机械密封技术及发展趋势

1 机械密封技术及发展趋势机械密封技术及发展趋势 摘要摘要 文章介绍了常用机械密封技术及结构和目前先进的机械密封应用技术主 要有密封端面改形技术 控制平衡比密封技术 组合密封技术 可控机械密封 技术 分析了随着科技的发展 对机械密封技术的发展要求及机械密封技术的 发展趋势 关键词 关键词 机械密封技术 发展 趋势 1 1 引言引言 在石油和石油化工工业中 有近 90 的旋转设备采用机械密封 机械密封 的第一个专利于 1885 年出现在英国 1900 年机械密封开始应用于轴承密封 1913 年有了双端面机械密封专利 1919 年出现了单端面机械密封专利 二战后 机械密封技术在美国得到了迅速发展 英 法等国也开始生产机械密封 磨擦副 材料也得到了很大的改进 出现了陶瓷 石墨和硬质合金材料 加工精度也大 为提高 同时 在结构上出现了平衡型机械密封 中间环密封等 近半个世纪 以来 随着人们对环境保护的日益关注 要求机械密封向零逸出 高可靠性 长寿命 低磨损的方向发展 机械密封是一种用来解决旋转轴与机体之间密封的装置 常用于泵 压缩 机 反应搅拌斧等旋转式流体机械 也用于齿轮箱 阀门 旋转接头 船舶尾 轴等密封 因此 机械密封是一种常用的轴封装置 2 2 机械密封技术简介机械密封技术简介 2 12 1 机械密封结构机械密封结构 机械密封安装后 依靠弹簧的弹力 以克服补偿环辅助密封圈与轴之间的 摩擦阻力 使补偿环端面紧紧地贴住非补偿环的端面 此时 有初始闭合力存 在 当主机开始工作时 密封腔充满了压力流体 而产生更强有力的轴向推力 使密封端面贴合更紧密 由于端面的平面度高和粗糙度小 在压力流体的作用 下 相对滑动的端面间便出现了边界摩擦或半液体摩擦状态 足以防止压力流 体的明显泄漏 实现了主密封 机械密封的结构多种多样 最常用的结构如下图所示 2 图 1 所示机械密封的补偿环组件处于旋转状态 这是机械密封的常用型式 称为旋转式机械密封 即补偿弹簧和主轴固定并随之一起旋转 但是 在高速 情况下 圆柱螺旋弹簧会因离心力而失效 此时 应采用静止式机械密封 静 止式机械密封的结构和布置与旋转式机械密封相反 它的补偿环组件则安装在 与机体连接的带有假轴套的弹簧座上 即补偿弹簧组件和机体固定在一起 而非补偿组件则安装在与轴连接的轴套上 其作用完全与旋转式机械密封相同 2 22 2 机械密封特点机械密封特点 1 密封性好 机械密封的泄漏量通常可控制在 3 5mL h 与填料 螺旋等密封相 比 泄漏量少得多 2 使用寿命长 与填料 橡胶油封相比 机械密封的使用寿命要长得多 3 无需经常调整 由于机械密封具有补偿机构 正确安装后 不像填料密封需经 常调整 4 功率损耗小 由于机械密封的端面接触面积小 摩擦功率损耗小 仅为填料密 封的 20 30 5 轴 轴套 表面不易磨损 由于机械密封与轴 轴套的接触部位几乎没有相对运 动 因此对作轴 轴套 的损伤较小 3 6 抗振性强 缓冲性好 由于波纹管式和全补偿式机械密封的发展 使机械密 封具有更好的抗振性 从而保证了它在恶劣工况下使用的可靠性 7 性能参数高 使用范围广 选择适当结构形式和匹配的摩擦副材料 并完善 密封系统 就能使机械密封广泛用于各种工况 如高温 低温 高速 低速 高 压 真空 强腐蚀 无宏观泄漏等工况 同时机械密封也存在一些缺点 主要是 结构复杂 不同工况要使用不同结构形式 品种多且要用不同材料制成 装配稍难 更换不变 特别是运转不正常时 采取应急措施较困难 价格较贵 机械密封的价格往往是填料 油封等密封价格的数倍 数十倍 以 总体经济效益相比 却并非如此 3 3 先进的机械密封技术先进的机械密封技术 为了满足机械密封向零逸出 高可靠性 长寿命 低磨损的方向发展的要 求 出现了采用新材料和新工艺的各种机械密封技术 目前先进的机械密封应 用技术主要有密封端面改形技术 控制平衡比密封技术 组合密封技术和可控 机械密封技术 3 13 1 密封端面改形技术密封端面改形技术 1 1 密封端面改形技术就是通过在密封端面上开各种形式的槽来改善端面间的 润滑情况 从而实现机械密封的长寿命运行 它是当今机械密封领域的高新技 术 3 1 13 1 1 干运转气体密封技术干运转气体密封技术 2 2 干运转气体密封是将开槽密封技术用于气体密封 属于非接触密封 其作 用原理可用图 1 来说明 在干气密封的一个密封环端面外侧加工有均匀分布的 2 5 10 m 的动压槽 当动环旋转时 流体动压槽把外侧的高压隔离气泵 入密封端面之间 由外径至槽根部气膜压力逐渐增加 而自槽根部至内径处气 膜压力逐渐下降 因端面膜压增加使所形成的开启力大于作用在密封环上的 闭合力 在磨擦副之间形成很薄的一层气膜 从而使密封工作在非接触状态下 所形成的气膜完全阻塞了相对低压的密封介质泄漏通道 实现了密封介质的零 泄漏或零逸出 4 这种密封运行无磨损 功耗小 泄漏量小 可实现零泄漏或者零逸出 结构 相对简单 无需复杂的封油系统 安装维护费用低 系统可靠 可实现长周期稳定 运行 干气密封端面的槽形主要分单旋向和双旋向两大类 单旋向槽型只可使用于单向旋转的转动设备 在要求的旋向下才可产生开启 力 如反转则产生负的开启力而可能导致密封的损坏 但相对于双旋向的槽型 它可形成更大的开启力和气膜刚度 产生更高的稳定性而更可靠的防止端面接 触 故在很低的转速下和较大的振动下也可使用 在目前也是使用最多的 双旋向槽型无旋向要求 正反转皆可使用 转子的反转不会造成密封的损坏 其使用范围较单旋向槽宽 但其稳定性 抗干扰能力较单旋向差 3 1 23 1 2 上游泵送密封上游泵送密封 上游泵送密封的工作原理与干气密封类似 是借助密封环端面内侧开设的流 体动压槽在旋转条件下的粘性剪切作用把液体泵入密封端面之间 使液膜的压 力增加并把两密封端面分开 与干气密封不同之处在于 上游泵送密封的端面液 体动压槽是把由高压侧泄漏至低压侧的被密封液体重新反输至高压侧 以消除 密封介质由高压侧向低压侧的泄漏 3 1 33 1 3 端面开深槽端面开深槽 3 3 流体静压型机械密封端面开深槽流体静压型机械密封是在密封端面上开出 几组深度达几毫米的凹槽 或孔 和压力介质引入孔 将密封流体或外界润滑流 5 体引入密封端面 从而对密封端面进行充分润滑和冷却 在结构上有自加压凹 槽式和外加压凹槽式等 自加压凹槽是在非旋转环的外周开若干个小孔并与端 面开出的环形凹槽相通 从而将被密封的压力介质引入密封端面 外加压凹槽是 非旋转环圆周外的小孔不与密封介质相通 而与外界起润滑作用的流体源相通 将外界流体引入密封端面进行润滑和冷却 端面开深槽流体静压型机械密封 由 于压力介质引入端面 平衡了闭合力 从而使两端面分开成为非接触型机械密 封 尽管泄漏量比较大 一般为每小时几百毫升 远大于常规机械密封泄漏量 但仍广泛用于高压 高速 高温等普通机械密封难于胜任的工况 3 23 2 控制平衡比密封技术控制平衡比密封技术 机械密封流体压力作用的有效面积与密封面名义接触面积之比称为机械密 封的面积比 国外称之为平衡比 平衡比对机械密封的性能和寿命有着重要影 响 平衡比选择不当或者由于工况变化 如密封介质压力变化 导致平衡比偏离 正常操作许用值 都将导致最终的密封失效 主要有以下几种通过控制平衡比 来保证密封可靠有效的机械密封技术 即恒平衡比密封 变平衡比密封和零平 衡比密封 3 33 3 组合密封技术组合密封技术 随着现代工业的飞速发展 对密封的要求越来越高 单一的一种密封有时 难以满足苛刻的工况条件 将几种密封组合起来 利用其各自优势 使其充分发 挥作用 己成为密封行业目前的发展方向之一 由于组合式机械密封的型式很 多 但不外乎是非接触式密封与接触式密封混合组合和接触式密封与接触式密 封组合两大类 主要有机械密封与浮环密封组合密封 机械密封与干气密封的 组合密封 机械密封与螺旋组合密封 机械密封与迷宫密封组合密封 机械密 封与填料密封组合密封和磁流体密封与螺旋组合密封等 4 4 3 43 4 可控机械密封技术可控机械密封技术 生产工艺参数如压力和温度的变化 以及设备磨损或机械振动等都将对机 械密封的性能产生直接影响 造成密封泄漏甚至失效 无疑需要开发密封监测 系统 以便测量和记录现场实际机械密封的工作条件 并由此确定系统工作条 件对密封性能的影响 通常采用声发射技术进行早期的密封失效监控 采用压 6 电传感器监测摩擦副液膜厚度变化情况 采用电阻应变仪测试扭矩 监控运行 工况参数与摩擦系数的关系 采用泄漏量监测方式来监控密封工作状况 有些 关键设备的机械密封甚至采用智能监测系统 利用微机控制 自动连续调节密 封的各种参数 以达到最佳的运行条件 可以预见 随着计算机和电子技术日 新月异的发 展 机械密封监控技术将会在各工业领域中得到广泛应用 4 4 机械密封技术发展趋势机械密封技术发展趋势 5 5 目前 在机械密封领域需进一步研究的课题是进一步提高密封性能 叫一 靠性和寿命各种旋转流体机械正朝着高性能化方面发展 使机械密封技术变得 高级化和复杂化了 且小断有新的领域对机械密封提出新的要求和挑战 当前 国内对机械密封技术的发展趋势如下 4 14 1 结构方面结构方面 1 要求结构尽量简单 使维修保养方便 称为更加容易使用的基侧件 例如 将一部分双端面机械密封向单端面回归 研制装入 拆卸简单化的机械密 封 如部分式机械密封 集装式机械密封 2 需要研究轴向尺寸短 使用参数高的双端面机械密封 对接触式和 L 械密封来说 其发展方向是减少改障 提高可靠性 3 需研制发展追随性特别优异的机械密封 以适应精度小高的大型设备 如橡胶隔膜式 带球面中间环差动式 摩擦副双浮动式机械密封等 4 24 2 密封材料方面密封材料方面 机械密封摩擦副材料的组对 通常一方是以碳石墨的软质材料 另一方则是 以硬质合金 陶瓷为代表的硬质材料 辅助密封圈的材料则是以通用合成橡胶 聚四氟乙烯为代表 机械密封若长期存放 其中碳石墨的软质材料和橡胶辅助 密封圈容易老化 这此材料与国外同材料相比 其物理力学性能有较大的差距 如何提高性能是当前需要解决的问题 6 6 4 34 3 机械密封的合理使用机械密封的合理使用 密封系统的元件无系列产品 要求系列化与密封产品配套供应 以提高密 封的性能及使用寿命 这就需要建立技术诊断 失效分析与密封状态的监控技 7 术 4 44 4 经济性方面经济性方面 现在机械密封的售价较高 囚此应设法降低成本 然而 追求经济性小应 以降低密封性能为前提 为此就要从以下几方面着手 a 利用标准化 规格化降低成本 b 利用互换性 通用性减少库存 c 改进加工上艺 批量化生产等 5 5 结结 语语 机械密封自 19 世纪末第一项专利开始至今己发展了 100 多年 机械密封新 技术 新概念 新结构 新产品 新材料 新工艺和新标准不断涌现 并向广度 发展 高性能 高参数和高水平的产品大量研制出来 并向深度发展 机械密封 的使用范围不断扩大 随着人们对环境保护的日益关注 对机械密封的泄漏要 求越来越严格 因此 机械密封的发展的总体趋势是利用新概念 新技术 新 工艺 和新材料 改进机械密封结构 以提高机械密封的可靠性 延长寿命 降低泄 漏量和开发出适用于特殊工况下的机械密封产品 参考文献参考文献 1 顾伯勤 蒋小文 孙见君 机械密封技术最新进展