机械密封-点检培训

2012年2月 点检车间 1 机械密封 2012年2月 点检车间 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 2012年2月 点检车间 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 2012年2月 点检车间 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 2012年2月 点检车间 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 2012年2月 点检车间 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 2012年2月 点检车间 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 2012年2月 点检车间 8 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 2012年2月 点检车间 9 机械密封的定义 在国家有关标准中的定义 机械密封 mechanicalseal 是指由至少一对垂直于旋转轴线的端面在流体压力和补偿机构弹力 或磁力 的作用下以及辅助密封的配合下保持贴合并相对滑动而构成的防止流体泄漏的装置 弹力加载机构与辅助密封是金属性纹管的机械密封我们称为金属波纹管密封 在轻型密封中 还有使用橡胶波纹管作辅助密封的 橡胶波纹管弹力有限 一般需要辅以弹簧来满足加载弹力 机械密封 通常被人们简称为 机封 2012年2月 点检车间 10 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 2012年2月 点检车间 11 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 2012年2月 点检车间 12 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 2012年2月 点检车间 13 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 2012年2月 点检车间 14 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 2012年2月 点检车间 15 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 2012年2月 点检车间 16 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 2012年2月 点检车间 17 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 2012年2月 点检车间 18 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 2012年2月 点检车间 19 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 2012年2月 点检车间 20 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 2012年2月 点检车间 21 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 2012年2月 点检车间 22 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 2012年2月 点检车间 23 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 2012年2月 点检车间 24 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 2012年2月 点检车间 25 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 2012年2月 点检车间 26 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 2012年2月 点检车间 27 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 2012年2月 点检车间 28 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 2012年2月 点检车间 29 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 2012年2月 点检车间 30 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 2012年2月 点检车间 31 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 2012年2月 点检车间 32 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 2012年2月 点检车间 33 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 2012年2月 点检车间 34 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 2012年2月 点检车间 35 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 2012年2月 点检车间 36 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 2012年2月 点检车间 37 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 2012年2月 点检车间 38 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 2012年2月 点检车间 39 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 2012年2月 点检车间 40 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 2012年2月 点检车间 41 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 2012年2月 点检车间 42 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 2012年2月 点检车间 43 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 2012年2月 点检车间 44 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 2012年2月 点检车间 45 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 2012年2月 点检车间 46 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 3 0 6Mpa 外装 反应釜中 转速低 轴摆动大 取大值 六 弹簧比压的计算 2012年2月 点检