旋转设备的轴封装置

引言离心泵的轴封装置孙华伟在热电、石油、石化、化工及天然气储存及输送等工业过程中，广泛地使用各种管输流体机械，用来增加液体的能量，克服流动阻力，达到沿管路输送的目的。离心泵和压缩机是最常用的流体机械。泵、压缩机等化工设备。由于传动轴贯穿在设备外，这样轴与设备之间存在一个圆周间隙，设备内的介质通过该间隙向内或者向外泄漏。因此必须有一个装置来密封该间隙，这个装置称为轴封。轴封的种类很多如：盘根密封、骨架密封、迷宫密封和机械密封等等。引言轴向密封装置

以泵为例。从叶轮流出的高压液体，经过叶轮背面，沿着泵轴和泵壳的间隙流向泵外，称为外泄漏。在旋转的泵轴和静止的泵壳之间的密封装置称为轴封装置。它可以防止和减少外泄漏，提高泵的效率，同时还可以防止空气吸入泵内，保证泵的正常运行。特别在输送易燃、易爆和有毒液体时，轴封装置的密封可靠性是保证离心泵安全运行的重要条件。

离心泵的轴向密封密封腔机械密封轴向密封装置常见的轴封装置有填料密封和机械密封。填料密封的密封性能差，不适用于高温、高压、高转速、强腐蚀等恶劣的工作条件。机械密封装置具有密封性能好，尺寸紧凑，使用寿命长，功率消耗小等优点，近年来在化工生产中得到了广泛的使用。

离心泵的轴向密封填料密封填料密封指依靠填料和轴(轴套)的外圆表面接触来实现密封的装置。它由填料箱(又称填料函)、填料、液封环、填料压盖和双头螺栓等组成。液封环安装时必须对准填料函上的入液口，通过液封管与泵的出液管相通，引入压力液体形成液封，并冷却润滑填料。填料密封是通过填料压盖压紧填料，使填料发生变形，并和轴(或轴套)的外圆表面接触，防止液体外流和空气吸入泵内。填料密封的密封性可用调节填料压盖的松紧程度加以控制。填料压盖过紧，密封性好，但摩擦增大，加快了轴的磨损，增加了功耗，严重时造成发热甚至将填料烧毁。填料压盖过松，密封性差，泄漏量增加。合理的松紧度应该使液体从填料函中滴状漏出，每分钟控制在15—20滴左右。对有毒、易燃、腐蚀及贵重液体，由于要求泄漏量较小或不准泄漏，可以通过另一台泵将清水或其他无害液体打到液封环中进行密封，以保证有害液体不漏出泵外。填料密封填料的材质有很多种，可根据要求选择。低压离心泵输送温度小于40℃时，常用石墨填料或黄油渗透的棉织填料；输送温度小于250℃、压力小于1．8MPa的液体时，用石墨浸透的石棉填料；输送温度小于400℃、允许工作压力为2．5MPa的石油产品时，用金属箔包石棉芯子填料。

填料密封填料（盘根）的选用填料密封的选用填料式密封更换方法及调整泄漏量切割盘根时，最好将盘根绕在和轴同样直径的园棒上切割，以保证尺寸正确，切口平行，切口应保持整齐，无松散的石棉线头，接口呈30°；每根盘根应独立用胎具压入盘根箱，头三圈压紧后须盘车转动灵活，再继续安装盘根，选用的盘根宽度应与盘根箱的尺寸一致或大1~2毫米都可以。压装浸油盘根时，第一圈和最后一圈最好压装干石棉盘根以免油渗出。压盘根时，盘根圈的接口必须错开，一盘接口交错120°，盘根刚装压时不宜压的过紧，盘根压盖压入盘根箱的高度一般为一圈盘根的高度，但不小于5㎜，安装压盖时，应使盘根压盖和轴（拉杆）的间隙保持一致，防止安偏，使盘根受力不均匀，同时安装时应注意使填料对准水封孔，以免填料填压水封孔，使水封失去作用。调整泄漏量可通过调整压盖的松紧程度达到，一般调整为10--20滴/分钟。

填料密封的安装

机械密封基本概念机械密封是一种用来解决旋转轴与机体之间密封的装置。至少有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)的作用及辅助密封的配合下保持贴合并相对滑动而构成防止流体泄漏的装置，常用于泵、压缩机、反应搅拌釜等旋转式流体机械，也用于齿轮箱、船舶尾轴等密封。因此，机械密封是一种通用的轴封装置。最常用的机械密封结构是端面密封。其静环、动环组成一对摩擦副，摩擦副的作用是防止介质泄漏。它要求静环、动环，具有良好的耐磨性，动环可以在轴向灵活地移动，自动补偿密封面磨损，使之与静环良好地贴合；静环具有浮动性，起缓冲作用。为此，密封面要求有良好的加工质量，保证密封副有良好的贴合性能。构成机械密封的基本元件有静环、动环、压盖、推环、弹簧、定位环、轴套、动环密封圈、静环密封圈轴套密封圈等。

机械密封一、机械密封装置的结构1、组成摩擦副：动环和静环。辅助密封件：密封圈（O型橡圈）。弹力补偿机构：弹簧、推环。传动件：弹簧座及键或各种螺钉。2、机械密封的固定定环的固定：紧定螺钉把弹簧固定在轴上。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。机械密封

机械密封10轴套密封圈7轴套6定位环5弹簧4压盖密封圈3压盖1静环9静环密封圈2动环8动环密封圈机械密封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。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。二、机械密封的原理机械密封14：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、动环与轴或轴套间的密封（相对静密封）C、静环与静环座间的密封（静密封）D、静环座（压盖）与设备间的密封（静密封）ABCD机械密封15：机封的泄漏通道点机械密封三、机械密封的基本构件

（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。机械密封配对方法：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。因此，机械密封加工技术条件规定较高。机械密封（2）弹性加荷装置（弹簧、波纹管）它主要起预紧、补偿和缓冲的作用，保证端面密封副良好的贴合和动环的追随性。其产生压紧力，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。再进一步，如果我们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：①起动停车或介质压力波动时，使密封面维持足够的比压；②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并做相对转动的密封端面进行密封的装置。材料要求耐腐蚀、耐疲劳。机械密封（3）辅助密封元件辅助密封（0形圈、V形圈、U形圈、楔形圈和异形圈等）它主要起静环和动环的密封作用，同时也起到浮动和缓冲作用。要求静环的密封元件能保证静环与压盖之间的密封性，静环有一定的浮动性，动环的密封元件能保证动环与轴或轴套之间的密封性和动环的浮动性。材料要求耐热等。机械密封四、机械密封的优缺点：机械密封的优点（1）结构可靠，泄漏量可以限制到很少，只要主密封面的表面粗糙度和平直度能保证达到要求，只要材料耐磨性好，机械密封可以达到很少泄漏量，甚至肉眼看不见泄漏。（2）寿命长。在机械密封中，主要磨损部分是密封摩擦副端面，因为密封端面的磨损量在正常工作条件下不大，一般可以连续使用1～2年，特殊场合下也有用到5～10年。（3）运转中无需调整。由于机械密封靠弹簧力和流体压力使摩擦副贴合，在运转中自动保持接触，装配后就不用像普通软填料那样需调整压紧。机械密封（4）具有耐耐振性。在转速为3000r/min下最大振幅不超过0.05mm使用PV值不断提高（5）功率损失小。填料密封是靠盘根的压紧在轴上或轴套上起作用的。填料密封与轴直接摩擦，填料压的越紧摩擦力就越大、消耗功率也就越大。而机械密封的摩擦是处于半液摩擦状态，摩擦系数非常的小，机械密封的功率损失是填料密封的10～50％（6）波纹管密封轴或轴套不受磨损，对旋转轴的振摆和轴对壳体的偏斜不敏感。（7）适用范围广。当介质易燃、易爆、有毒有害时，采用机械密封可保证密封。它还适用于高温、低温、高压、真空各种转速的及腐蚀介质的设备密封。机械密封机械密封的缺点1）结构比填料密封复杂，加工精度要求高，并要求一定的安装技术等，特别是干气密封的安装要求更高。而且密封技术发展的很快，新技术不断出现给我们维修带来了新的课题。（2）结构复杂、拆装不便。与其它密封比较，机械端面密封的零件数目多，要求精密，结构复杂。特别是在装配方面较困难，拆装时要从轴端抽出密封环，必须把机器部分（联轴器）或全部拆卸。这一问题目前已作了某些改进，例如采用拆装方便并可保证装配质量的剖分式和集装式机械密封等。机械密封比较软填料密封机械密封泄漏量180～450ml/h一般为软填料密封的１％摩擦功率损失机械密封为软填料密封的10～50％轴磨损有磨损，用久后要更换几乎无磨损维护及寿命要经常维护，更换填料，个别情况每班换一次寿命很长，很少需要维修高参数高压、高温、高真空、高转速、大直径密封不能解决可以加工及安装加苛求一般，填料更换方便动、静环表面粗糙度及平直度要求高，不易加工，成本高，装拆不便对材料要求一般动、静环要求较高机械密封与填料密封的比较机械密封五、机械密封的结构类型1、内流式和外流式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者称为内流式。外流式：介质沿半径方向从端面内周向外泄者称为外流式。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。2、内装式机械密封和外装式机械密封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。机械密封机械密封外装式特点：一般来说大部分机械密封零件不与介质接触，且暴露在设备外，便于观察及维修安装。但是由于外装式结构的介质作用与弹簧力相反（指常用结构）。当介质压力有波动或升高的情况下，弹簧力余量又不大时，会出现密封不稳定的情况以致产生泄漏。当介质压力降低时，因弹簧力不变，在摩擦面上受负荷增大，特别在低压起动时，摩擦副的表面间尚未构成液膜，此时比压又是最大，容易擦伤端面。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。机械密封的结构型式3、平衡型机械密封和非平衡型机械密封

机械密封密封腔中的压力作用在动环上形成了闭合力，端面间的液膜形成开启力。载荷系数K>1，密封为非平衡型机械密封。一般非平衡型机械密封只能用于低压。当压力大于一定的限度，密封面间的液膜就会被挤出。在丧失液膜润滑及高负荷的作用下，机械密封的密封端面会很快损坏。非平衡型机械密封不能平衡液体对端面的作用，端面比压随流体压力的上升而上升。机械密封平衡型机械密封和非平衡型机械密封

主要按介质作用在端面的载荷程度分。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）机械密封其中：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）机械密封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β=1-K，称β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，β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β愈小，K愈大，端面磨损加剧并的热，甚至有咬坏的危险，那密封就失效了。因此根据经验与试验，β不宜超过0.5。机械密封4、旋转式机械密封和静止式机械密封旋转式机械密封指补偿部件随轴一起转动的机械密封。静止式机械密封指补偿部件不随轴一起转动的机械密封。

一般情况下均选用旋转式机械密封，但在轴径较大，转速较高，密封圆周速度达到25m/s时，由于弹簧及其它旋转元件产生的离心力较大，动平衡要求高，消耗的搅拌功率也大，应选用静止式机械密封。此外如果介质受强烈搅动易结晶时，也推荐采用静止式机械密封。

机械密封5、单弹簧机械密封和多弹簧机械密封单弹簧又称大弹簧，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。机械密封单弹簧机械密封和多弹簧机械密封单弹簧机械密封，结构简单，弹簧可兼起传动作用，但端面比压不均匀，不适用于高速运转。一般说负荷较轻而且大量生产的密封采用单弹簧为佳。多弹簧机械密封，结构复杂，弹簧不能兼起传动作用，但端面比压均匀，适用于高速运转。

一般情况下，推荐选用多弹簧机械密封。小量生产且在严格的条件下使用时，则都采用多弹簧。机械密封6、单端面与双端面机械密封：动环与静环组成摩擦副，有一对摩擦副的称为单端面机械密封，如图所示，有两个摩擦副的称为双端面机械密封，与单端面密封相比，双端面密封有更好的可靠性，适用范围更广，可以完全防止被密封介质的外泄漏，但结构较复杂，造价高。机械密封双端面多弹簧机械密封

静环静环动环动环静环密封圈机械密封的结构型式7、推压型机械密封和非推压型机械密封。

推压型机械密封指辅助密封沿轴或轴套机械推压来补偿密封面磨损的机械密封，通常就是指弹簧压紧式机械密封。

非推压型机械密封用于辅助密封固定在轴上的机械密封，通常为波纹管机械密封。机械密封机械密封的冷却冲洗冷却冲洗：由于机械密封的工作特点，动静环的端面在工作中相互摩擦，不断产生摩擦热，使端面温度升高，严重时会使摩擦副间的液膜汽化，造成干摩擦，使摩擦副严重磨损，温度升高还使辅助密封圈老化，失去弹性，动静环产生变形。为了消除这些不良影响，保证机械密封的正常工作，延长使用寿命，故要求对不同工作条件采取适当的冷却冲洗措施，以将摩擦热及时带走。机械密封的冲洗是一种控制温度、延长机械密封寿命的最有效措施。其主要作用：1、冲洗液温度较低，能及时带走摩擦热，防止动静环以及波纹管或弹簧结焦。2、防止油品因高温而结焦，堵塞波纹管内径，影响其伸缩而造成的密封失效3、及时冲走密封腔内的杂质和结焦，保持密封腔的洁净4、冲洗油有密封润滑摩擦副的作用机械密封冷却冲洗按密封流体的流动方向可分为：正向冲洗泵的出口经过限流孔板流向密封腔反向冲洗密封腔经限流孔板流到泵的入口贯穿冲洗从泵的出口经限流孔板到密封腔，冲洗后在到泵的入口。双向冲洗对于双支撑泵可采用这种方法，两边的密封腔一边引到泵入口，一边引到泵的出口。分别是正向和反向冲洗故称双向冲洗。

机械密封冷却冲洗按照API682标准，密封冲洗方案的不同，常见的可分为20种：单封方案：plan11，plan21，plan23，plan32；双封方案：plan52，plan53A，plan53B，plan53C，plan54；急冷方案：plan62；干气密封：plan67，plan72，plan73，plan74。常减压装置的冲洗方式有：plan11，plan21，plan23，plan32，plan52，plan53A，plan62；硫磺装置的冲洗方式有：plan11，plan21，plan53A。机械密封冷却冲洗机械密封的结构型式方案11：流程：将工艺介质从泵的出口引出，通过限流孔板限流后，由密封压盖正上方的开孔引入密封腔对密封进行冲洗，冷却，冲洗管线上不设阀门。一般用于内置式单端面密封，串联密封中内侧的密封冲洗，用泵送介质直接冲洗密封面，属于自冲洗一类。机械密封冷却冲洗作用：带走密封腔室的热量，增加密封腔的压力和沸点温度。操作步骤：随泵启停，泵启动后需要检查判断冲洗液是否通畅。然后检查密封的泄漏、发热情况。一般开始时有轻微泄漏，正常后减少。适用于清洁、低温流体机械密封冷却冲洗机械密封的结构型式方案21：流程：工作介质从泵出口经过流量控制孔板（如果必要）和冷却器进入密封室。一般用于单端面密封，介质温度100～250℃，泵出口介质通过冷却后冲洗密封端面，属于自冲洗。适用于清洁、中温、凝点较低流体。机械密封冷却冲洗作用：带走密封腔室的热量，降低对辅助密封材料的要求。操作步骤：先投用密封冷却器，冲洗液流动随泵启停，泵启动后需要检查判断冲洗液、冷却水是否通畅，冷后温度是否过高。然后检查密封的泄漏、发热情况。适用于清洁、中温、凝点较低流体机械密封冷却冲洗机械密封的结构型式方案23用于单端面密封冲洗，尤其适用于热水泵的密封冲洗，介质从密封腔出来流经冷却器冷却后回到密封端面，对密封冲洗、冷却属于自冲洗。适用于100～250℃的热水泵机械密封冷却冲洗作用：带走密封腔室的热量，降低对辅助密封材料的要求，采用循环冷却，需要冷却面积小。操作步骤：先投用密封冷却器，冲洗液流动随泵启停，泵启动后需要检查判断冲洗液、冷却水是否通畅，冷后温度是否过高。然后检查密封的泄漏、发热情况。注意：定期检查冷却器冷却效果机械密封冷却冲洗机械密封的结构型式方案32流程：外部来的温度较低的工艺介质直接注入密封腔，对密封端面进行冲洗、冷却，冲洗线上设有切断阀门和单向阀，要消除冲洗液汽化的潜在可能性。用于单端面波纹管密封冲洗，用于含固体颗粒或高温场合，改善密封环境，降低密封腔的工作温度。真空状态下可以阻止空气进入。注意事项：定期检查外部冲洗液的流动状况和温度高温重油泵的典型方案密封静环内表面通入急冷蒸汽或急冷水机械密封冷却冲洗作用：带走密封腔室的热量，隔离泵送介质。操作步骤：先确认冲洗线管路上的过滤器、单向阀、压力表等安装正确，然后投用外部密封冲洗液，通过看窗确定处于流动状态，冲洗液正常后方可启动泵。注意事项：定期检查外部冲洗液的流动状况和温度。机械密封冷却冲洗方案52：由具有缓冲液的串联密封组成，内侧密封为主密封，外侧密封为备用安全密封。流程：第一道主密封采用自冲洗方案，外侧安全密封采用循环缓冲液冲洗，缓冲液压力小于密封室压力。机械密封冷却冲洗适用于液态烃泵常见泵用机械密封常见泵用机械密封51API610标准的机械密封材料和分类编码机械密封的材料和结构特点,必须根据下列分类系统来编码:第一位字母:平衡型(B)或非平衡型(U)第二位字母：单端面(S)；无压的双重密封(即第七版中称“串联密封”)(Ｔ)；或有压的双重密封(即第七版中称“双端面密封”)(D)第三位字母：密封板(即密封压盖)型式(P=普通式，不带节流衬套；T=节流衬套式，设有急冷、泄露液接孔和(或)排液接孔；A=辅助密封装置，型式需加以规定)。第四位字母：垫(密封环)材料(见表1)第五位字母：端面材料(见表2)52第四位字母静（密封）环垫动环与轴套之间的垫E氟橡胶聚四氟乙烯F氟橡胶氟橡胶G聚四氟乙烯聚四氟乙烯H丁晴橡胶丁晴橡胶I高氟橡胶（FFKM）高氟橡胶（FFKM）R石墨薄片石墨薄片X按规定按规定Z蜗形缠绕