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机械密封知识何兵2014年3月26日 1 2 一 密封原理和特点 1 结构 第一节机械密封原理和基本结构型式 1 组成 3 2 固定 紧定螺钉把弹簧及动环部分固定在轴上静环的周向固定 静环上开槽 然后通过防转销与静环座固定 而静环座又与设备联在一起 4 2 密封原理 机械密封主要是将较易泄漏的轴向密封改为不易泄漏的端面密封 如图3 1所示 当轴转动时 带动了弹簧座 弹簧压板 动环等零件一起转动 由于弹簧力的作用使动环紧紧压在静环上 轴旋转时 动环与轴一起旋转 而静环则固定在座架上静止不动 这样动环与静环相接触的环形密封面阻止了介质的泄漏 5 机械密封一般有四个密封处 A 动环与静环之间的密封 动密封 B 动环与轴或轴套之间的密封 相对静密封 C 静环与静环座之间的密封 静密封 D 静环座 压盖 与设备之间的密封 静密封 机械密封的主要特点主是密封面为垂直于旋转轴线的端面 A B C D 6 3 基本构件 1 动环和静环 材料较好的耐磨性 能有减摩作用 即f要小 良好的导热性 把摩擦热及时传出孔隙率小 结构紧密 以免介质在压力下有渗透 动 静环是一对摩擦副 它们的硬度各不相同 一般动环的硬度比静环的硬度大 动环的材料可用铸铁 硬质合金 高合金钢等 在有腐蚀介质的条件下可用不锈钢或不锈钢表面 端面 堆焊硬质合金 陶瓷等 静环的材料可用铸铁 磷青铜 巴氏合金等 也常用浸渍石墨或填充聚四氟乙烯 7 配对方法 当介质粘度小 润滑性差时 采用金属配各种非金属 因为大多数非金属材料都有自润滑作用 当介质粘度较大时 采用金属与金属配对 加工精度由于摩擦副的端面要起密封作用 并且摩擦环要相互滑动摩擦 故端面的加工精度影响着密封的效果和使用寿命 8 2 弹簧加荷装置 3 辅助密封元件 型式 O形 V形 矩形等 作用 产生压紧力 保持动 静环端面紧密接触 且是一个缓冲元件 可以补偿轴的跳动及加工误差而引起的摩擦面不贴合 把弹簧施加到密封环带单位面积上的压紧力称为弹簧比压ps 那么ps的作用有两点 起动停车或介质压力波动时 使密封面维持足够的比压 克服密封圈与轴的摩擦力 保持动环沿轴向移动 以补偿端面的磨损 因此有人把机械密封定义为 机械密封是一种带有缓冲机构 并通过与旋转轴大体垂直做相对转动的密封端面进行密封的装置 9 优点 密封可靠 在一个较长的使用期中 不会泄漏或很少泄漏 使用寿命长 正确选择摩擦副材料和比压的机械密封可用2 5年 最长的达9年 维修周期长 在正常工作的情况下 不需要维修 摩擦功率消耗少 轴或轴套不受磨损 对旋转轴的振摆和轴对壳体孔的偏斜不敏感 适用范围广 能用于低温 高温 高真空 高压 各种转速以及各种腐蚀 易燃 易爆 有毒介质的密封 4 机械密封的优缺点 与软填料密封比较 缺点 结构较复杂 对制造加工要求高 安装与更换比较麻烦 要求工人有一定的安装技术水平 发生偶然事故时 处理比较困难 一次性投资高 10 表3 1机械密封与填料密封的比较 11 二 结构类型 1 内流式和外流式 2 内装式和外装式 3 旋转式与静止式 5 单弹簧与多弹簧 6 单端面 双端面和多端面 4 平衡型和非平衡型 12 按介质泄漏方向分为内流式和外流式 内流式 介质沿半径方向从端面外周向内泄称为内流式 外流式 介质沿半径方向从端面内周向外泄称为外流式 内流式的泄漏方向与离心力方向相反 离心力阻碍着流体的泄漏 因而内流式泄漏比外流式泄漏量小 于是 有固体颗粒的情况尤其应该采用内流式 这样可防止固体颗粒进入摩擦面 1 内流式和外流式 图3 2 13 按弹簧是否与介质接触分为内装式和外装式 内装式是弹簧置于工作介质之内 外装式是弹簧置于工作介质之外 2 内装式和外装式 如图3 3 14 外装式特点 外装式机械密封弹簧不与介质接触 可以用于强腐蚀 高粘度 易结晶以及含有固体颗粒的介质等工况条件 但其动环端面在介质压力的作用下存被打开的趋势 因此使用压力比较低 一般应不大于1Mpa 内装式机械密封则可以满足较高压力的工况要求 内装式受力情况比较好 刚开车时介质压力较低 由不太大的弹簧力即可对摩擦面构成初始的密封 此时因端面比压较小 容易形成液膜 内装式端面比压随介质压力增在而增大 因而增加了密封的可靠性 一般情况下内装式 内流式 的介质泄漏方向与离心力方向相反 泄漏情况较外装式好 所以在介质无腐蚀以及不影响弹簧机能时 应尽可能采用内装式 内流式 结构 15 按弹簧的运转状态分为旋转式与静止式 旋转式 即是弹簧装置及轴的结构简单 径向尺寸较小 高转速情况下 弹簧及其它转动零件产生的离心力很大 动平衡要求高 有的介质经强烈搅拌后易结晶 对于这种情况宜采用静止式较适宜 3 旋转式与静止式 16 主要按介质作用在端面的载荷程度分 4 平衡型和非平衡型 当不计摩擦副间反压力及密封圈摩擦力时 作用在端面上的比压为 式中 Pc 端面比压 是指作用于密封面环带的单位面积上净剩的闭合力 它主要取决于密封结构型式和介质压力 P 介质压力Pn 弹簧比压 弹簧施加到密封环带单位面积上的压紧力 17 其中 Ae 流体介质作用的有效载荷面积A 接触面积 密封环带面积 K 载荷系数 动环的轴向受压面积与端面接触面积之比 d1 d2 密封环带内 外径db 平衡直径 介质压力在补偿环辅助密封处的有效作用直径 减小动环的轴向受压面积 可将流体压力施加在摩擦副端面上的载荷部分甚至全部卸除 这一方法称为卸荷 因此K表示的是介质产生的比压加到摩擦副上的载荷程度 根据d1 d2和db的不同 K有不同的值 图3 4 18 19 K 1非平衡型 介质作用于单位密封面上的轴向压力大于或等于密封腔内介质压力 K 1 1 1 20 K 1部分平衡型 介质作用于单位密封面上的轴向压力小于密封腔内介质压力 K 0 6 0 9K 0全平衡型 介质对密封面无轴向力K 0过平衡型 介质对密封面为推开力令 1 K 称 为平衡系数 它表示介质产生的比压在摩擦副上的卸荷程度 由前面Pc公式可知 愈大 K愈小 由于介质引起的端面比压愈小 虽然磨损很小 但不易保证密封 反之 愈小 K愈大 端面磨损加剧并产生热 甚至有咬坏的危险 那密封就失效了 因此根据经验与试验 不宜超过0 5 20 单弹簧又称大弹簧 即是在密封装置中仅有一个弹簧与轴同中心安装 多弹簧又称小弹簧 即是在密封装置中有数个弹簧沿圆周均匀分布 一般说负荷较轻而且大量生产的密封采用单弹簧为佳 小量生产且在严格的条件下使用时 则都采用多弹簧 5 单弹簧与多弹簧 21 按摩擦面对数分为单端面 双端面和多端面 单端面 指在密封机构中仅有一对摩擦副 双端面 指在密封机构中有两对摩擦副 且两对摩擦副处于相同密封液压力下 图3 5 密封机构中有两对以上的摩擦副且密封腔的压力逐渐降低 根据摩擦副的对数分别称为双端面 三端面和多端面 6 单端面 双端面和多端面 22 从结构比较来看 单端面比双端面简单 在制造和装拆上较容易 因而使用很普遍 双端面因要通入带液体 封液 至密封腔内起 封堵 和润滑作用 就需另设一套装置 单端面只适用于一般场合 双端面适用于强腐蚀 主温 带悬浮颗粒及纤维的介质 气体介质 易燃易爆介质 易挥发粘度低的介质 高真空 贵重物料及要求介质与空气隔绝且允许内漏的情况 23 1 分析密封使用条件 第二节机械密封的选用 1 工作参数 压力 温度 转速 轴径 2 介质特性 浓度 粘度 腐蚀性 有无固体颗粒及纤维杂质 是否汽化或结晶 3 主机工作性质与环境条件 连续或间隙操作 24 2 主机对密封的要求 密封性寿命结构尺寸的限制可靠性和稳定性 3 密封类型与材料的选择 4 密封系统的综合措施及加工 安装 维修 经济效益等考虑 5 结构形式的选择 25 1 工作压力 密封的工作压力是指密封腔处的压力 当P介 0 5 0 7MPa时 需采用部分平衡型 由前面可知 K 载荷系数 表示介质产生的比压加到摩擦副上的载荷程度 P介增加 则K增加 据资料介绍 当P 0 5 0 7MPa时 用部分平衡型就能保证密封 即K 1 若此时采用非平衡型 则K很大 介质产生的比压加到摩擦副上的载荷程度也很大 从而密封端面磨损 发热 密封失效 尤其是对于介质粘度低 润滑性能差者 往往压力达0 3 0 5MPa以上就应考虑选择部分平衡型 若是超高压 高压 就应选双端面或多端面密封使之逐级降压 26 3 圆周速度当V 30m s时可选用静止型 即是高速又是高压力时 可考虑用流体动压型机械密封 4 介质的腐蚀性及易燃易爆 结晶等性质 对于腐蚀较弱 选内装式较好 因结构上端面受力和泄漏方向比外装式合理 反之 选用外装式 外装外流式介质压力不起自紧作用 故适用于压力较低的情况 0 2 0 3MPa 2 温度超出120 是高温 2020 3 19 27 可编辑 28 一 密封环端面发热 机械密封的摩擦副就是动环和静环 其端面贴紧且一个静止 一个旋转 它们之间存在相对运动 所以会产生摩擦和磨损 同时会伴有热量的产生 如果摩擦产生的热量越多 密封的工作PV值就越大 当然摩擦热除与PV值有关外 还与摩擦系数及端面面积有关 假设端面比压是均布的 则摩擦热 第三节冷却 冲洗与安装 使用 29 热量的传递有三种方式 对流 间壁导热 辐射 显然机械密封端面的摩擦热就是以这三种方式传递出去的 如果密封环向周围散失的热量与产生的摩擦热相平衡 则可得到一个稳定的温度值 对于普通机械密封 泄漏量较小 它带走的热量可以忽略 那么摩擦热主要是由轴导入动静环 再由动静环传给周围介质 即 T 环端面温度与周围介质温度差l 温度降方向的壁厚 轴向为环厚h 径向为端面宽度b 显然 越小 传出的热量就少 温升越高 PV值就越大 反之 越大 传出的热量就多 温升越低 PV值就越小 因此要选择导热系数大的材料 30 二 冷却 冲洗方法及系统设计 如果密封环材料的导热性差 介质温度又高 或PV值比较高的情况下 端面间的大量热量不能及时导出 必然引起端面温度急剧上升 其结果可能造成端面间液膜汽化 恶化润滑条件 甚至完全处于干摩擦状态 这不仅使磨损加剧 还会导致密封环的热裂 变形等等 因此只是依靠选择耐高温 导热性好的密封环材料或仅从结构上考虑 都很难达到预期的效果 合理的方法就是强化冷却 使端面摩擦热及时导出 使端面冷却的方式主要有三种 31 1 端面直接冷却 将密封介质从系统中高于密封腔压力处引出 通过接管引入密封腔 对于密封介质的温度高或含固体粒子的场合 可在管路上设置冷却器或过滤器 使进入密封腔内的介质净化并降低温度 1 闭路自冲洗 图3 24 a 32 1 端面直接冷却 将密封腔内的介质引入主机低压侧 使介质通过密封腔进行自循环而带走摩擦热 图3 24 b 这种方法适用于密封腔压力与主机工作压力比较接近的场合 2 反向自冲洗 33 1 端面直接冷却 将介质从高压侧引出 流经密封腔进行冲洗后流回主机吸入侧 图3 24 c 这种冲洗冷却效果优于前两种 3 贯通自冲洗 34 1 端面直接冷却 利用其它压力源将冲洗冷却液注入密封腔内 图3 24 d 冲洗液应为低温 清洁液体 并且少量内漏与密封介质相混在工艺上必须是允许的 冲洗液压力应比密封介质压力大0 05 0 1Mpa 对于高温或含固体颗粒的介质 效果较好 4 内冲洗 35 1 端面直接冷却 在密封腔内的一段轴上装上小型动力元件 图3 25 使密封腔内介质进行局部循环 或在旋转环外周开槽同样能直到泵送作用 5 局部循环冲洗 36 2 静环背部冷却 从静止环背部将清水 油等冷却液直接引入密封环内表面的一种冷却方法 图3 26 又称为急冷法 外冲洗法 冷却效果好 但冷却水硬度高时产生的无机物水垢在轴上沉积 会影响动环密封圈的浮动性 可能会引起密封失效 37 3 间接冷却 冷却液不直接与密封面接触 其效果没有直接冷却效果好 但对冷却液要求不高 常用 静环外周冷却 图3 27 b 夹套冷却 图3 27 a 轴套冷却 图3 27 c 蛇管冷却 图3 28 38 三 机械密封的安装 1 安装前的准备及注意事项 检查机械密封的型号 规格是否符合设计图纸的要求 所有零件有无损伤 变形 裂纹等现象 若有缺陷 必须更换或修复 检查机械密封各零件之配合尺寸 粗糙度 平行度是否符合要求 使用小弹簧机械密封时 须检查小弹簧的长短和刚性是否相同 使用并圈弹簧时 须注意旋向是否与轴的旋向一致 其判别方法是 面向旋转环端面 若转轴为顺时针方向旋转的用右旋弹簧 反之 用左旋弹簧 39 三 机械密封的安装 1 安装前的准备及注意事项 检查主机轴的窜动量 摆动量和挠度是否符合技术要求 安装过程中应保持清洁 特别是旋转环和静止环密封面及辅助密封圈表面应无杂质 灰尘 不允许用不清洁的布擦试密封面 安装中不允许用工具敲打密封元件 40 三 机械密封的安装 2 安装顺序 确定动环安装位置旋转组件的安装 静止件的安装压盖安装 41 第四节特殊工况下机械密封选用要点 在石油 化工生产中 由于所处理的介质非常复杂 介质的特性 温度 压力 轴径 轴的转速等各有差别 因此 机械密封必须从结构 材料以及附加装置等方面加以考虑 以适应各种使用条件的要求 尤其在苛刻条件下工作的机械密封 在设计时必须对这些问题提出相应的解决措施 42 一 高温条件 当温度大于120 时 即认为是高温 高温介质不但不能带走端面摩擦热 还可能对密封环起加热作用 使密封端面温度过高 造成端面液膜汽化 出现干摩擦 密封环还可能发生热变形和热裂 当高温超过一定限度时 浸树脂石墨中的树脂碳化析出的硬粒划伤密封面 浸金属石墨中的金属熔化渗出 使密封失效 高温条件下的橡胶 塑料等辅助密封圈材料易老化 分解变质 在腐蚀性介质中 高温会加剧金属密封件的腐蚀 43 要解决以上问题 一般是采取积极的冷却措施和耐高温的材料 也可以从结构上采取措施 如工作温度在250 以上 可采用单弹簧金属波纹管密封 44 二 低温条件 低温工作的介质多属液化气体 具有低沸点 低粘度 高蒸汽压的特点 这种情况下 一般材料都会发生冷脆现象 辅助密封圈发生老化 失去弹性 影响密封性能 密封装置若与大气接触 其低温使大气的水蒸汽冻结在密封面上 加速摩擦副的磨损 另外密封面上的液膜汽化现象对密封特性也有重要影响 所以低温用机械密封需要考虑以下几个方面的问题 温度为0 50 时视为普冷机械密封 当温度低于 50 时视为深冷机械密封 45 二 低温条件 用金属密封圈或金属波纹管代替辅助密封圈 在超低温条件下常采用不锈钢或铜合金来制作的金属波纹管 这样能保持优异的弹性补偿和消除种种因素引起的机械振动 使两密封面紧密贴合保持良好的运动状态 防止波纹管疲劳 波纹管虽然有优异的弹性 但在超低温时 其塑性也有一定的下降 硬度增大 疲劳寿命降低 若把波纹管置于旋转运动中 则会加速疲劳破坏 故在超低温下常采用静止式结构 与大气隔绝 密封腔与大气隔绝能减少冷损 提高泵的效率和抗蚀性能 防止摩擦面上产生水结冰 加速端面的磨损 选择导热性和低温性能好的材料 如石墨 青铜等 防止液膜汽化 可采取急冷和冲洗液 均匀低温流体 并用的措施 46 三 高压与真空 按照密封术语 压力在常压1MPa称作低压 大于1 3MPa属于中压 超过3 15MPa称为高压 高压可能使密封环产生力变形或破裂 真空条件下 由于分子降低 分子间摩擦力小 与相同压差的正压相比 真空更易渗漏 解决问题应从结构型式 材质 冷却与润滑等方面作一合适的选择 选择的重点是密封型式和材料 47 平衡系数 值的选择端面比压是考核密封性能和耐磨性能的重要指标 选用密封所允许的最小端面比压对提高使用寿命有利 高压下一般取较大的 值 多采用平衡型结构 多端面结构当端面负荷达到15MPa以上时 仅依靠材料的选择及结构型式 都会非常危险 这时可采用串联式多端面结构 将前级密封的端面比压设计得小些 允许较大的泄漏量 也可采用流体静压式或流体动压式结构 使密封端面维持良好的润滑状态 对于真空用机械密封尽可能造成液膜形成的条件 如采用双端面结构加封液循环 外装单端面结构加油盒润滑等强化润滑的措施 高压条件下 密封环采用强度 刚度高的材料 48 四 高速 当线速度超过25m s时称为高速机械密封 高速条件下 由于PcV值大 摩擦功率消耗以及相应产生的摩擦热也大 易使端面温度升高 造成液膜汽化出现干摩擦出现干