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2020 3 15 1 机械密封 2020 3 15 2 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 2020 3 15 3 一 定义与组成 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 2020 3 15 4 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 2020 3 15 5 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 2020 3 15 6 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 2020 3 15 7 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 2020 3 15 8 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 2020 3 15 9 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 2020 3 15 10 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 2020 3 15 11 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 2020 3 15 12 一 密封性的影响因素 二 机械密封端面的摩擦状态 三 载荷系数对密封性能的影响 四 弹簧比压对密封性能的影响 五 端面粗糙度对密封性能的影响 六 端面间缝隙形状对密封性能的影响 七 产生端面不平行的原因 八 密封端面的机械变形 九 密封端面的热变形 十 影响机械密封性能的其它因素 六 机械密封性能的影响因素 2020 3 15 13 一 石化行业高温泵 热油泵 密封分析 二 轻烃泵密封分析 三 低温泵密封分析 四 高速机械密封 七 石化行业典型泵的密封 2020 3 15 14 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 八 机械密封的安装和使用 2020 3 15 15 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 九 机械密封故障分析 2020 3 15 16 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 2020 3 15 17 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 十 补充内容 2020 3 15 18 一 机械密封原理 一 定义与组成 图1 1 组成 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 2020 3 15 19 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 2020 3 15 20 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 三 密封机理 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 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 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 静密封点 密封圈与相配合件之间相对静止 2020 3 15 21 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 2020 3 15 22 1 按使用条件分类 1 高速密封 ZBJ22 001 88 线速度25 100m s 和普通密封 2 高压和低压密封 3 高温 常温和低温密封 4 泵用 釜用和压缩机用密封 5 耐腐蚀 抗颗粒机械密封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 2020 3 15 23 六 旋转式和静止式机械密封 图1 2 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 不能用于高速 且消耗搅拌功率 2 静止式 补偿机构 弹性元件 不随轴旋转 用于高速 2020 3 15 24 七 内装式和外装式机械密封 图1 3 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 2020 3 15 25 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 九 多弹簧和单弹簧机械密封 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 2020 3 15 26 1 平衡型 载荷系数K 1 0 用于高压场合 2 非平衡型 载荷系数K 1 0 用于普通压力场合 十 平衡型和非平衡型机械密封 十一 补偿机构形式 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 2020 3 15 27 两套密封面对面或背对背安装在一起 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 十二 双端面机械密封 图1 4 2020 3 15 28 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 2020 3 15 29 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 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 2020 3 15 30 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 十五 集装式机械密封 图1 6 2020 3 15 31 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 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 2020 3 15 32 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 0 4 0 6 以利补偿静环和轴 轴套 间隙1 3mm以免摩擦 二 摩擦副匹配要考虑的因素 2020 3 15 33 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 2020 3 15 34 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 2020 3 15 35 平面度0 0009 硬质 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 2020 3 15 36 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 2020 3 15 37 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 2020 3 15 38 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 2k 1 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 0 589 m 2 0 3 m 2020 3 15 39 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 2020 3 15 40 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 1 m 2级 0 03 m 1级 光源 钠光灯 0 589 m 2020 3 15 41 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 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 2020 3 15 42 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 2020 3 15 43 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 2020 3 15 44 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 2020 3 15 45 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 2020 3 15 46 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 2020 3 15 47 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 2020 3 15 48 Dp 1 2 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 5 10 61 C1Cr18Ni9Ti 16 6 10 61 C3Cr13 11 5 10 61 C 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 2020 3 15 49 2 由上式 当使用温度为300 C时 对YG6 1Cr18Ni9Ti 过盈量为 Dp 16 6 4 5 10 6 300 20 3 4 10 3Dp 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200 C以上少用热装式结构 否则要核算过盈量 2020 3 15 50 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 圆形 矩形 V形 楔形 包四氟形等 十四 辅助密封圈 2020 3 15 51 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 2020 3 15 52 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 2020 3 15 53 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 2020 3 15 54 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 2020 3 15 55 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 2020 3 15 56 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 HasterlloyC 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 D 0 8 0 9 例 AM350热失效 真空炉850 C进行淬火处理 再进行 80 C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 2020 3 15 57 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 200 600 C 高速下对轴的振动 振摆适应性强 追随性好 3 弹率 刚度N mm k Et3 d1 d2 2nB3 d2 d1 E 工作温度下弹性模量 N mm2 AM350 1 75 10 6 315 6 C INCONEL 2 14 10 6 26 7 C 1 59 10 6 649 C 17 7PH 2 0 10 6 21 1 C Ti 1 31 10 6 196 C 1 14 10 6 23 9 C 0 70 106 538 C 2020 3 15 58 t 波片厚度mmn 波数d1 d2 管子内外径mmB 波纹管片宽 d2 d1 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 刚度 2020 3 15 59 三 机械密封的计算 一 补偿环的受力状况 要进行端面比压计算 首先要分析补偿环的受力情况 如图 补偿环受到的力有 2020 3 15 60 二 密封端面中液膜反力的分布情况 在d2处 端面间液膜压力等于P介 在d1处 端面间液膜压力近似为零 对于中间分布情况 各点的压力分布与介质性质有关 还与端面中的相态和摩擦状态有关 对于丁烷等 粘度小 易汽化介质 压力分布成凸抛物线状1 对于水等 中等粘度介质 压力分布成直线性2 对于润滑油等 高粘度介质 压力分布成凹抛物线状3 2020 3 15 61 在d2处 端面间液膜压力等于P介 在d1处 端面间液膜压力近似为零 对于中间分布情况 人们通过大量试验发现 各点的压力分布与介质性质有关 还与端面中的相态和摩擦状态有关 对于丁烷等 粘度小 易汽化介质 压力分布成凸抛物线状1 对于水等 中等粘度介质 压力分布成直线性2 对于润滑油等 高粘度介质 压力分布成凹抛物线状3 2020 3 15 62 Fm P介S 液膜比压Pm P介 膜压系数 0 5 中粘度 0 65 0 75 低粘度 0 3 0 4 高粘度 它是一个平均值 表示液膜压力占介质压力的比例 并不表示压力的分布情况 该公式为端面比压的计算提供了方便 S 端面面积S d22 d12 4 三 液膜反力的计算 2020 3 15 63 易汽化介质 如液态烃等 的机械密封一直是石化行业中较难解决的问题 其原因是膜压系数不稳定 因其在端面中的相态和摩擦状态不稳定 因此弄清端面间的压力分布 对于正确计算液膜反力很有必要 四 易汽化介质中密封端面间的液膜压力分布 2020 3 15 64 大家都知道 对于轻烃类介质 端面缝隙中存在气液两相 rb为汽化半径 此处液膜压力 P饱和 tp tp处温度最高 r2 rb区域 液膜压力成线性分布 液相rb r1区域 液膜压力成抛物线分布 气相对于易汽化介质膜压系数 中国石油大学顾永泉教授提出一个计算公式 2 3 P1 1 2 1 6 Pf P1 r2 rb r2 r1 式中 Pf rb处气化压力P1 介质压力rb 气化半径r2 r1 端面外半径 内半径计算值一般在0 70 0 85之间 2020 3 15 65 1 端面几何尺寸 由上面公式可以看出 2 密封结构 前面讲的都是对内流式而言的 对外流式 还要增大0 2左右 对于中等粘度介质 0 7 3 摩擦状态 边界摩擦 端面多个高点直接接触承压 液膜厚度只有几个分子厚 且不连续 几乎不承压 只起润滑作用 0 液体摩擦 全液膜 泄漏量大 机械密封一般不采用 混和摩擦 介于以上两种之间 这是机械密封端面摩擦的主要形式 4 端面缝隙情况 渐开形 减小 渐收形 增大 5 其他因素 转速高 对于内流式 减小 对于外流式 增大 此外端面比压 密封面温度 粗糙度等都有一定影响 五 膜压系数的影响因素 2020 3 15 66 Pt F弹 SF弹可计算得出 但一般有误差 10 这是由于制造厂 制造工艺 原材料的化学成分 热处理工艺等存在差异的缘故 一般Pt 0 15 0 2Mpa 内装 0