机械密封基础知识讲座

1、2020/7/1,1,机械密封 基础知识讲座,四川日机密封件有限公司,2020/7/1,2,主讲：张有华 四川日机密封件有限公司 副总工程师 技术部经理,2020/7/1,3,序 言,机械密封最早于1885年在英国发明并获得专利，首先获得应用是在20世纪20年代的冷冻机装置上，同时出现了研究和生产机械密封的专业公司（英国的Crane公司、德国的Pacific公司等）。 我国在20世纪60年代才相继出现研究和生产机械密封的专业机构（天津克兰），目前已有四十年历史，在普通机械密封领域技术及产品日趋成熟，大部分地方已能替代进口产品，性能接近国外产品。目前国内具有规模的研究、生产厂家已有十余个，并在高

2、参数密封及新技术方面取得一定突破。 机械密封广泛用于石油、化工、冶金、煤炭、食品、医疗、电力、纺织、环保等诸多领域。 机械密封具有性能好、使用寿命长、运转可靠等特点，是现代企业流体输送机械应用最广、最有前途的密封形式，对于减少环境污染、节约能源具有重大意义。,2020/7/1,4,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,2020/7/1,5,（一）定义 （二）组成 （三）密封机理 （四）辅助设施 （五）机械密

3、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,2020/7/1,6,（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,2020/7/1,7,（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

4、的基本零件,2020/7/1,8,（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,2020/7/1,9,（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,2020/7/1,10,（一）摩擦副材料要求 （二）制造

5、摩擦副的常用材料 （三）碳石墨 （四）硬质合金WC （五）SiC陶瓷 （六）Al2O3 陶瓷及其它陶瓷介绍 （七）表面堆焊硬质合金 （八）作摩擦副的金属材料 （九）填充聚四氟乙烯 （十）辅助密封圈材料要求,四、机械密封用材料,2020/7/1,11,（十一）合成橡胶 （十二）柔性石墨（也称膨胀石墨） （十三）弹性元件材料 （十四）机械密封中基体材料,2020/7/1,12,（一）为什么机械密封要采用辅助系统 （二）什么是辅助系统 （三）自冲洗的形式 （四）循环冲洗 （五）注入式冲洗 （六）冲洗液进入密封腔的方式 （七）冲洗量的确定 （八）冲洗量的控制 （九）冲洗压力的确定 （十）密封腔中的压力

6、确定,五、机械密封辅助系统,2020/7/1,13,（十一）对冲洗流体的要求 （十二）热油泵的冲洗液选择 （十三）烷基化装置中浓硫酸的冲洗液的选择 （十四）轻烃、轻油泵密封冲洗液的选择 （十五）机械密封的冷却方式 （十六）辅助设施在何种工况下必须选用,2020/7/1,14,（一）密封性的影响因素 （二）机械密封端面的摩擦状态 （三）载荷系数对密封性能的影响 （四）弹簧比压对密封性能的影响 （五）端面粗糙度对密封性能的影响 （六）端面间缝隙形状对密封性能的影响 （七）产生端面不平行的原因 （八）密封端面的机械变形 （九）密封端面的热变形 （十）影响机械密封性能的其它因素,六、机械密封性能的影响

7、因素,2020/7/1,15,（一）石化行业高温泵（热油泵）密封分析 （二）轻烃泵密封分析 （三）低温泵密封分析 （四）高速机械密封,七、石化行业典型泵的密封,2020/7/1,16,（一）安装机封的泵的技术要求 （二）安装密封前要了解泵及介质情况 （三）机械密封的安装 （四）泵的抽空和汽蚀,八、机械密封的安装和使用,2020/7/1,17,（一）摩擦痕迹大于端面宽度 （二）摩擦痕迹小于端面宽度 （三）硬环上无摩擦痕迹 （四）石墨端面出现均匀的环状沟纹 （五）石墨端面中间产生环状深沟 （六）石墨内缘磨损 （七）石墨环台阶过早全磨掉 （八）石墨环外缘出现缺口 （九）石墨环断裂 （十）石墨环出现蚀

8、坑,九、机械密封故障分析,2020/7/1,18,（十一）硬质合金表面灼伤和裂纹 （十二）其它故障简介 （十三）泵抽空密封失效现象 （十四）密封腔中汽蚀，密封失效现象 （十五）密封端面汽化的失效现象 （十六）泵振动过大的失效现象 （十七）没有冲洗的故障现象 （十八）动环选材注意事项,2020/7/1,19,（一）机械密封标准介绍 （二）机械密封辅助系统 （三）机械密封的安装 （四）磁力密封介绍 （五）高压机械密封研制,十、补充内容,2020/7/1,20,一、机械密封原理,（一）定义（图1-1）,2020/7/1,21,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、

9、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。） 在国家有关标准中的定义：由至少一对垂直于旋转轴 线的端面组成,在流体压力及补偿机构弹力(或磁力)共同作 用下，以及辅助密封圈的配合下， 该对端面保持贴合并相 对滑动，而构成的防止流体泄漏的装置。,2020/7/1,22,1、 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

10、形圈等,（二）组成,2020/7/1,23,1、 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，依靠密封圈的过盈量实现密封； （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，依靠密封圈的过盈量实现密封； （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，依靠密封圈的过盈量实现 密封；（静密封点，密封圈与相配合件之间相对静 止）,（三）密封机理,2020/7/1,24,3、 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

11、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6,2020/7/1,25,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,2020/7/1,26,1、 按使用条件分类 （1）高速密封（ZBJ22-001-88：线速度25100m/s）

12、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,2020/7/1,27,（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，而且消耗搅拌功率，所以不能用于高速） （2）静止式：补偿机构（弹性元件）不随轴旋转。 （用于高速）,（六）旋转式和静止式机械密封（图1-2）,2020/7/1,28,2020/7/1,29,（七）内装式和外装式机械密封（图1-3）

13、,2020/7/1,30,（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）,2020/7/1,31,（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,2020/7/1,32,（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

14、大，轴向弹力不 均匀）不宜用于高转速的场合。,（九）多弹簧和单弹簧机械密封,2020/7/1,33,（1）平衡型：载荷系数K1.0 （用于高压场合） （2）非平衡型：载荷系数K1.0 （用于普通压力场合）,（十）平衡型和非平衡型机械密封,2020/7/1,34,（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,（十一）补偿机构形式,2020/7/1,35,两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

15、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）,2020/7/1,36,两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）,2020/7/1,37,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，而且避免了补偿环密封 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,2020/7/1,38,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。（一般挡块厚度为

16、弹簧压缩量，从外部易于观测）,（十五）集装式机械密封（图1-6）,2020/7/1,39,二、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。,2020/7/1,40,（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

17、,2020/7/1,41,（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（0406）以利补偿 静环和轴（轴套）间隙13mm以免摩擦,（二）摩擦副匹配要考虑的因素,2020/7/1,42,（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；,

18、（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,2020/7/1,43,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）。,2020/7/1,44,（）平面度0.0009，硬质0.2，软质0.4，表 面不应有裂纹、划伤、气

19、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,2020/7/1,45,平面度0.0009，普通量具无法检测，通常利用光波的干 涉效应来检测。 （1）光波的干涉效应 根据波动学原理，两波产生干涉的条件是： （a）两波在相遇点振向一致； （b）两波具有相同的频率； （c）两波在相遇点有固定的周相差 。（两个同样的钠光灯 不行，只有用同一光源发出的光设法分成两束，才 满足相干条件）,（

20、五）摩擦副端面平面度检测,2020/7/1,46,满足相干条件的两束光的叠加效果是：在波程差为波长 整数倍的地方，光强度加强；在波程差为半个波长的奇数倍 的地方，光强度减至零（变暗）。这就是光的干涉原理。,2020/7/1,47,（2）平面度检测原理 设入射角i=0，e为气膜厚度（即是被检测面上点到平 晶的距离），为光波波长，为光的波程差，那么 =2e/2 当=k时，被检测面上点变暗； =(2k1)/2 ，被检测面上点变亮 ；（其中k=0,1,2,3,4,， k为整数） 由以上公式可以得出下面结论： （）相邻两条光带所对应两点的气膜厚度差（高度差） 为/2，（对于钠光灯=0.589m，/20.

21、3m）,2020/7/1,48,（）相邻两条光带宽b=/2Sin，（为空气膜倾斜角） （）当e=0时，=/2（半波损失），出现暗条纹；,（1）合格光带举例,2020/7/1,49,（2）平面度检测器（图2-3）,平晶：由派利克斯玻璃、熔凝水晶或折射系数为1.516的光学玻璃制造。表面平面度0.1m(2级)，0.03m (1级)。 光源:钠光灯(=0.589m),2020/7/1,50,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,2020/7/1,51,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

22、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。,2020/7/1,52,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）,2

23、020/7/1,53,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),2020/7/1,54,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,2020/7/1,55,（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。,2020/7/1,56,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

24、麻烦，多一泄漏点）,（十一）组合式,2020/7/1,57,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,2020/7/1,58,=Dp（12）T 式中 ：工作温度时的过盈量 ：常温过盈量 Dp：镶嵌直径 1：座线胀系数 2：环的线胀系数 T=工作温度常温（20。C） （YG6：4.5106 1/。C 1Cr18Ni9Ti：16.6106 1/。C 3Cr13：11.5106 1/。C） （1）在满足传递扭矩的情况下，取最小过盈值；,（十三）热装式密

25、封环的过盈值选择,2020/7/1,59,（2）由上式，当使用温度为300C时，对 YG6/1Cr18Ni9Ti，过盈量为： = Dp（16.64.5）106（30020） =3.4103 Dp （以便记忆） （3）长期放置的镶嵌环，使用前要检查平面度； （4）对大直径、高转速(环座产生离心力)、弹性模量小 的材质(4J42、钛合金)，过盈量可相应大一些。 （5）高温200C以上少用热装式结构，否则要核算过 盈量。,2020/7/1,60,（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

26、（）按材料分：合成橡胶、聚四氟乙烯、柔性石墨等； （）按截面形状分：矩形、V形、楔形、包四氟形等；,（十四）辅助密封圈,2020/7/1,61,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,2020/7/1,62,（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,

27、2020/7/1,63,（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,2020/7/1,64,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,2020/7/1,65,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

28、八)波纹管种类,2020/7/1,66,（1） 制造 采用厚度为0.1-0.2mm的沉淀硬化不锈钢薄带(AM350、0Cr17Ni17Ti、0Cr15Ni17Mo2Al、INCONEL-X-750及Ti合金、Hasterlloy C-276等)冲压成截面为S形的片状环形件，再焊接成型(用微束等离子焊)。 沉淀硬化不锈钢焊接后须经热时效处理，将奥氏体转变为马氏体，并使马氏体中析出金属化合物，沉淀出硬化相，从而获得高强度、较高的塑性及屈强比（S/D0.80.9）。 例：AM350 热失效：真空炉850C进行淬火处理，再进行80C的低温处理(制冷剂F12)，以达到增加弹性、稳定尺寸的目的。,（十九）

29、 焊接金属波纹管密封,2020/7/1,67,（2）特点 焊接金属波纹管密封不用会产生较小滑移的辅助密封圈，使用温度范围广：200600C。高速下对轴的振动、振摆适应性强，追随性好。,（3）弹率(即刚度N/mm) k=Et3（d1d2）/2nB3d2/d1,E：工作温度下弹性模量（N/mm2）：,AM350： 1.75106(315.6C)、 INCONEL：2.14106(26.7C)、1.59106(649C)、 17-7PH： 2.0106(21.1C)、 Ti： 1.31106(196C)、1.14106(23.9C)、 0.70106(538C)。,2020/7/1,68,t：波片厚

30、度mm n：波数 d1/d2：管子内外径mm B：波纹管片宽（d2d1）/2 公式中未考虑波片断面形状，具有一定误差，实际 生产中用弹簧测力计测弹率。,2020/7/1,69,三、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：,2020/7/1,70,向左的：弹簧力Ft、介质压力所产生的作用力Fp 向右的：液膜反力Fm、静环作用的端面支承力F； 摩擦力R，很小可以忽略； 以上四力平衡，有F=FtFpFm 端面比压P=F/S （S为端面面积） 上面各项力的计算方法在后面章节再加以叙述。,2020/7/1,71,（二）密封端面中液

31、膜反力的分布情况,2020/7/1,72,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，人们通过大量试验 发现，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。,2020/7/1,73,Fm =P介 S （液膜比压Pm=P介） ：膜压系数0.5（中粘度），=0.650.75（低粘度）， =0.30.4（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

32、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=（d22d12）/4,（三）液膜反力的计算,2020/7/1,74,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,2020/7/1,75,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。 r2rb区域，液膜压力成线性分布，液相 rbr1区域，液膜压力成抛物线分布，气相 对于易汽化

33、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（1/21/6Pf/P1）（r2rb）/( 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0.700.85之间。,2020/7/1,76,（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）、

34、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,2020/7/1,77,Pt =F弹/S F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 =0.150.2Mpa(内装)，0.30.6Mpa(外装)，反应釜中， 转速低，轴摆动大，取大值。,（六）弹簧比压的计算,2020/7/1,78,介质压力对补偿环的有效作用A面积与端面面积S

35、之比。 K=A/S,（七）载荷系数K,2020/7/1,79,K=（d22d02）/（d22d12） d0为介质分界圆直径 当K1时，机械密封为非平衡型； 当K1时，机械密封为平衡型； 平衡系数=100（1-K）% 载荷比压：P载=KP介,2020/7/1,80,P=Pt+P载P液膜 = Pt +（K-）P介 （内装式） 对于双端面机械密封介质侧： P液膜= P外（P内P外） P载=K P内（1K）P外 所以：P= PtK P内（1K）P外P外（P内P外） = PtK P内P外K P外P外（P内P外） = PtK（P内P外）（P内P外） = Pt（K）（P内P外） = Pt（K）P,（八）端面

36、比压,2020/7/1,81,端面比压的选取原则： （1）必须高于弹簧比压； （2）必须大于介质在端面温度升高时的饱和蒸汽压； 在保证以上条件下，尽量取小值，以防端面发热，破坏液膜，加剧磨损，功率消耗增大，密封使用寿命减短。同时考虑以下原则： （1）对自润滑性好的组对（M106K/SiC、YG6/ SiC、M106K/YG6） 可以取稍大值(因液膜不易被破坏，摩擦系数不易增加。)。 （2）对于外装式机械密封，可以取稍小值（因介质比压很小， 而Pt不可能很大。）。 （3）对于高粘度介质，取稍大值（以保持端面贴合）。 （4）易挥发介质（饱和蒸汽压高）稍小值（以减少温升）。,2020/7/1,82,

37、推荐的端面比压值,2020/7/1,83,端面比压中有一项K，K=A/S A：介质有效作用面积， A=（d22de2）/4，de为有效直径。 S：密封端面面积 S=（d22d12）/4,（九）波纹管的有效作用直径de,2020/7/1,84,（1）金属波纹管 内装内流式：deo=（dido）/2Z 外装外流式：dei=（dido）/2Z 修正系数Z=0.671P介0.797 （2）聚四氟乙烯波纹管 矩形波：de=（di2d o2）/21/2 锯齿波：de=（d i2d o2d i d o）/31/2 橡胶波纹管de无法准确计算，一般由试验获得。,2020/7/1,85,密封端面的摩擦热同时取决

38、于压力和速度。密封端面 的性质要考虑P、V的乘积，即PV值。 PV值过大：液膜气化，密封失效，端面严重磨损。因 此对一定摩擦系数的端面材料组对，对某种介质有一许用 PV值。 P：端面比压 V=（d1d2）n/120103 PVPV,（十）PV值,2020/7/1,86,各种组对在非平衡型机械密封中的许用PV值,2020/7/1,87,四、机械密封用材料,（一）摩擦副材料要求,摩擦副是机械密封的主要零件，其性能好坏在很大程度上决定密封性能，因此对材料有一定的要求： （1）耐蚀性：有良好的化学稳定性，能抵抗介质的腐蚀、磨蚀、溶解和溶胀。 （2）物理机械性能：较高的弹性模量（E=（应力）/（应变），

39、刚度=力/变形）、强度及许用PV值，低的摩擦系数和线膨胀系数，优良的耐磨性、自润滑性以及良好的不渗透性等。 （3）热力性能：很好的导热性、耐热性、耐寒性和耐温度的急变性。 （4）材料来源方便，易加工，成本低廉。,2020/7/1,88,硬质合金 工程陶瓷（Al2O3陶瓷、Al2O3金属陶瓷、Si3N4陶瓷、铬钢玉 陶瓷、碳化硼陶瓷、喷涂陶瓷、SiC、可切削微晶玻璃） 碳石墨 填充聚四氟乙烯 金属材料：铸铁类及铜合金也有铬钢淬火材料 下面分别予以讨论。,（二）制造摩擦副的常用材料,2020/7/1,89,1、特点 （1）具有较高导热性，(碳导热系数为2040W/mk，石墨为 40128 W/mk

40、，)是非金属中导热最好的材料，仅次于 银、铜、铝，比Hasterlloy好。 （2）具有低的线膨胀系数（26106/），是金属的 1/21/4。 （3）具有良好的耐腐蚀性，在空气中400以下稳定，除 强氧化性介质（如王水、铬酸、浓硫酸及卤族元素） 外，可耐其它酸、碱、盐及一切有机化合物的腐蚀， 其耐蚀程度随石墨的种类和浸渍剂的不同而异。,（三）碳石墨,2020/7/1,90,（4）具有极好的自润滑性和低的摩檫系数，那是因为石墨 和其它材料组对时，石墨转移到其它材料表面，形成 石墨和石墨相对摩檫。石墨和金属摩檫系数为 0.040.05，在全液润滑条件下，f=0.0080.01。因此它 的组对性能

41、好。 （5）石墨的抗拉强度较低，抗压强度较高，属脆性材料。 由于硬度较低，被广泛用作软环，易于加工。 缺点是气孔率大，一般在18%22%。实际应用石墨都 必须是浸渍过的，以堵塞气孔，提高密封性。,2020/7/1,91,2、石墨的种类 石墨是采用焦炭粉和石墨粉，用沥青作粘结剂，模压成 型，置于高温中焙烧而成。根据所用原料和烧结温度与时间 的不同，可以制成不同物理机械性能的石墨。一种为碳素石 墨，用M1表示，一种是电化石墨，用M2表示（材料组分不 一样，M2还需24002800高温石墨化处理）。还有一种是 树脂碳石墨：烧结石墨粉碎后，用树脂作粘结剂，混和后压 制烧结而成（M3）。 M1：质硬而脆

42、，导热系数低，加工困难。 M2：质软，强度低，自润滑性好。 M3：PV值不高，价格便宜，石化行业较少采用。,2020/7/1,92,3、石墨浸渍剂种类 一般浸渍后，成为不透气制品，对导热性无明显影响， 但强度、硬度有很大提高。常用浸渍剂有：环氧树脂（H）、 呋喃树脂（K）、酚醛树脂（F）、巴氏合金（B）、铝合金 （L）、铜合金（P）、锑合金（D）、银合金（G）。 F：耐酸性好 H：耐碱性好 K：酸碱都耐200 浸金属： 耐高温,2020/7/1,93,1、 金属碳化物WC熔点非常高，要制成产品，用普通的冶炼方法行不通。通常把它制成粉末，混以熔点较低的金属（Co、Ni等），压制成型，高温烧结，较

43、低熔点金属熔化，将WC粘结成一个整体，制成硬质合金。 2、 硬质合金具有以下优良性能： （1）硬度高HRA8794（洛氏硬度），耐磨粒磨损，是悬浮颗粒介质的理想摩擦副。,（四）硬质合金WC,2020/7/1,94,（2）抗弯强度高14002000N/mm2。 （3）导热系数高，线膨胀系数小(5106/左右)，耐高 温600。 （4）摩擦系数低，组对性能好。 （5）较好的耐腐蚀性，牌号不同，耐腐蚀性不同。,3、种类,（1）Co基硬质合金：YG6、YG8、YG15，后面数字为Co的 百分含量，Co多，硬度略下降。Co易氧化，不宜用于酸等 腐蚀性介质，但在一般温度H2SO4.、沸点以下NaOH中可用

44、。,2020/7/1,95,（2）耐蚀硬质合金： WCNi：WYN8(8%CrNi)，强度为WC-Co的70-80%，硬度 小0.51HRA。 WC-Ni-Cr：W7(9%CrNi)，强度、硬度与WC-Co相当。 （3）钢结硬质合金 TiC合金钢：GT35、R5、R8，耐HNO3、H2SO4、氨水， 不耐强碱、HCl、FeCl3液。 烧结成形后可进行机械加工，然后再进行热处理，可制 作复杂零件，硬度稍差(HRC6065)，比重小，自润滑性好。,2020/7/1,96,SiC是一种新型陶瓷，由于高密度成形技术的发展， 80年代开始，国外纷纷用它作高PV值的组对材料，是到 目前为止发现的最好的摩擦

45、副材料，具备各种优良性能。 重量轻，为WC的15，比强度高，摩擦系数小，硬度略 高于硬质合金，HRA9094，抗辐射性好，具有一定的自 润滑性，组对性好，化学稳定性、耐热性、热传导性都 很优异。在500以下，几乎耐所有的酸和碱，除振动冲 击大，或有颗粒介质场合外，几乎所有的硬质合金都可 用它取代，价格略比WC便宜。 缺点：脆性材料，抗机械冲击性稍差。,（五）SiC陶瓷,2020/7/1,97,由于制造工艺不同，性能略有差异，目前主要有4种类型： 1、 反应烧结SiC（SiCSi组成的致密烧结物） （-SiC粉石墨粉助熔剂）混和有机粘结剂压制成型，放入Si粉坩锅内，在真空炉加热16001800，

46、生成-SiC。这种SiC由-SiC、-SiC、游离硅组成，由于游离Si和孔隙的存在，它不耐强碱和氧化性介质。 优点：收缩率小，耐热冲击性好，成本低，适于批量生产。 2、常压烧结SiC 采用超细SiC粉（粒度在0.10.2m），加适当的添加剂、粘结剂压制成型，然后在20002200的温度下烧结而成。适用于数量少，规格品种多的密封环。致密度高达97%以上。,2020/7/1,98,3、热压烧结SiC 粒度1m的SiC粉，加上适当的添加剂，装入石墨模具内，在20002100的热压炉内加压（3050MPa）制成。这是SiC中化学稳定性最好的一种。（因为在氧化气氛下，表面生成了一种SiO2保护膜，耐腐蚀

47、性最好。）质密度高达97%以上。 4、气相渗透SiC（又叫硅化石墨） 以石墨为基体，按最终产品形状加工好后，导入Si源，采用化学气相沉积法在18002200的高温下反应生成。，渗透层厚度可达1.5mm，成SiC表层，表层还有10%的石墨，具有气体不渗透性，C、Si之间无明显的边界层。这种SiC既具有碳石墨优点，又具有SiC特性，是一种很有前途的碳基复合材料。气相渗透SiC与常压烧结SiC组对，可用于高速场合，即使处于半干摩擦工况条件下也不易产生卡滞与擦伤。,2020/7/1,99,1、Al2O3 分为99瓷（99%Al2O3、1%MgO，HRA8590）和95瓷（94.5%Al2O3、2%Si

48、O2、3%CaCO3、2%Cr2O3，HRA7882）。具有很好的耐蚀性，可以经受各种酸类、碱类、盐类和各种有机溶剂及强氧化剂腐蚀。硬度高，仅次于金刚石和碳化硼，耐磨性好，机械强度和普通铸铁差不多，材料来源广泛，制造工艺简单。 缺点：质脆，导热性不好，耐热冲击性差。（Al2O3/ Al2O3组对不行，有产生静电的危险。）这种材料多用于外装式耐腐蚀性机械密封中。 2、Al2O3金属陶瓷 在Al2O3中添加少量金属元素Fe、Cr、Ni等，以提高导热率，降低脆性，但硬度和耐蚀性有所下降。主要用于批量较大的汽车冷却水泵及潜水泵机械密封上。,（六）Al2O3 陶瓷及其他陶瓷介绍,2020/7/1,100

49、,3、Si3N4 耐蚀性很好，Si3N4/石墨组对性很好，而与填充玻纤PTFE组对时Si3N4的磨损大。 （1）反映烧结Si3N4 素坯可以机械加工，能制成形状复杂制品，经二次氮化后尺寸变化率小（0.1%），抗冲击性好，耐腐蚀。强度、硬度是Si3N4中最低的，（因内部有1015%封闭气孔）。较厚的制品不易烧结，有时会有“流硅”现象，仅适合PV值不高的场合。 （2）热压Si3N4 是Si3N4中性能最佳的材料，硬度高（HRA9192），致密性好，接近理论密度3.2g/cm3，耐磨性、耐蚀性优良。但成本高，难以制作形状复杂零件。,2020/7/1,101,（3）常压烧结Si3N4 性能接近热压Si

50、3N4，成本高，烧结时收缩率大1520%，易引起烧结变形。 （4）重烧结Si3N4 性能接近热压Si3N4，制造工艺复杂，成本较反应烧结Si3N4高。,4、铬刚玉陶瓷 在Al2O395瓷坯料中引入0.52%的Cr2O3，经17001750高温焙烧而成。（密度3.463.47，硬度HRA8487） 耐温度急变性能好。（用48/3556的环，在20400范围内进行25次冷循环处理后，用10倍显微镜观察未发现裂纹），硬度高，摩擦系数小，化学稳定性好，与填充玻纤PTFE组对，用于耐腐蚀机械密封，效果极好。,2020/7/1,102,5、碳化硼B4C陶瓷 化学稳定性好，硬度HRA9496，仅次于金刚石，

51、耐磨性能极为优良。主要用于处理高浓度、磨蚀性介质作摩擦副组对材料，特别适用于泥沙介质。 缺点：加工困难（需热压成型工艺），成本高，热抗震性也不太好。 6、喷涂陶瓷 用等离子技术在密封环端面或轴套表面喷上一层耐磨耐蚀涂层，一般为Cr2O3涂层，厚0.30.5mm。 硬度高、耐磨、耐蚀，但涂层内部有410%的气孔，还需进行树脂封孔处理（国外用先进的重熔技术进行封孔）。,2020/7/1,103,其组对多为硬度低于70HS的石墨，其使用的PV值较 低，使用温度200，广泛用于醋酸等介质。从日本进 口的机械密封约有1/3采用这种组对。 Al2O3也可作喷涂材料性能与Cr2O3相差不大。,2020/7/

52、1,104,在密封环表面堆焊一层硬质合金，以提高耐磨性、耐蚀性，且价格较低。国外命名为Stellite（司太立特），常用堆焊材料如下： （1）铬基1 号电焊条TDCrC-1 HRC48-54 良好的耐汽蚀、耐 腐蚀性。 气焊丝SDCr-1 HRC48-54 良好的耐汽蚀、耐腐蚀性。 （2）钴基1号电焊条TDCoCr-1 HRC40-45 耐酸性好 气焊丝SDCoCr-1 HRC40-45 耐酸性好 （3）钴基2号电焊条TDCoCr-2 HRC4448 耐高温，在高温下保持高硬度 气焊丝SDCoCr-2 HRC46-50 耐高温，在高温下保持高硬度,（七）表面堆焊硬质合金,2020/7/1,10

53、5,以上堆焊虽具有一定的耐蚀性，但不耐强酸、热碱的腐 蚀。硬度不算高且不均匀，抗热裂能力较差，且堆焊工艺要 求较高，不宜用于带颗粒介质的密封和高速机械密封，在泵 用机械密封中已很少采用，但在PV值不高的釜用机械密封中 仍然占有重要地位。,2020/7/1,106,1、 铸铁类 （1）普通灰口铸铁（HT200、HT250）：耐磨性、导热性优于堆焊硬质合金；耐蚀性差，只能用于中性介质和PV值不高的场合。 （2）球墨铸铁（QT600-3、QT700-2：）耐磨性、导热性优于堆焊硬质合金；耐蚀性差，只能用于中性介质和PV值不高的场合。 （3）高硅耐蚀铸铁：表面有SiO2保护膜，是优良耐酸材料。耐各种浓

54、度H2SO4、HNO3、有机酸、酸性盐，不耐强碱、盐酸、氢氟酸、FeCl3热溶液。 （4）高镍铸铁Ni-Resist：（同上）,（八）作摩擦副的金属材料,2020/7/1,107,1、 合金钢（用于弱腐蚀介质） （1）3Cr13、4Cr13、9Cr18 （2）高速工具钢、轴承钢 2、 铜合金 青铜SQSn6-6-3、SQSn10-1：具有良好的导热性、耐 磨性、加工性、对硬质材料的相溶性，但质软，耐腐蚀 性差。适用于油、盐类、醇、脂肪酸、海水中介质。不 适用于乙烯、芳烃等介质。,2020/7/1,108,1、 聚四氟乙烯特点（用作辅助密封圈） （1）耐腐蚀性好，几乎能耐所有的强酸、强碱、强氧化

55、 剂的腐蚀。目前发现的只有熔融碱金属（或它的氨溶液）、元素氟及ClF3在高温下与它要起反应。 （2）使用温度范围广（180260），耐水性、耐老化性、不燃性、韧性及加工性都很好。 （3）它是一种极好的减磨、自润滑材料（其分子结构决定了表面分子易滚动和滑动，与其他材料对磨时，分子首先向对磨材料转移，形成0.020.03m的薄膜），摩擦系数低0.040.12。 （4）具有奇特的冷流行：即在负荷作用下，发生蠕变。 （5）线膨胀系数大50150106/（20015）,（九）填充聚四氟乙烯,2020/7/1,109,150530106/（1530）,120590106/（30300）,（6）导热系数小（

56、0.244w/m.k），与金属相差300多倍。,2020/7/1,110,2、填充聚四氟乙烯（用作摩擦副） 为了克服聚四氟乙烯的不足，往往在其间加入各种 添加剂，以改善其性能。常常加入1020%的石墨、玻纤、 青铜粉、SiO2、MoS2等，可改善导热性，减小线胀系数， 其它性能也得到改善，但耐蚀性略有下降。,2020/7/1,111,1、良好的弹性，硬度合适且压缩永久变形小。 2、耐高低温的老化性能好。 3、耐介质腐蚀、溶解、熔胀、溶缩、硬化。 4、较小的摩擦系数，耐磨耗，有一定的抗撕裂强度。 5、来源方便，成本低廉。,（十）辅助密封圈材料要求,2020/7/1,112,1、丁腈橡胶（NBR）

57、（40120） 它是丁二烯和丙烯腈的共聚物。常用的丙烯腈含量为40%（丁腈40），耐油，抗老化性良好，并且又耐热、耐磨、耐一定腐蚀。广泛用于接触汽油及其他油类设备，也耐碱、非氧化性稀酸，不耐氧化性酸（如硝酸、铬酸）、芳烃、酯、酮、醚、卤代烃等。炼油厂凝缩油中由于含有芳烃等介质，故不适用。低温下也不宜采用。 2、氟橡胶（FPM）（20250） 它是含氟的高聚合物，目前由三个品种： FPM2301（2311）：具有优异的耐强酸性能。 FPM2602（2641）：耐热性能、耐溶剂性能优于FPM2301， 但工艺性能较差。,（十一）合成橡胶,2020/7/1,113,FPM2461（246）：耐热、耐溶剂性能比FPM2602还要好。 目前一般都用FPM2602，可以在250以下长期使用， 300以下短期使用。耐蚀性是橡胶中最好的，但低温性能 差，价格贵。不宜在酮类、酯类溶液中使用，压缩永久变 形大。 3、硅橡胶（MVQ） 由二甲基硅氧烷与其他有机硅