机械密封知识

关于机械密封知识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）组成第2页,共52页，2024年2月25日，星期天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。第3页,共52页，2024年2月25日，星期天42.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。第4页,共52页，2024年2月25日，星期天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。ABCD第5页,共52页，2024年2月25日，星期天63.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。第6页,共52页，2024年2月25日，星期天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。第7页,共52页，2024年2月25日，星期天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：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做相对转动的密封端面进行密封的装置。第8页,共52页，2024年2月25日，星期天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。第9页,共52页，2024年2月25日，星期天10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工苛求一般，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、静环要求较高表3-1机械密封与填料密封的比较第10页,共52页，2024年2月25日，星期天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、平衡型和非平衡型第11页,共52页，2024年2月25日，星期天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）

第12页,共52页，2024年2月25日，星期天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）第13页,共52页，2024年2月25日，星期天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。第14页,共52页，2024年2月25日，星期天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、旋转式与静止式第15页,共52页，2024年2月25日，星期天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）第16页,共52页，2024年2月25日，星期天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）第17页,共52页，2024年2月25日，星期天18第18页,共52页，2024年2月25日，星期天19K≥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，β不宜超过0.5。第19页,共52页，2024年2月25日，星期天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、单弹簧与多弹簧第20页,共52页，2024年2月25日，星期天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、双端面和多端面第21页,共52页，2024年2月25日，星期天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。第22页,共52页，2024年2月25日，星期天231、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第23页,共52页，2024年2月25日，星期天242、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

第24页,共52页，2024年2月25日，星期天251）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。第25页,共52页，2024年2月25日，星期天263）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。第26页,共52页，2024年2月25日，星期天27一、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、使用第27页,共52页，2024年2月25日，星期天28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，λ越小，传出的热量就少，温升越高，PV值就越大；反之，λ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。第28页,共52页，2024年2月25日，星期天29二、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：第29页,共52页，2024年2月25日，星期天301、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）第30页,共52页，2024年2月25日，星期天311、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)反向自冲洗第31页,共52页，2024年2月25日，星期天321、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)贯通自冲洗第32页,共52页，2024年2月25日，星期天331、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)内冲洗第33页,共52页，2024年2月25日，星期天341、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)局部循环冲洗第34页,共52页，2024年2月25日，星期天352、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。第35页,共52页，2024年2月25日，星期天363、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）第36页,共52页，2024年2月25日，星期天37三、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。第37页,共52页，2024年2月25日，星期天38三、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。第38页,共52页，2024年2月25日，星期天39三、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

第39页,共52页，2024年2月25日，星期天40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。第40页,共52页，2024年2月25日，星期天41一、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。第41页,共52页，2024年2月25日，星期天42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。第42页,共52页，2024年2月25日，星期天43二、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。第43页,共52页，2024年2月25日，星期天44二、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。第44页,共52页，2024年2月25日，星期天45三、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。第45页,共52页，2024年2月25日，星期天46平衡系数β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β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。第46页,共52页，2024年2月25日，星期天47四、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，