材料使用入手，针对极地钻探装备机械动密封现存问题及改进措施进行综述。
密封界面磨损失效是往复动密封常见的失效形式。随着机械系统工作时间的增长，往复机构运动单元应力集中部位发生磨损或过度变形，进而容易导致密封失效。因此，常温工况下降低磨损是提高往复运动构件性能的关键。在低温工况下，介质的可压缩性发生改变，材料冷缩造成密封比压下降。低温工况下往复动密封失效分析，在原有基础上还需考虑低温下密封介质体积变化以及材料耐低温性。
降低磨损是提高往复运动构件可靠性、延长使用寿命的关键。目前降低磨损的研究主要是从结构设计、表面工程技术、改善材料本身性能3方面入手。
综合考虑极地钻探环境温度，在材料选择时对耐磨性以及耐低温性要求较高。李永
由于流体温度和夹带空气含量会对流体的体积模量产生影响，故低温条件将改变往复运动构件液体介质可压缩性，进而改变密封腔压力差。可通过合理控制活塞密封间隙来改善此问题。接触式密封可以显著解决泄露问题，但会限制运动单元的运行速度以及机构整体的运行寿命。采用间隙密封的方式对提高速度以及延长使用寿命都有显著的效果。建议尽量采用间隙密封，若机构为流量较小的活塞泵可考虑接触式密封。1959年Tornare
旋转机械广泛用于极地钻探装备循环系统和钻进系统，在轴承密封、轴与轴套、泵类零件中起着重要作用。作为循环系统的核心动力部件，其运行性能对整个系统工作效率具有决定性影响。密封元件是旋转机械的关键部件，控制着旋转机械中动静间隙处工作介质的泄漏流动，对旋转机械能量转换效率和运行稳定性具有显著影响。常温工况下，旋转式动密封常见的失效形式有：润滑条件差，造成接触面局部过热烧伤、轴类零件与密封元件磨损，导致密封元件内径变大而过盈量减小，最终密封失效。在低温环境下，液体介质中夹杂冰屑，加剧密封元件内表面与轴类零件之间磨损。综合以上几点，按照其对密封元件带来的影响分类，总结目前可用于改善极地环境旋转密封性能的方法主要有3种。
常温下旋转式密封研究已经较为成熟。由于温度对材料机械性能以及液体粘度的影响，导致旋转类机械密封高温、低温环境下会出现一系列的新问题。徐辅
由于极地钻探中液体介质当中夹杂一定冰屑，工作过程中冰屑进入密封界面，对密封元件表面造成损伤。谢雪
根据调研目前现有密封形式情
图3 带平衡孔叶轮两侧压力分
目前，针对极地冰下基岩钻探技术与装备，需要在冰岩夹层及冰下基岩取心钻探和孔底驱动循环、暖冰层取心钻进等方面进行深入研究，以解决条件复杂的冰岩界面和冰下基岩钻探技术难
（1）目前已有针对极地钻探装备橡胶密封选型的相关研究，但对于低温下金属密封的综述较为笼统，缺少有针对性的、高度贴合南极钻探工况的密封设计，无法对极地钻机金属密封设备选型提供指导。
（2）当前对于低温环境的研究中，间隙密封的径向间隙及密封长度等参数较多依赖于经验数据，缺乏对密封尺寸与泄漏情况之间敏感性分析，不能对间隙密封尺寸设计提供指导。可以借鉴浮环结构的研究成果，以低温下冷缩程度和液体压力引起密封间隙的形变量为研究对象，探究低温工况下，允许泄露率下对应的最大间隙。
（3）针对极地冰盖深冰芯钻探技术与装备，需要在快速钻进方面和装备轻便化方面进行深入探索，以便可以在南极冰盖更广泛和便捷地开展大规模深冰芯钻探活动。
参考文献（References）
Goodge J W， Severinghaus J P. Rapid access ice drill ： A new tool for exploration of the deep Antarctic ice sheets and subglacial geology［J］. Journal of Glaciology， 2016，62（236）：1049-1064. [百度学术]
Boeckmann G V， Gibson C J， KuhlT W， et al. Adaptation of the Winkie Drill for subglacial bedrock sampling［J］. Annals of Glaciology. 2021，62（84）：109-117. [百度学术]
Kuhl T， Gibson C， Johnson J， et al. Agile Sub⁃Ice Geological （ASIG）Drill development and Pirrit Hills field project［J］. An⁃ nals of Glaciology， 2021，62（84）：53-66. [百度学术]
李冰，韩丽丽，李亚洲，等.美国极地钻探科学目标分析与钻探技术进展［J］.钻探工程，2021，48（9）：10-25. [百度学术]
龚洁，裴一飞.空间环境模拟器内液氮冷管密封技术［J］.航天器环境工程，2005，22（3）：168-174. [百度学术]
Henningson C. J. Cartridge seal assembly for cryogenic applications［J］. Sealing Technology， 2004，24（5）：14. [百度学术]
李海嶙，张伟，高云琦，等.密封结构表面表征参数对低温密封特性的影响［J］.润滑与密封，2023，48（1）：131-135. [百度学术]
赵玉刚，胡传飞，郭万红，等.低温法兰密封实验研究［J］.低温与超导，2017，45（1）：27-29. [百度学术]
陈远鹏.极地钻井关键设备低温密封和润滑材料优选［D］.青岛：中国石油大学（华东），2019. [百度学术]
李永胜.泥浆泵用工程陶瓷缸套的研制［D］.长沙：中南大学，2007. [百度学术]
高如琴，全建军，白周喜.提高钻井泵陶瓷缸套使用寿命的研究［J］.现代技术陶瓷，2010，31（3）：23-27，34. [百度学术]
车剑飞.纳米氧化物表面改性与分散技术及其在高分子摩擦材料中的应用［D］.南京：南京理工大学，2005. [百度学术]
江汉石油管理局钻井处.丁腈橡胶组装式泥浆泵活塞工业性试验阶段总结［J］.石油钻采机械情报，1975（6）：17-21. [百度学术]
杨贺民，杨敏嘉， 张勃立.钻井泥浆泵活塞尼龙环护根机理研究［J］.石油学报，1983（4）：81-91. [百度学术]
Reed Tool Company. We couldn’t leave well enough alone［J］. Drilling Contractor，1986. [百度学术]
周锡容，彭胜商.美、苏几种新型的钻井泵活塞［J］.西南石油学院学报，1988（2）：87-95. [百度学术]
Nayak S， Dahotre N B. Surface engineering of aluminum alloys for automotive engine applications［J］. JOM， 2004，56（1）：46-48. [百度学术]
汝绍锋.泥浆泵活塞仿生优化设计及其耐磨密封性能研究［D］.长春：吉林大学，2015. [百度学术]
Tornare J. Pump for cryogenic fluid［P］. U.S. Patent： No.5，901，5564639197， 1987. [百度学术]
战颖.全低温液氢泵的研制［D］.武汉：华中科技大学，2008. [百度学术]
桂鹏，毛明，陈轶杰，等.油气弹簧主活塞斯特封泄漏流量计算与仿真研究［J］.兵工学报，2017，38（7）：1255-1262. [百度学术]
徐辅仁.关于液压阀环状缝隙泄漏量的研究［J］.组合机床与自动化加工技术，1990（6）：29-31，50. [百度学术]
杨江波，邬迪，胡亚，等.钻机配油套密封性能仿真研究［J］.煤田地质与勘探，2016，44（1）：132-136，140. [百度学术]
谢雪刚.油浆泵机械密封泄漏分析及处理措施［J］.设备管理与维修，2020（6）：64-65. [百度学术]
陈国明.典型车用旋转密封材料的摩擦磨损和润滑特性研究［D］.北京：北京理工大学，2016. [百度学术]
Jaunich M， Stark W， Wolff D. A new method to evaluate the low temperature function of rubber sealing materials［J］. Polymer Testing， 2010，29（7）：815-823. [百度学术]
乔雷超，魏志涛，李明泽.浅谈NL型钻井液泵密封结构的改进与应用［J］.中国石油和化工标准与质量，2020，40（3）：99-101. [百度学术]
张楠，王亮，Pavel Talalay，等.极地冰钻关键技术研究进展［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2020，47（2）：1-16. [百度学术]
