机械密封基础知识讲座73446ppt课件

*1 机械密封 基础知识讲座 *2 Copyright 1997 A.E.S. Engineering Ltd. 泵的基本结构泵的基本结构 油封 轴 轴承压盖 泵座 地脚螺栓 密封腔体 泵体 叶轮 叶轮螺母 填料（机械密封） 压盖 轴承箱 填料（机械密封 ） 轴承 *3 一般用于输送强腐蚀介质,静环多采用夹持结构 *4 *5 *6 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）。 我国在20世纪60年代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 。 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。 *7 目 录 一、机械密封原理 二、机械密封的基本零件 三、机械密封的计算 四、机械密封用材料 五、机械密封辅助系统 六、机械密封性能的影响因素 七、石化行业典型泵的密封 八、机械密封的安装和使用 九、机械密封故障分析 十、补充内容 *8 （一）定义 （二）组成 （三）密封机理 （四）辅助设施 （五）机械密封的种类 （六）旋转式和静止式机械密封 （七）内装式和外装式机械密封 （八）内流式和外流式机械密封 （九）多弹簧和单弹簧机械密封 （十）平衡型和非平衡型机械密封 一、机械密封原理 *9 （十一）补偿机构形式 （十二）双端面机械密封 （十三）串联式机械密封 （十四）波纹管机械密封 （十五）集装式机械密封 *10 （一）对摩擦副密封环的要求 （二）摩擦副匹配要考虑的因素 （三）密封端面宽度 （四）密封环的主要技术要求 （五）摩擦副端面平面度检测 （六）密封端面的粗糙度要求 （七）动环（旋转环） （八）静环（不旋转） （九）密封环的种类 （十）整体式密封环 二、机械密封的基本零件 *11 （十一）组合式 （十二）热装式密封环 （十三）热装式密封环的过盈值选择 （十四）辅助密封圈 （十五）传动机构的作用 （十六）静环防转方式 （十七）机械密封的弹性元件 （十八）波纹管种类 （十九）焊接金属波纹管密封 *12 （一）补偿环的受力状况 （二）密封端面中液膜反力的分布情况 （三）液膜反力的计算 （四）易汽化介质中密封端面间的液膜压力分布 （五）膜压系数的影响因素 （六）弹簧比压的计算 （七）载荷系数K （八）端面比压 （九）波纹管的有效作用直径de （十）PV值 三、机械密封的计算 *13 （一）摩擦副材料要求 （二）制造摩擦副的常用材料 （三）碳石墨 （四）硬质合金WC （五）SiC陶瓷 （六）Al2O3 陶瓷及其它陶瓷介绍 （七）表面堆焊硬质合金 （八）作摩擦副的金属材料 （九）填充聚四氟乙烯 （十）辅助密封圈材料要求 四、机械密封用材料 *14 （十一）合成橡胶 （十二）柔性石墨（也称膨胀石墨） （十三）弹性元件材料 （十四）机械密封中基体材料 *15 （一）为什么机械密封要采用辅助系统 （二）什么是辅助系统 （三）自冲洗的形式 （四）循环冲洗 （五）注入式冲洗 （六）冲洗液进入密封腔的方式 （七）冲洗量的确定 （八）冲洗量的控制 （九）冲洗压力的确定 （十）密封腔中的压力确定 五、机械密封辅助系统 *16 （十一）对冲洗流体的要求 （十二）热油泵的冲洗液选择 （十三）烷基化装置中浓硫酸的冲洗液的选择 （十四）轻烃、轻油泵密封冲洗液的选择 （十五）机械密封的冷却方式 （十六）辅助设施在何种工况下必须选用 *17 （一）安装机封的泵的技术要求 （二）安装密封前要了解泵及介质情况 （三）机械密封的安装 （四）泵的抽空和汽蚀 六、机械密封的安装和使用 *18 （一）摩擦痕迹大于端面宽度 （二）摩擦痕迹小于端面宽度 （三）硬环上无摩擦痕迹 （四）石墨端面出现均匀的环状沟纹 （五）石墨端面中间产生环状深沟 （六）石墨内缘磨损 （七）石墨环台阶过早全磨掉 （八）石墨环外缘出现缺口 （九）石墨环断裂 （十）石墨环出现蚀坑 七、机械密封故障分析 *19 （十一）硬质合金表面灼伤和裂纹 （十二）其它故障简介 （十三）泵抽空密封失效现象 （十四）密封腔中汽蚀，密封失效现象 （十五）密封端面汽化的失效现象 （十六）泵振动过大的失效现象 （十七）没有冲洗的故障现象 （十八）动环选材注意事项 *20 （一）机械密封标准介绍 （二）机械密封辅助系统 （三）机械密封的安装 （四）磁力密封介绍 （五）高压机械密封研制 八、补充内容 *21 一、机械密封原理 （一）定义（图1-1） 图1-1 机械密封基本结构（旋转式） 1弹簧座 ； 2紧定螺钉； 3弹簧； 4 推环； 5 补偿环辅助密封圈 ； 6补偿环； 7非补偿环； 8 非补偿环密封圈； 9防转销 泄漏点1泄漏点2 泄漏点3 泄漏点4 密封腔 端盖 *22 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。 *23 1、 密封端面：动环、静环摩擦副 2、 缓冲补偿机构：由弹性元件（圆柱弹簧、圆锥弹簧、 波片弹簧、波纹管等）构成。（使贴合） 3、 辅助密封圈：包括动环密封圈、静环密封圈等，有各 种形式：如O型圈、V型圈、楔形圈等 （二）组成 *24 1、 4个密封点（亦称4个泄漏点，如图1-1） 泄漏点1摩擦端面泄漏点，依靠弹力和介质压力保持 贴和；（动密封点,两个摩擦副之间有相对转动 ） 泄漏点2 补偿环密封圈，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 非补偿环密封圈，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） （三）密封机理 *25 3、 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。 2、 传动关系 轴或轴套紧固螺钉5弹簧座4弹簧3补偿环1 压盖防转销8非补偿环6 *26 通过冲洗、冷却、过滤、分离等方式进行冷却 和润滑，从而改善密封的工作环境，减少密封的泄 漏量，延长使用寿命。应当把它看作机械密封的组 成部分。 （四）辅助设施 *27 1、 按使用条件分类 （1）高速密封（ZBJ22-001-88：线速度25100m/s）和普通密封 （2）高压和低压密封 （3MPa） （3）高温、常温和低温密封 （150）、（-20 ） （4）泵用、釜用和压缩机用密封 （5）耐腐蚀、抗颗粒机械密封 (包括易聚合的介质) 2、 通常按结构分类 多弹簧、单弹簧密封 旋转式、静止式密封 外装式、内装式密封 外流式、内流式密封 （五）机械密封的种类 *28 （1）旋转式：补偿机构（弹性元件）随轴旋转。 （由于安装方便，普通密封大多采用，但易产生不 平衡，而且消耗搅拌功率，所以不能用于高速） （2）静止式：补偿机构（弹性元件）不随轴旋转。 （用于高速） （六）旋转式和静止式机械密封（图1-2） *29 *30 （七）内装式和外装式机械密封（图1-3） *31 （1） 内装式：静环装在压盖内侧，静环端面面向工作腔 。 （用于温度、压力较高，腐蚀性不强的场合） （2） 外装式：静环装在压盖外侧，静环端面背向工作腔 。 （用于低压、腐蚀性强的场合） *32 （一般和内装式、外装式一致） （1）内流式：泄漏方向朝向轴心。（一般密封都采用这 种结构） （2）外流式：泄漏方向朝向离心力方向。（泄漏量大， 只有在压力、温度都不高的腐蚀性介质中用） （八）内流式和外流式机械密封 *33 （1）多弹簧：（又叫小弹簧，轴向尺寸小，轴向弹力均 匀）宜用于高速，不宜用于腐蚀性介质。 （2）单弹簧：（又叫大弹簧，轴向尺寸大，轴向弹力不 均匀）不宜用于高转速的场合。 （九）多弹簧和单弹簧机械密封 *34 （1）平衡型：载荷系数K1.0 （用于高压场合） （2）非平衡型：载荷系数K1.0 （用于普通压力场合） （十）平衡型和非平衡型机械密封 介质压力对补偿环的有效作用A面积与端面面积S之比。K=A/S *35 （1）磁力：系统压力较低时用 （2）波片弹簧、锥形弹簧、螺旋圆柱大弹簧、小弹簧 （3）橡胶波纹管、聚四氟乙烯波纹管、金属波纹管 （十一）补偿机构形式 *36 两套密封面对面或背对背安装在一起。（看补偿环） 用于工作介质有毒、易燃、易爆、易挥发、易结晶、 高温、低温，或气体、高真空度等场合。 两套密封之间形成一个密封腔，在密封腔中引入封液 ：堵封、润滑、冷却，选洁净、润滑性好的封液介质。一 般封液压力要比介质压力高0.140.41MPa。 （十二）双端面机械密封（图1-4） *37 两套密封沿同一方向布置，密封腔压力逐级降 低用于高压场合。 （十三）串联式机械密封（图1-5） *38 去掉了补偿环密封圈及其摩擦阻力，补偿环密封圈改 至弹簧座处，补偿环追随性提高，而且避免了补偿环密封 圈因轴串、振动所产生的磨损。 金属波纹管用于高温介质，聚四氟乙烯波纹管用于腐 蚀性介质。 （十四）波纹管机械密封 *39 将机械密封、轴套、压盖组合成一个整体。安装时 只需固定压盖、轴套，取下定位挡块即可。安装方便， 排除了安装不良的影响。（一般挡块厚度为弹簧压缩量 ，从外部易于观测） （十五）集装式机械密封（图1-6 ） *40 二、机械密封的基本零件 （一）对摩擦副密封环的要求 摩擦副密封环是机械密封的主要元件，它在很大程度 上决定了机械密封的性能和寿命。因此，对它有一些基本 要求。 （1）足够的强度和刚度 保证在工作条件（如压力，温度，滑动速度等）下不损 坏，变形小，工作条件波动时影响小。 （2）端面有足够的硬度、耐腐蚀性能确保使用寿命。 *41 （3）耐热冲击力 高的导热系数，低的线膨胀系数。 （4）较小的摩擦系数，良好的自润滑性，材料与介质有 很好的浸润性短时间干摩擦，不损伤端面。 （5）易加工，材料成本低 *42 （1）一般选择一软一硬的材料配对，软环作窄环，如 YG6/M106K，只有介质含固体颗粒、易结晶、粘度高 时才选用硬对硬。 （2）尽量采用内装、内流式结构，防止机械杂质进入密封 端面，减少泄漏量。 （3）选导热性良好材料作动环。 以利散热，降低端面温度。 （4）环的壁厚不可太薄，以保证整体强度、刚度，也利散 热（导热欠佳的材料，可薄一些）。 （5）动环和轴（轴套）间隙A11（0406）以利补偿 静环和轴（轴套）间隙13mm以免摩擦 （二）摩擦副匹配要考虑的因素 *43 （1）主要决定窄环（软环）宽度，宽环外径窄环外径 0.5，宽环内径窄环内径0.5； （2）泄漏量与摩擦副端面宽度关系不大 （3）窄的端面摩擦热少，温度梯度小，热变形小，磨损均匀 ； （4）从受力角度出发，窄的端面整体强度和刚度差，易损坏 或变形。因此应综合考虑。对于普通密封，端面宽度推 荐值如下： （三） 密封端面宽度 *44 宽系列用于组对性能好（如YG6/M106K、SiC/M106K）、 工况条件好的场合 窄系列用于组对性能欠佳（如YG6/YG6、YG6/青铜）、 饱和蒸气压高、易挥发、颗粒介质，高速机械密封，（对 于轻烃介质，在强度够的情况下，取窄系列）。 轴 径16355570100120 宽系列2.53.04.05.06.07.0 中系列2.02.53.04.05.05.0 窄系列1.52.02.02.53.03.0 *45 （）平面度0.0009，硬质粗糙度0.2，软质0.4， 表面不应有裂纹、划伤、气孔、疏松等缺陷。 （）密封环端面与安装辅助密封圈处的平行度、垂直度按 的级精度要求。 （）安装辅助密封圈处粗糙度：3.2，径向尺寸公 差或。 上述要求是对普通机械密封而言，对转速较低的釜用 机械密封可适当放宽标准，对高速机封要求更高。 （四）密封环的主要技术要求 *46 平面度0.0009，普通量具无法检测，通常利用光波的干 涉效应来检测。 （1）光波的干涉效应 根据波动学原理，两波产生干涉的条件是： （a）两波在相遇点振向一致； （b）两波具有相同的频率； （c）两波在相遇点有固定的周相差 。（两个同样的钠光灯 不行，只有用同一光源发出的光设法分成两束，才 满足相干条件） （五）摩擦副端面平面度检测 *47 满足相干条件的两束光的叠加效果是：在波程差为波长 整数倍的地方，光强度加强；在波程差为半个波长的奇数倍 的地方，光强度减至零（变暗）。这就是光的干涉原理。 *48 （2）平面度检测原理 设入射角i=0，e为气膜厚度（即是被检测面上点到平 晶的距离），为光波波长，为光的波程差，那么 =2e/2 当=k时，被检测面上点变暗； =(2k1)/2 ，被检测面上点变亮 ；（其中k=0,1,2,3,4,，k 为整数） 由以上公式可以得出下面结论： （）相邻两条光带所对应两点的气膜厚度差（高度差） 为/2，（对于钠光灯=0.589m，/20.3m） *49 （）相邻两条光带宽b=/2Sin，（为空气膜倾斜角） （）当e=0时，=/2（半波损失），出现暗条纹； （1）合格光带举例 *50 （2）平面度检测器（图2-3） 平晶：由派利克斯玻璃、熔凝水晶或折射系数为1.516的光学 玻璃制造。表面平面度0.1m(2级)，0.03m (1级)。 光源:钠光灯(=0.589m) *51 密封端面承载能力与表面粗糙度有很大关系，大约有 如下关系： （六）密封端面的粗糙度要求 精车磨加工研磨抛光 粗糙度3.20.80.40.2 承载面积（%）4124095 端面比压增加（倍 ） 247.31.50.05 *52 由此可以看出，密封端面粗糙度应在0.2以上，否则， 端面比压比理论值高的多，结果是高点接触，局部压力很 高；由于摩擦副的硬度、刚度的差异，局部高点发热甚至 产生裂纹。石墨环表面磨出细微的环状沟纹。泵的振动和 动、静环的不同心会加剧这种磨损。被磨掉的颗粒存在于 端面中，形成磨粒磨损，磨损加剧，有时在泄漏的介质中 可以看到石墨黑浆。 *53 非补偿动环（只旋转，不能补偿，其后无弹性元件。) 补偿动环（既旋转，又作轴向补偿，其后有弹性元件。) （）辅助密封圈受轴向力，轴向、径向都起密封作用，这 种密封方式较为可靠。 （）辅助密封圈只受径向力，易产生老化、冷流变形，从 而导致密封失效。 （）波纹管：无作轴向补偿的辅助密封圈，因此，浮动 性好，密封圈不易失效。 （七）动环（旋转环） *54 非补偿静环（不旋转不补偿）：主要有三种安装方式 ： 浮装式、托装式、夹固式。 补偿静环（不旋转只补偿）：其辅助密封圈情况和补 偿动环基本一致。 （八）静环(不旋转) *55 整体式（用同一种材料制造）、组合式（如镶嵌）、 表面堆焊、表面喷涂 （九）密封环的种类 *56 （十）整体式密封环 各个部位性能均匀一致，最常用的有：石墨、SiC、钴 基硬质合金、镍基硬质合金、NiCr基硬质合金、陶瓷等。 *57 整体环价格高，加工困难，因此出现组合式密封环。 组合式包括： （）热装式 （）带密封圈式（无组合应力、无应力变形；开槽、打 孔麻烦，多一泄漏点） （十一）组合式 *58 优点：结构简单，性能优异，价格较低，运用较多。 缺点：（）因过盈接触不均匀，而产生机械变形。 （）两种材料线膨胀系数不一致，当温度变化 时，过盈量变化，会产生应力变形。 （十二）热装式密封环 *59 =Dp（12）T 式中 ：工作温度时的过盈量 ：常温过盈量 Dp：镶嵌直径 1：座线胀系数 2：环的线胀系数 T=工作温度常温（20。C） （YG6：4.5106 1/。C 1Cr18Ni9Ti：16.6106 1/。C 3Cr13：11.5106 1/。C，浸渍石墨：5.4106 1/。C （-6） ） （1）在满足传递扭矩的情况下，取最小过盈值； （十三）热装式密封环的过盈值选择 *60 （2）由上式，当使用温度为300C时，对 YG6/1Cr18Ni9Ti，过盈量为： = Dp（16.64.5）106（30020） =3.4103 Dp （以便记忆） （3）长期放置的镶嵌环，使用前要检查平面度； （4）对大直径、高转速(环座产生离心力)、弹性模量小 的材质(4J42、钛合金)，过盈量可相应大一些。 （5）高温200C以上少用热装式结构，否则要核算过 盈量。 *61 （1）材料要求 （）在工作温度下耐介质腐蚀 （）足够的弹性 （）有一定强度(柔性石墨因强度差，使用场合受到限制) （）耐磨 （）易加工、价格低 （2）种类 （）按材料分：合成橡胶、聚四氟乙烯、柔性石墨等； （）按截面形状分：矩形、V形、楔形、包四氟形等； （十四）辅助密封圈 *62 把轴或轴套的运动方式(旋转)传递给动环，一般是通过 键、紧定螺钉、传动螺钉、销、R槽、拨叉、弹簧、波纹管 等的组合来传递运动。 （1）紧定螺钉（顶丝）传动：在轴表面划凹坑，否则易打 滑失效，特别当直径较大和温度较高时。 （2）键台阶传动 （3）拨叉传动（一边开槽一边伸爪） （4）并圈弹簧传动（弹簧旋向必须和轴旋向一致） （十五）传动机构的作用 *63 （5）销钉传动 （6）凸耳传动 （7）勾圈弹簧传动 （8）波纹管传动 （9）螺帽固定 *64 （1）浮装式（可以在轴向、径向设计防转销） （2）托装式(一般小扭矩可不用销，要注意端面垂直度 ) （3）夹固式(浮动性差，注意端面垂直度) （4）防抽空(前加卡环) （十六）静环防转方式 *65 螺旋压缩弹簧 锥形弹簧：轴向尺寸较小 碟形弹簧：轴向尺寸小 波片弹簧：轴向尺寸小 并圈弹簧、带勾弹簧：双功能(弹力、传动) 波纹管：三功能(弹力、传动、密封) （十七）机械密封的弹性元件 *66 橡胶波纹管：用于中性介质：水、油，压力、温度都不高 的场合； 聚四氟乙烯波纹管：用于腐蚀性介质，酸、碱； 金属波纹管：用于高温、高速(追随性好)。 (十八)波纹管种类 *67 （1） 制造 采用厚度为0.1-0.2mm的沉淀硬化不锈钢薄带(AM350、 0Cr17Ni17Ti、0Cr15Ni17Mo2Al、INCONEL-X-750及Ti合金、 Hasterlloy C-276等)冲压成截面为S形的片状环形件，再焊接 成型(用微束等离子焊)。 沉淀硬化不锈钢焊接后须经热时效处理，将奥氏体转 变为马氏体，并使马氏体中析出金属化合物，沉淀出硬化 相，从而获得高强度、较高的塑性及屈强比（S/D0.80.9 ）。 例：AM350 热失效：真空炉850C进行淬火处理，再进行 80C的低温处理(制冷剂F12)，以达到增加弹性、稳定尺寸的 目的。 （十九） 焊接金属波纹管密封 *68 （2）特点 焊接金属波纹管密封不用会产生较小滑移的辅助密封 圈，使用温度范围广：200600C。高速下对轴的振动、 振摆适应性强，追随性好。 （3）弹率(即刚度N/mm) k=Et3（d1d2）/2nB3d2/d1 E：工作温度下弹性模量（N/mm2）： AM350： 1.75106(315.6C)、 INCONEL：2.14106(26.7C)、1.59106(649C)、 17-7PH： 2.0106(21.1C)、 Ti： 1.31106(196C)、1.14106(23.9C)、 0.70106(538C)。 *69 t：波片厚度mm n：波数 d1/d2：管子内外径mm B：波纹管片宽（d2d1）/2 公式中未考虑波片断面形状，具有一定误差，实际 生产中用弹簧测力计测弹率。 *70 四、机械密封用材料 （一）摩擦副材料要求 摩擦副是机械密封的主要零件，其性能好坏在很大 程度上决定密封性能，因此对材料有一定的要求： （1）耐蚀性：有良好的化学稳定性，能抵抗介质的腐 蚀、磨蚀、溶解和溶胀。 （2）物理机械性能：较高的弹性模量（E=（应力）/ （应变），刚度=力/变形）、强度及许用PV值，低 的摩擦系数和线膨胀系数，优良的耐磨性、自润滑性以 及良好的不渗透性等。 （3）热力性能：很好的导热性、耐热性、耐寒性和耐 温度的急变性。 （4）材料来源方便，易加工，成本低廉。 *71 硬质合金 工程陶瓷（Al2O3陶瓷、Al2O3金属陶瓷、Si3N4陶瓷、铬钢玉 陶瓷、碳化硼陶瓷、喷涂陶瓷、SiC、可切削微晶玻璃） 碳石墨 填充聚四氟乙烯 金属材料：铸铁类及铜合金也有铬钢淬火材料 下面分别予以讨论。 （二）制造摩擦副的常用材料 *72 1、特点 （1）具有较高导热性，(碳导热系数为2040W/mk，石墨为 40128 W/mk，)是非金属中导热最好的材料，仅次于 银、铜、铝，比Hasterlloy好。 （2）具有低的线膨胀系数（26106/），是金属的 1/21/4。 （3）具有良好的耐腐蚀性，在空气中400以下稳定，除 强氧化性介质（如王水、铬酸、浓硫酸及卤族元素） 外，可耐其它酸、碱、盐及一切有机化合物的腐蚀， 其耐蚀程度随石墨的种类和浸渍剂的不同而异。 （三）碳石墨 *73 （4）具有极好的自润滑性和低的摩檫系数，那是因为石墨 和其它材料组对时，石墨转移到其它材料表面，形成 石墨和石墨相对摩檫。石墨和金属摩檫系数为 0.040.05，在全液润滑条件下，f=0.0080.01。因此它 的组对性能好。 （5）石墨的抗拉强度较低，抗压强度较高，属脆性材料。 由于硬度较低，被广泛用作软环，易于加工。 缺点是气孔率大，一般在18%22%。实际应用石墨都 必须是浸渍过的，以堵塞气孔，提高密封性。 *74 2、石墨的种类 石墨是采用焦炭粉和石墨粉，用沥青作粘结剂，模压成 型，置于高温中焙烧而成。根据所用原料和烧结温度与时间 的不同，可以制成不同物理机械性能的石墨。一种为碳素石 墨，用M1表示，一种是电化石墨，用M2表示（材料组分不 一样，M2还需24002800高温石墨化处理）。还有一种是 树脂碳石墨：烧结石墨粉碎后，用树脂作粘结剂，混和后压 制烧结而成（M3）。 M1：质硬而脆，导热系数低，加工困难。 M2：质软，强度低，自润滑性好。 M3：PV值不高，价格便宜，石化行业较少采用。 *75 3、石墨浸渍剂种类 一般浸渍后，成为不透气制品，对导热性无明显影响， 但强度、硬度有很大提高。常用浸渍剂有：环氧树脂（H） 、 呋喃树脂（K）、酚醛树脂（F）、巴氏合金（B）、铝合金 （L）、铜合金（P）、锑合金（D）、银合金（G）。 F：耐酸性好 H：耐碱性好 K：酸碱都耐200 浸金属 ： 耐高温 *76 1、 金属碳化物WC熔点非常高，要制成产品，用普通的冶 炼方法行不通。通常把它制成粉末，混以熔点较低的金属 （Co、Ni等），压制成型，高温烧结，较低熔点金属熔化 ，将WC粘结成一个整体，制成硬质合金。 2、 硬质合金具有以下优良性能： （1）硬度高HRA8794（洛氏硬度），耐磨粒磨损，是悬 浮颗粒介质的理想摩擦副。 附：布氏硬度HB、洛氏硬度HRA(软)、HRB(中)、HRC(硬)、维氏硬度HV比较 HRC HRA HRB HB HV 20 60.2 99 216 230 （2065） 7083.6 （60100 ） 99137 105237 检测硬度由大到小 （四）硬质合金WC *77 （2）抗弯强度高14002000N/mm2。 （3）导热系数高，线膨胀系数小(5106/左右)，耐高 温600。 （4）摩擦系数低，组对性能好。 （5）较好的耐腐蚀性，牌号不同，耐腐蚀性不同。 3、种类 （1）Co基硬质合金：YG6、YG8、YG15，后面数字为Co的 百分含量，Co多，硬度略下降。Co易氧化，不宜用于酸等 腐蚀性介质，但在一般温度H2SO4.、沸点以下NaOH中可用 。 *78 （2）耐蚀硬质合金： WCNi：WYN8(8%CrNi)，强度为WC-Co的70-80%，硬度 小0.51HRA。 WC-Ni-Cr：W7(9%CrNi)，强度、硬度与WC-Co相当。 （3）钢结硬质合金 TiC合金钢：GT35、R5、R8，耐HNO3、H2SO4、氨水 ， 不耐强碱、HCl、FeCl3液。 烧结成形后可进行机械加工，然后再进行热处理，可制 作复杂零件，硬度稍差(HRC6065)，比重小，自润滑性好 。 *79 SiC是一种新型陶瓷，由于高密度成形技术的发展， 80年代开始，国外纷纷用它作高PV值的组对材料，是到 目前为止发现的最好的摩擦副材料，具备各种优良性能 。 重量轻，为WC的15，比强度高，摩擦系数小，硬度略 高于硬质合金，HRA9094，抗辐射性好，具有一定的自 润滑性，组对性好，化学稳定性、耐热性、热传导性都 很优异。在500以下，几乎耐所有的酸和碱，除振动冲 击大，或有颗粒介质场合外，几乎所有的硬质合金都可 用它取代，价格略比WC便宜。 缺点：脆性材料，抗机械冲击性稍差。 （五）SiC陶瓷 *80 由于制造工艺不同，性能略有差异，目前主要有4种类型： 1、 反应烧结SiC（SiCSi组成的致密烧结物） （-SiC粉石墨粉助熔剂）混和有机粘结剂压制 成型，放入Si粉坩锅内，在真空炉加热16001800，生成- SiC。这种SiC由-SiC、-SiC、游离硅组成，由于游离Si和孔 隙的存在，它不耐强碱和氧化性介质。 优点：收缩率小，耐热冲击性好，成本低，适于批量生产 。 2、常压烧结SiC 采用超细SiC粉（粒度在0.10.2m），加适当的添加剂 、粘结剂压制成型，然后在20002200的温度下烧结而成 。适用于数量少，规格品种多的密封环。致密度高达97%以 上。 *81 3、热压烧结SiC 粒度1m的SiC粉，加上适当的添加剂，装入石墨模具内 ，在20002100的热压炉内加压（3050MPa）制成。这是 SiC中化学稳定性最好的一种。（因为在氧化气氛下，表面生 成了一种SiO2保护膜，耐腐蚀性最好。）质密度高达97%以上 。 4、气相渗透SiC（又叫硅化石墨） 以石墨为基体，按最终产品形状加工好后，导入Si源， 采用化学气相沉积法在18002200的高温下反应生成。，渗 透层厚度可达1.5mm，成SiC表层，表层还有10%的石墨，具 有气体不渗透性，C、Si之间无明显的边界层。这种SiC既具 有碳石墨优点，又具有SiC特性，是一种很有前途的碳基复合 材料。气相渗透SiC与常压烧结SiC组对，可用于高速场合， 即使处于半干摩擦工况条件下也不易产生卡滞与擦伤。 *82 1、Al2O3 分为99瓷（99%Al2O3、1%MgO，HRA8590）和95瓷（ 94.5%Al2O3、2%SiO2、3%CaCO3、2%Cr2O3，HRA7882）。具 有很好的耐蚀性，可以经受各种酸类、碱类、盐类和各种 有机溶剂及强氧化剂腐蚀。硬度高，仅次于金刚石和碳化 硼，耐磨性好，机械强度和普通铸铁差不多，材料来源广 泛，制造工艺简单。 缺点：质脆，导热性不好，耐热冲击性差。（Al2O3/ Al2O3 组对不行，有产生静电的危险。）这种材料多用于外装式 耐腐蚀性机械密封中。 2、Al2O3金属陶瓷 在Al2O3中添加少量金属元素Fe、Cr、Ni等，以提高导热 率，降低脆性，但硬度和耐蚀性有所下降。主要用于批量 较大的汽车冷却水泵及潜水泵机械密封上。 （六）Al2O3 陶瓷及其他陶瓷介绍 *83 3、Si3N4 耐蚀性很好，Si3N4/石墨组对性很好，而与填充玻纤PTFE组 对时Si3N4的磨损大。 （1）反映烧结Si3N4 素坯可以机械加工，能制成形状复杂制品，经二次氮化 后尺寸变化率小（0.1%），抗冲击性好，耐腐蚀。强度、硬 度是Si3N4中最低的，（因内部有1015%封闭气孔）。较厚的 制品不易烧结，有时会有“流硅”现象，仅适合PV值不高的场 合。 （2）热压Si3N4 是Si3N4中性能最佳的材料，硬度高（HRA9192），致密 性好，接近理论密度3.2g/cm3，耐磨性、耐蚀性优良。但成本 高，难以制作形状复杂零件。 *84 （3）常压烧结Si3N4 性能接近热压Si3N4，成本高，烧结时收缩率大1520%，易引 起烧结变形。 （4）重烧结Si3N4 性能接近热压Si3N4，制造工艺复杂，成本较反应烧结Si3N4高 。 4、铬刚玉陶瓷 在Al2O395瓷坯料中引入0.52%的Cr2O3，经17001750高温 焙烧而成。（密度3.463.47，硬度HRA8487） 耐温度急变性能好。（用48/3556的环，在20400范 围内进行25次冷循环处理后，用10倍显微镜观察未发现裂纹 ），硬度高，摩擦系数小，化学稳定性好，与填充玻纤PTFE 组对，用于耐腐蚀机械密封，效果极好。 *85 5、碳化硼B4C陶瓷 化学稳定性好，硬度HRA9496，仅次于金刚石，耐磨性 能极为优良。主要用于处理高浓度、磨蚀性介质作摩擦副组 对材料，特别适用于泥沙介质。 缺点：加工困难（需热压成型工艺），成本高，热抗 震性也不太好。 6、喷涂陶瓷 用等离子技术在密封环端面或轴套表面喷上一层耐磨耐 蚀涂层，一般为Cr2O3涂层，厚0.30.5mm。 硬度高、耐磨、耐蚀，但涂层内部有410%的气孔，还 需进行树脂封孔处理（国外用先进的重熔技术进行封孔）。 *86 其组对多为硬度低于70HS的石墨，其使用的PV值较 低，使用温度200，广泛用于醋酸等介质。从日本进 口的机械密封约有1/3采用这种组对。 Al2O3也可作喷涂材料性能与Cr2O3相差不大。 *87 在密封环表面堆焊一层硬质合金，以提高耐磨性、耐蚀性， 且价格较低。国外命名为Stellite（司太立特），常用堆焊材 料如下： （1）铬基1 号电焊条TDCrC-1 HRC48-54 良好的耐汽蚀、耐 腐蚀性。 气焊丝SDCr-1 HRC48-54 良好的耐汽蚀、耐腐蚀性。 （2）钴基1号电焊条TDCoCr-1 HRC40-45 耐酸性好 气焊丝SDCoCr-1 HRC40-45 耐酸性好 （3）钴基2号电焊条TDCoCr-2 HRC4448 耐高温，在高温下 保持高硬度 气焊丝SDCoCr-2 HRC46-50 耐高温，在高温下保持高硬度 （七）表面堆焊硬质合金 *88 以上堆焊虽具有一定的耐蚀性，但不耐强酸、热碱的腐 蚀。硬度不算高且不均匀，抗热裂能力较差，且堆焊工艺要 求较高，不宜用于带颗粒介质的密封和高速机械密封，在泵 用机械密封中已很少采用，但在PV值不高的釜用机械密封中 仍然占有重要地位。 *89 1、 铸铁类 （1）普通灰口铸铁（HT200、HT250）：耐磨性、导热性优 于堆焊硬质合金；耐蚀性差，只能用于中性介质和PV值不 高的场合。 （2）球墨铸铁（QT600-3、QT700-2：）耐磨性、导热性优 于堆焊硬质合金；耐蚀性差，只能用于中性介质和PV值不 高的场合。 （3）高硅耐蚀铸铁：表面有SiO2保护膜，是优良耐酸材料 。耐各种浓度H2SO4、HNO3、有机酸、酸性盐，不耐强碱、 盐酸、氢氟酸、FeCl3热溶液。 （4）高镍铸铁Ni-Resist：（同上） （八）作摩擦副的金属材料 *90 1、 合金钢（用于弱腐蚀介质） （1）3Cr13、4Cr13、9Cr18 （2）高速工具钢、轴承钢 2、 铜合金 青铜SQSn6-6-3、SQSn10-1：具有良好的导热性、耐 磨性、加工性、对硬质材料的相溶性，但质软，耐腐蚀 性差。适用于油、盐类、醇、脂肪酸、海水中介质。不 适用于乙烯、芳烃等介质。 *91 1、 聚四氟乙烯特点（用作辅助密封圈） （1）耐腐蚀性好，几乎能耐所有的强酸、强碱、强氧化 剂的腐蚀。目前发现的只有熔融碱金属（或它的氨溶液） 、元素氟及ClF3在高温下与它要起反应。 （2）使用温度范围广（180260），耐水性、耐老 化性、不燃性、韧性及加工性都很好。 （3）它是一种极好的减磨、自润滑材料（其分子结构 决定了表面分子易滚动和滑动，与其他材料对磨时，分子 首先向对磨材料转移，形成0.020.03m的薄膜），摩擦系 数低0.040.12。 （4）具有奇特的冷流行：即在负荷作用下，发生蠕变 。 （5）线膨胀系数大50150106/（20015） （九）填充聚四氟乙烯 *92 150530106/（1530） 120590106/（30300） （6）导热系数小（0.244w/m.k），与金属相差300多倍。 填充聚四氟乙烯的组对 特点 填20%玻纤PTFE/铬刚玉陶瓷 在稀硫酸中运用最佳 填20%玻纤PTFE/Si3N4 Si3N4磨损大 填20%碳纤维PTFE/多种陶瓷 搪瓷釜212机封首选材料 填15%玻纤、5%碳PTFE/Al2O3 强腐蚀介质 填15%聚苯、3%碳PTFE/Al2O3 氯气泵 填15%Ti白粉、5%玻纤PTFE/SiC 硫酸、硝酸介质 填玻纤可运用于医药、食品机械 *93 2、填充聚四氟乙烯（用作摩擦副） 为了克服聚四氟乙烯的不足，往往在其间加入各种 添加剂，以改善其性能。常常加入1020%的石墨、玻纤 、 青铜粉、SiO2、MoS2等，可改善导热性，减小线胀系数 ， 其它性能也得到改善，但耐蚀性略有下降。 *94 1、良好的弹性，硬度合适且压缩永久变形小。 2、耐高低温的老化性能好。 3、耐介质腐蚀、溶解、熔胀、溶缩、硬化。 4、较小的摩擦系数，耐磨耗，有一定的抗撕裂强度。 5、来源方便，成本低廉。 （十）辅助密封圈材料要求 *95 1、丁腈橡胶（NBR）（40120） 它是丁二烯和丙烯腈的共聚物。常用的丙烯腈含量为40% （丁腈40），耐油，抗老化性良好，并且又耐热、耐磨 、耐一定腐蚀。广泛用于接触汽油及其他油类设备，也耐 碱、非氧化性稀酸，不耐氧化性酸（如硝酸、铬酸）、芳 烃、酯、酮、醚、卤代烃等。炼油厂凝缩油中由于含有芳 烃等介质，故不适用。低温下也不宜采用。 2、氟橡胶（FPM）（20250） 它是含氟的高聚合物，目前由三个品种： FPM2301（2311）：具有优异的耐强酸性能。 FPM2602（2641）：耐热性能、耐溶剂性能优于FPM2301 ， 但工艺性能较差。 （十一）合成橡胶 *96 FPM2461（246）：耐热、耐溶剂性能比FPM2602还要好。 目前一般都用FPM2602，可以在250以下长期使用， 300以下短期使用。耐蚀性是橡胶中最好的，但低温性能 差，价格贵。不宜在酮类、酯类溶液中使用，压缩永久变 形大。 3、硅橡胶（MVQ） 由二甲基硅氧烷与其他有机硅单体聚合而成。 具有很宽使用范围（100350），在200300下 可长期使用，无毒无味，主要用于高、低温下的动植物油 、 矿物油、氧、弱酸、弱碱等。缺点：强度低，不耐磨，价 格高。 *97 4、乙丙橡胶（40150） 乙烯与丙烯聚合而成。特别能耐磷酸酯系液压油、酮 、 醇溶液和酸、碱，同时耐高压水蒸汽，耐侯性、耐臭氧性 好。但在矿物油和二酯系润滑油中膨胀大，不宜使用。 5、氯醇橡胶（30130） 耐热油、耐空气老化、低温弹性好、耐磨性稍差，主 要用于冷冻机介质为氟里昂的机械密封。 *98 属于纯石墨，无任何粘结材料。 1、耐温性好，在非氧化性介质2001600、氧化性介质 400以下可以使用。 2、耐腐蚀性优良，对一般化学溶剂、石油产品、酯类、蒸 汽和还原性介质均保持良好的化学稳定性。 3、良好的柔性、回弹性、气密性、耐辐照性、自润滑性。 4、强度差。 在高温机械密封（金属波纹管机械密封）中，它是最好 的材料。 （十二）柔性石墨（也称膨胀石墨） *99 1、弹簧材料 要有足够的强度，耐介质腐蚀，在工作温度下长期使用 刚度不衰减或衰减很少。常用材料有1Cr18Ni9Ti、 Cr18Ni12Mo2Ti（耐腐蚀、耐高低温）、0Cr17Ni8Al、 0Cr15Ni7Mo2Al（耐腐蚀、耐低温、耐高温不失弹性、又可热处 理）、Ni66Cu3Fe（Monel）（强腐蚀介质：如氢氟酸）、 Ni76Cr16Fe8（Inconel）（耐高温和强腐蚀）、Hasterlloy（耐强 腐蚀）等一般根据腐蚀手册选取。 （十三）弹性元件材料 *100 （1）AM350沉淀硬化不锈钢（我国可用0Cr17Ni7Al、 0Cr15Ni7Mo2Al、0Cr17Ni4Cu4Nb（铌）代替），使用温度 315，低温易碎裂，广泛用于炼油厂。 （2）Inconel718镍基高温合金：更耐蚀，在石油化工部门 广泛应用。 （3）Hasterlloy c276 *101 1、镶嵌环座 3Cr13（线胀系数11.5106/）、1Cr18Ni9Ti（线胀系数 17.2106/）、Cr18Ni12Mo2Ti（线胀系数16.7106/）， 使用温度200。 Capenter42（相当于我国的4J42，含Ni42%的Fe-Ni合金，线胀 系数5106/）使用温度超过400。 钛材（线胀系数89106/）耐蚀性好。 2、其它材料 常用铬钢、1Cr18Ni9Ti、Cr18Ni12Mo2Ti等，根据介质腐蚀情 况选取。 1Cr13和3Cr13都属于马氏体不锈钢，由于含铬13%，能 在阳极区域基体表面形成一层副铬的氧化物保护膜， （十四）机械密封中基体材料 *102 这层膜会阻碍阳极区域的反应并增加电极电位致使基体电 化学腐蚀过程减缓，从而获得一定的耐蚀性。由于钝化在氧 化环境下才能产生，所以它们主要在氧化性介质中才是不锈 的。1Cr13实际应用都是在调质状态组织为回火索氏体情况下 使用的，3Cr13可以通过高温淬火后低温回火得到回火马氏体 ，其硬度达HRC5864,可作摩擦副。 1Cr18Ni9Ti属于奥氏体型不锈钢，其强度、硬度（HB135） 均很低，无磁性，其塑性、韧性及耐蚀性均较Cr13型不锈钢好 。其中含约18%的铬的主要作用是产生钝化，提高阳极电极电 位；含约9%的镍的主要作用是降低马氏体形成温度，使钢在 室温时获得单相奥氏体组织。钢中加钛的目的是为了抑制在 晶界上析出（Cr，Fe）23C6碳化物，消除晶间腐蚀倾向。 Cr18Ni12Mo2Ti由于加入了2%的钼，其耐蚀性比1Cr18Ni9Ti更好 ，特别是在非氧化性酸和热的有机酸、氯化物中的耐蚀性要 比铬镍不锈钢好得多，抗孔蚀的能力也较好。 *103 PLAN 01 正向直通自冲洗 适用于常温、清洁流体 作用：带走端面摩擦热 *104 PLAN 02 封闭式密封腔 适用于常温、清洁流体 作用：布置简单，一般密封腔 带冷却夹套 *105 PLAN 11 正向旁通自冲洗 适用于常温、清洁流体，单端 面密封的首选系统 作用：带走端面摩擦热，防止 腔内介质汽化 *106 PLAN 12 带过滤器正向旁通自 冲洗 可用于含杂质的物料 作用：带走端面摩擦热，防止 腔内介质汽化 *107 PLAN 13 反向旁通自冲洗 适用于常温清洁流体，单端面 密封，立式泵、高速泵 作用：带走端面摩擦热，排出 腔内气体 *108 PLAN 14 两向旁通自冲洗 *109 PLAN 21 带换热器正向自冲洗 *110 PLAN 21 带换热器正向自冲洗 适用于：较高温度，易结焦、聚合、润滑性不好 的流体，单端面密封 作用：降低腔内温度，保持密封腔压力 可以满足辅助密封圈的温度要求 *111 PLAN 31 带旋液分离器正向自 冲洗 适用于含重质颗粒的物料 作用：带走端面摩擦热，去除 固体颗粒 *112 PLAN 32 注入式冲洗 适用于含固体颗粒、易气蚀抽 空的介质 作用：改善工况 *113 *114 PLAN 41 带换热器、旋液分离器正向自冲洗 适用于：含重质颗粒的热流体 作用：降低腔内温度，去除颗粒 *115 5 PLAN 52 储罐缓冲液循环冲洗 *116 PLAN 52 带换热器、旋液分离器正向自冲洗 适用于：易燃、易爆、有毒的易汽化清洁流体， 无压密封 作用：润滑密封端面，带走端面摩擦热，并对密 封状态进行监控 1.用于非聚合流体,饱和蒸汽压高于封液,不允许漏向大气 2.不用于重流体,脏流体,易聚合流体 3.用于易结晶流体，用清水作缓冲流体使泄漏出的颗粒溶 于清水中。 *117 PLAN 53A 储罐阻塞液循环冲洗 *118 1.用于脏的磨蚀性或易聚合介质,不允许漏向大气 2.介质允许少量污染 3.封液压力高于介质至少1.5bar（一般0.4MPa) 4.可以用于温度高于 260 的工况（PLAN52不能胜任 的情况） *119 PLAN 53B 带蓄能器储罐阻塞液循环冲洗 *120 PLAN 53C 带增压罐储罐阻塞液循环冲洗 *121 八、机械密封的安装和使用 据国内某炼油厂的一份密封失效统计数据表明： 密封本身问题（镶环不佳14，动环硬度不够9，K太大6，材质 不对3，静环垫太紧3，密封面不平2，密封面太窄2）占34.5% 。 辅助设施问题（没有冲洗23，冲洗管堵塞1，冷却水结垢3）占 23.9%。 介质及工作条件不好(腐蚀加磨损10，有固体颗粒6，抽空4， 密封面结冰4，密封面结晶3,粘度太大2)占25.7%。 泵的问题(串轴4，振动大3，压盖垫坏2，密封箱面不平1)占 8.8%。 安装问题(轴套垫漏5，压缩量小3)占7.1%。 后三项属于安装和使用的原因,合计占41.6%。 因此,必须认识安装和使用的问题。 *122 （一）安装机封的泵的技术要求 1 转子部分 （1）轴径向跳动0.030.05mm 转子径向跳动：叶轮口环0.060.10 轴套等部位0.040.06(小直径对小值，大直径对大值) （2）