机械密封设计制造与使用

机械密封设计制造与使用1

第1页，共19页，2023年，2月20日，星期一序言机械密封最早于1885年在英国发明并获得专利，首先获得应用是在20世纪20年代的冷冻机装置上，同时出现了研究和生产机械密封的专业公司（英国的Crane公司、德国的Pacific公司等）。1930年以后，机械密封用于内燃机水泵的轴封，此时，PV值达到了3.1MPa·m/s。1939~1945年由于石油化学工业的发展，石墨、陶瓷、硬质合金等材料在机械密封动、静环制造中获得应用，同时粗糙度的控制水平有了提高，PV值达到了15MPa·m/s。1956年出现了平衡型密封和中间环密封，PV值达到了30MPa·m/s。1959年PV值达到了80MPa·m/s。1961~1963年由于原子能工业的要求，在结构上出现了流体动压密封和流体静压密封，PV值达到167MPa·m/s，1969年达到266MPa·m/s。1971~1974年由于宇航和核电方面的要求，在结构上出现了多级密封，在材料上出现了碳化硅和不同浸渍石墨，PV值达到360MPa·m/s。1977年由于核电等特殊需要采用螺旋－机械组合密封，改进的中间浮动环密封，机械浮环组合密封，PV值达到500MPa·m/s。1980~1990年，出现了无泄漏密封、热流体动力楔密封和上游泵送密封。1990年以后，机械密封的PV值达到了5700MPa·m/s。2

第2页，共19页，2023年，2月20日，星期一我国在1966年以后才相继出现研究和生产机械密封的专业机构（天津克兰），目前已有四十年历史，在普通机械密封领域技术及产品日趋成熟，大部分地方已能替代进口产品，性能接近国外产品。目前国内具有规模的研究、生产厂家已有十余个，并在高参数密封及新技术方面取得一定突破。1975年机械工业部颁布《泵用机械密封标准》，1978年化工部颁布《釜用机械密封标准》，1993年国家颁布了GB/T14211-1993《机械密封试验方法》，1999年国家机械工业局修订了《机械密封技术条件》和《机械密封分类方法》，为机械密封产品接近国外产品提供了保证。机械密封广泛用于石油、化工、冶金、煤炭、食品、医疗、电力、纺织、环保等诸多领域。机械密封具有性能好、使用寿命长、运转可靠等特点，是现代企业流体输送机械应用最广、最有前途的密封形式，对于减少环境污染、节约能源具有重大意义。YoYo_i3

第3页，共19页，2023年，2月20日，星期一目录1.1：机械密封定义1.2：机械密封组成

1.2.1密封机理1.3：机械密封分类

1.3.1按结构布置分类

1.3.2按端面比压分类

1.3.3按初始闭合力分类

1.3.4按端面组合分类4

第4页，共19页，2023年，2月20日，星期一1.1机械密封定义：机械密封是一种用于旋转流体机械的轴封装置。（用于离心泵、离心机、反应釜、压缩机等设备，轴和设备腔体间存在一个圆周间隙，设备介质从中泄漏，因此必须设一道阻漏装置。因机械密封具有泄漏少、寿命长等优点，成为了主要的轴密封方式,又叫端面密封。）在国家有关标准中的定义：由至少一对垂直于旋转轴线的端面组成,在流体压力及补偿机构弹力(或磁力)共同作用下,以及辅助密封圈的配合下,该对端面保持贴合并相对滑动，而构成的防止流体泄漏的装置。5

第5页，共19页，2023年，2月20日，星期一1.2机械密封的组成：1、密封端面：动环1和静环6

密封端面的作用是使密封面紧密贴合，防止介质泄漏。2、缓冲补偿机构：由弹性元件3（圆柱弹簧、圆锥弹簧、波片弹簧、波纹管等）构成作用：起预紧、补偿和缓冲的作用，要求始终保持足够的弹性来克服辅助密封和传动件的摩擦和动环等的惯性3、辅助密封圈：包括动环密封圈2、静环密封圈7等，有各种形式：如O型圈、V型圈、楔形圈等图1

作用：主要起静环和动环的密封作用，同时也起到浮动和缓冲作用。4、传动机构和防转机构传动机构：弹簧座4用紧定螺栓5固定在轴上，弹簧装在弹簧座4和动环1的台阶上，靠过盈配合带动动环旋转；防转机构：防转销8固定在端盖上，插入静环6的槽内，起防转动。6

第6页，共19页，2023年，2月20日，星期一1.2.1密封机理一：4个密封点（亦称4个泄漏点，如图1-1）泄漏点1：密封端面泄漏点，依靠弹力和介质压力保持贴和；（动密封点,两个摩擦福之间有相对转动）泄漏点2：动环密封圈，依靠密封圈的过盈量实现密封；（静密封点，密封圈与轴或轴套之间有微动）泄漏点3：静环密封圈，依靠密封圈的过盈量实现密封；（静密封点，密封圈与相配合件之间相对静止）泄漏点4：压盖与腔体间的密封圈，依靠密封圈的过盈量实现密封；（静密封点，密封圈与相配合件之间相对静止）二、传动关系：1、轴或轴套→紧固螺钉5→弹簧座4→弹簧3→动环12、压盖→防转销8→静环67

第7页，共19页，2023年，2月20日，星期一三、原理：通过一系列零件将径向密封转化为轴向密封，在弹簧和介质压力共同作用下，对由于设备运行所造成的轴向磨损可以及时补偿，使轴向密封面始终保持贴合。由于机械密封（轴向密封）在运行中可以对轴向磨损进行补偿，而填料密封（径向密封）不能对径向磨损进行补偿，故机械密封比填料密封寿命长。8

第8页，共19页，2023年，2月20日，星期一1.3机械密封分类1.3.1按结构布置分类：滑动式与非滑动式机械密封：a：滑动式机械密封：指动环借助辅助密封圈支撑与轴（轴套）上以其接触滑移来实现动环补偿功能；（弹簧机械密封）b：非滑动式机械密封：即波纹管机械密封分：1）、压力成型金属波纹管

2）、焊接金属波纹管

3）、橡胶波纹管

4）、聚四氟乙烯波纹管9

第9页，共19页，2023年，2月20日，星期一表1：滑动式与非滑动式机械密封性能比较滑动式非滑动式O型圈V型圈楔型圈压力成型金属波纹管焊接金属波纹管橡胶波纹管聚四氟乙烯波纹管承压性能优良优可单层—良双层—优良优耐温性能可良良良优可可速度适应性多弹簧—良单弹簧—差优优优可耐振性能可优优优优良耐阻塞性能差优良优10

第10页，共19页，2023年，2月20日，星期一旋转式机械密封和静止式机械密封

a、旋转式机械密封：指动环（补偿机构）随轴旋转的机械密封；

※旋转式易产生质量不平衡，不易用于高速。普通机械密封常用旋转式结构。

b、静止式机械密封：指动环（补偿机构）不随轴旋转的机械密封。

※静止式密封常用于高速场合。图2：旋转式静止式11

第11页，共19页，2023年，2月20日，星期一内装式机械密封和外装式机械密封

a、内装式机械密封：指相对于静止状态的密封环的端面面向主机（泵）工作腔的机械密封；※用于温度和压力较高场合。

b、外装式机械密封：指相对于静止状态的密封环的端面背向主机（泵）工作腔的机械密封；※1、用于流体压力＜0.5MPa，腐蚀性工况，泄漏比内装稍多，原因：泄漏方向与离心力的方向一致；

※内装式机械密封和外装式机械密封可以是滑动式机械密封也可以是非滑动式机械密封。

图3：内装式外装式12

第12页，共19页，2023年，2月20日，星期一高背压机械密封和低背压机械密封

a、高背压机械密封：动环离密封端面最远的背面处于高压侧的滑动式机械密封。分：1）、旋转、内装、高背压式机械密封；

2）、旋转、外装、高背压式机械密封；

3）、静止、内装、高背压式机械密封；

4）、静止、外装、高背压式机械密封；

b、低背压机械密封：动环离密封端面最远的背面处于低压侧的滑动式机械密封。分：1）、旋转、内装、低背压式机械密封；

2）、旋转、外装、低背压式机械密封；

3）、静止、内装、低背压式机械密封；

4）、静止、外装、低背压式机械密封；

※低背压机械密封的弹簧一般处于低压侧，可避免接触高压侧密封流体，而高压侧密封流体往往是密封介质，这种密封解决了弹簧受介质腐蚀的问题，强腐蚀的介质常采用低背压式设计。13

第13页，共19页，2023年，2月20日，星期一内流式机械密封和外流式机械密封

a、内流式机械密封：指密封流体在密封断面与离心力方向相反的机械密封；

※用于内装式机械密封

图4：内流式

b、外流式机械密封：指密封流体在密封断面与离心力方向相同的机械密封；

※1、用于外装式机械密封

2、用于压力和温度不高、强腐蚀性介质中

图5：外流式14

第14页，共19页，2023年，2月20日，星期一1.3.2按端面比压分类：

:接触式机械密封：指密封端面相互接触，端面比压Pc＞0的机械密封。

※1、端面比压Pc：指密封流体压力施加到密封环带单位面积上的力。

2、端面比压Pc的大小取决与载荷系数K值得大小。

3、平衡式机械密封：指载荷系数K＜1的机械密封。

4、非平衡式机械密封：指载荷系数K≥1的机械密封。

5、载荷系数K：指密封流体压力作用在动环（补偿环）上，使之对于静环（非补偿环）趋于闭合的有效作用面积Ae与密封环带面积A之比。

6、端面比压Pc=K（载荷系数）*P（密封流体压力即介质压力）

图6：非平衡型平衡型15

第15页，共19页，2023年，2月20日，星期一:非接触式机械密封：指密封端面相互不接触，端面比压Pc=0的机械密封。

※非接触式机械密封处于液体摩察状态，在密封端面之间有一层完整的流体膜。此流体膜是由于向密封端面引入压力流体产生的流体静压效应。1.3.3按初始闭合力分类弹力机械密封：指初始闭合力来自弹簧、波纹管等弹性元件的弹力的机械密封；磁力机械密封：指初始闭合力来自磁性力的机械密封；

※只有在系统内压力较低时采用磁力机械密封，此时静环大都采用磁钢，动环马氏体不锈钢镶嵌其它材质。16

第16页，共19页，2023年，2月20日，星期一1.3.4按端面组合分类

双端面机械密封：指由两对密封端面组成的机械密封

a、轴向双端面机械密封：指沿轴向布置得双端面机械密封

1）、背对背式双端面机械密封