機械密封全面講解

機械密封全面講解機械密封全面講解2024/4/142目錄2024/4/143一、機械密封原理二、機械密封的基本零件三、機械密封的計算四、機械密封用材料五、機械密封輔助系統(tǒng)六、機械密封性能的影響因素七、石化行業(yè)典型泵的密封八、機械密封的安裝和使用九、機械密封故障分析十、補充內容一、機械密封原理2024/4/144（一）定義與組成（圖1-1）組成:1.密封端面：動環(huán)、靜環(huán)─摩擦副2.緩沖補償機構：由彈性元件(圓柱彈簧、圓錐彈簧、波片彈簧、波紋管等)構成?！官N合;3.輔助密封圈：包括動環(huán)密封圈、靜環(huán)密封圈等，有各種形式：如O型圈、V型圈、楔形圈等2024/4/145機械密封是一種用于旋轉流體機械的軸封裝置。（用于離心泵、離心機、反應釜、壓縮機等設備，軸和設備腔體間存在一個圓周間隙，設備介質從中泄漏，因此必須設一道阻漏裝置。因機械密封具有泄漏少、壽命長等優(yōu)點，成為了主要的軸密封方式，又叫端面密封。）在國家有關標準中的定義：由至少一對垂直于旋轉軸線的端面組成,在流體壓力及補償機構彈力(或磁力)共同作用下，以及輔助密封圈的配合下，該對端面保持貼合并相對滑動，而構成的防止流體泄漏的裝置。

2024/4/1463、原理通過一系列零件將徑向密封轉化為軸向密封，在彈簧和介質壓力共同作用下，對由于設備運行所造成的軸向磨損可以及時補償，使軸向密封面始終保持貼合。由于機械密封（軸向密封）在運行中可以對軸向磨損進行補償，而填料密封（徑向密封）不能對徑向磨損進行補償，故機械密封比填料密封壽命長。2、傳動關系軸或軸套───緊固螺釘5──彈簧座4──彈簧3─補償環(huán)1壓蓋──防轉銷8─非補償環(huán)6（三）密封機理1、4個密封點（亦稱4個泄漏點，如圖1-1）泄漏點1—摩擦端面泄漏點，依靠彈力和介質壓力保持貼和（動密封點,兩個摩擦副之間有相對轉動）泄漏點2—補償環(huán)密封圈，靜密封點，密封圈與軸或軸套之間有微動;泄漏點3—非補償環(huán)密封圈，靜密封點，密封圈與相配合件之間相對靜止;泄漏點4—壓蓋與腔體間的密封圈，靜密封點，密封圈與相配合件之間相對靜止.2024/4/147（四）輔助設施通過沖洗、冷卻、過濾、分離等方式進行冷卻和潤滑，從而改善密封的工作環(huán)境，減少密封的泄漏量，延長使用壽命。應當把它看作機械密封的組成部分。

2024/4/148（五）機械密封的種類1、按使用條件分類（1）高速密封（ZBJ22-001-88：線速度25～100m/s）和普通密封（2）高壓和低壓密封（3）高溫、常溫和低溫密封（4）泵用、釜用和壓縮機用密封（5）耐腐蝕、抗顆粒機械密封2、通常按結構分類多彈簧、單彈簧密封旋轉式、靜止式密封外裝式、內裝式密封外流式、內流式密封2024/4/149（六）旋轉式和靜止式機械密封（圖1-2）

（1）旋轉式：補償機構（彈性元件）隨軸旋轉。)（由于安裝方便，普通密封大多采用，但易產生不平衡，不能用于高速,且消耗攪拌功率（2）靜止式：補償機構（彈性元件）不隨軸旋轉。（用于高速）

2024/4/1410（七）內裝式和外裝式機械密封（圖1-3）（1）內裝式：靜環(huán)裝在壓蓋內側，靜環(huán)端面面向工作腔。（用于溫度、壓力較高，腐蝕性不強的場合）（2）外裝式：靜環(huán)裝在壓蓋外側，靜環(huán)端面背向工作腔。（用于低壓、腐蝕性強的場合）

2024/4/1411（八）內流式和外流式機械密封（一般和內裝式、外裝式一致）

（1）內流式：泄漏方向朝向軸心。（一般密封都采用這種結構）（2）外流式：泄漏方向朝向離心力方向。（泄漏量大，只有在壓力、溫度都不高的腐蝕性介質中用）

（九）多彈簧和單彈簧機械密封（1）多彈簧：（又叫小彈簧，軸向尺寸小，軸向彈力均勻）宜用于高速，不宜用于腐蝕性介質。（2）單彈簧：（又叫大彈簧，軸向尺寸大，軸向彈力不均勻）不宜用于高轉速的場合。

2024/4/1412（十）平衡型和非平衡型機械密封

（1）平衡型：載荷系數K＜1.0（用于高壓場合）（2）非平衡型：載荷系數K≥1.0（用于普通壓力場合）

（十一）補償機構形式（1）磁力：系統(tǒng)壓力較低時用（2）波片彈簧、錐形彈簧、螺旋圓柱大彈簧、小彈簧

（3）橡膠波紋管、聚四氟乙烯波紋管、金屬波紋管

2024/4/1413（十二）雙端面機械密封（圖1-4）兩套密封面對面或背對背安裝在一起。

用于工作介質有毒、易燃、易爆、易揮發(fā)、易結晶、高溫、低溫，或氣體、高真空度等場合。兩套密封之間形成一個密封腔，在密封腔中引入封液：堵封、潤滑、冷卻，選潔凈、潤滑性好的封液介質。

2024/4/1414（十三）串聯式機械密封（圖1-5）兩套密封沿同一方向布置，密封腔壓力逐級降低,用于高壓場合。

2024/4/1415（十四）波紋管機械密封去掉了補償環(huán)密封圈及其摩擦阻力，補償環(huán)密封圈改至彈簧座處, 補償環(huán)追隨性提高.避免了補償環(huán)密封圈因軸串、振動所產生的磨損。金屬波紋管用于高溫介質聚四氟乙烯波紋管用于腐蝕性介質。2024/4/1416（十五）集裝式機械密封（圖1-6）將機械密封、軸套、壓蓋組合成一個整體。安裝時只需固定壓蓋、軸套，取下定位擋塊即可。安裝方便，排除了安裝不良的影響。二、機械密封的基本零件2024/4/1417摩擦副密封環(huán)是機械密封的主要元件，它在很大程度上決定了機械密封的性能和壽命。因此，對它有一些基本要求。

（1）足夠的強度和剛度保證在工作條件（如壓力，溫度，滑動速度等）下不損壞，變形小，工作條件波動時影響小。（2）端面有足夠的硬度、耐腐蝕性能確保使用壽命。（3）耐熱沖擊力高的導熱系數，低的線膨脹系數。（4）較小的摩擦系數，良好的自潤滑性，材料與介質有很好的浸潤性短時間干摩擦，不損傷端面。（5）易加工，材料成本低2024/4/1418（二）摩擦副匹配要考慮的因素（1）一般選擇一軟一硬的材料配對，軟環(huán)作窄環(huán)，如 YG6/M106K，只有介質含固體顆粒、易結晶、粘度高 時才選用硬對硬。（2）盡量采用內裝、內流式結構，防止機械雜質進入密封 端面，減少泄漏量。（3）選導熱性良好材料作動環(huán)。以利散熱，降低端面溫度。（4）環(huán)的壁厚不可太薄，以保證整體強度、剛度，也利散 熱（導熱欠佳的材料，可薄一些）。（5）動環(huán)和軸（軸套）間隙A11（0·4~0·6）以利補償靜環(huán)和軸（軸套）間隙1~3mm以免摩擦2024/4/1419（三）

密封端面寬度（1）主要決定窄環(huán)（軟環(huán)）寬度，寬環(huán)外徑—窄環(huán)外徑≥0.5，寬環(huán)內徑≤窄環(huán)內徑－0.5；（2）泄漏量與摩擦副端面寬度關系不大（3）窄的端面摩擦熱少，溫度梯度小，熱變形小，磨損均勻；（4）從受力角度出發(fā)，窄的端面整體強度和剛度差，易損壞或變形。因此應綜合考慮。對于普通密封，端面寬度推薦值如下：2024/4/1420寬系列用于組對性能好（如YG6/M106K、SiC/M106K）、工況條件好的場合窄系列用于組對性能欠佳（如YG6/YG6、YG6/青銅）、飽和蒸氣壓高、易揮發(fā)、顆粒介質，高速機械密封，（對于輕烴介質，在強度夠的情況下，取窄系列）。軸

徑≤16≤35≤55≤70≤100≤120寬系列2.53.04.05.06.07.0中系列2.02.53.04.05.05.0窄系列1.52.02.02.53.03.02024/4/1421（四）密封環(huán)的主要技術要求（１）平面度0.0009，硬質Ｒａ≤0.2，軟質Ｒａ≤0.4，表面不應有裂紋、劃傷、氣孔、疏松等缺陷。（２）密封環(huán)端面與安裝輔助密封圈處的平行度、垂直度按ＧＢ１１８４－８０的７級精度要求。（３）安裝輔助密封圈處粗糙度：Ｒａ≤3.2，徑向尺寸公差Ｈ８或ｈ８。上述要求是對普通機械密封而言，對轉速較低的釜用機械密封可適當放寬標準，對高速機封要求更高。

2024/4/1422（五）摩擦副端面平面度檢測平面度0.0009，普通量具無法檢測，通常利用光波的干涉效應來檢測。（1）光波的干涉效應

根據波動學原理，兩波產生干涉的條件是：（a）兩波在相遇點振向一致；（b）兩波具有相同的頻率；（c）兩波在相遇點有固定的周相差

。（兩個同樣的鈉光燈不行，只有用同一光源發(fā)出的光設法分成兩束，才滿足相干條件）2024/4/1423滿足相干條件的兩束光的疊加效果是：在波程差為波長整數倍的地方，光強度加強；在波程差為半個波長的奇數倍的地方，光強度減至零（變暗）。這就是光的干涉原理。

2024/4/1424（2）平面度檢測原理設入射角i=0，e為氣膜厚度（即是被檢測面上點到平晶的距離），λ為光波波長，δ為光的波程差，那么δ=2e＋λ/2當δ=kλ時，被檢測面上點變暗；δ=(2k＋1)λ/2，被檢測面上點變亮

；（其中k=0,1,2,3,4,…，k為整數）由以上公式可以得出下面結論：

（?。┫噜弮蓷l光帶所對應兩點的氣膜厚度差（高度差）為λ/2，（對于鈉光燈λ=0.589μm，λ/2≈0.3μm）2024/4/1425（ⅱ）相鄰兩條光帶寬b=λ/2Sinθ，（θ為空氣膜傾斜角）（ⅲ）當e=0時，δ=λ/2（半波損失），出現暗條紋；（1）合格光帶舉例2024/4/1426（2）平面度檢測器（圖2-3）平晶：由派利克斯玻璃、熔凝水晶或折射系數為1.516的光學玻璃制造。表面平面度0.1μm(2級)，0.03μm(1級)。光源:鈉光燈(λ=0.589μm)2024/4/1427（六）密封端面的粗糙度要求密封端面承載能力與表面粗糙度有很大關系，大約有如下關系：

粗糙度3.20.80.40.2承載面積（%）4124095端面比壓增加（倍）247.31.50.05

由此可以看出，密封端面粗糙度應在0.2以上，否則，端面比壓比理論值高的多，結果是高點接觸，局部壓力很高；由于摩擦副的硬度、剛度的差異，局部高點發(fā)熱甚至產生裂紋。石墨環(huán)表面磨出細微的環(huán)狀溝紋。泵的振動和動、靜環(huán)的不同心會加劇這種磨損。被磨掉的顆粒存在于端面中，形成磨粒磨損，磨損加劇，有時在泄漏的介質中可以看到石墨黑漿。

2024/4/1428（七）動環(huán)（旋轉環(huán)）

非補償動環(huán)（只旋轉，不能補償，其后無彈性元件。)補償動環(huán)（既旋轉，又作軸向補償，其后有彈性元件。)（?。┹o助密封圈受軸向力，軸向、徑向都起密封作用，這種密封方式較為可靠。（ⅱ）輔助密封圈只受徑向力，易產生老化、冷流變形，從而導致密封失效。（ⅲ）波紋管：無作軸向補償的輔助密封圈，因此，浮動性好，密封圈不易失效。

2024/4/1429（八）靜環(huán)(不旋轉)非補償靜環(huán)（不旋轉不補償）：主要有三種安裝方式：浮裝式、托裝式、夾固式。補償靜環(huán)（不旋轉只補償）：其輔助密封圈情況和補償動環(huán)基本一致。

2024/4/1430（九）密封環(huán)的種類整體式（用同一種材料制造）、組合式（如鑲嵌）、表面堆焊、表面噴涂

（十）整體式密封環(huán)2024/4/1431各個部位性能均勻一致，最常用的有：石墨、SiC、鈷基硬質合金、鎳基硬質合金、NiCr基硬質合金、陶瓷等。2024/4/1432（十一）組合式整體環(huán)價格高，加工困難，因此出現組合式密封環(huán)。組合式包括：（?。嵫b式（ⅱ）帶密封圈式（無組合應力、無應力變形；開槽、打孔麻煩，多一泄漏點）

2024/4/1433（十二）熱裝式密封環(huán)優(yōu)點：結構簡單，性能優(yōu)異，價格較低，運用較多。缺點：（ⅰ）因過盈接觸不均勻，而產生機械變形。（ⅱ）兩種材料線膨脹系數不一致，當溫度變化時，過盈量變化，會產生應力變形。

2024/4/1434（十三）熱裝式密封環(huán)的過盈值選擇Δδ=δ－Dp（α1－α2）ΔT式中Δδ：工作溫度時的過盈量δ：常溫過盈量

Dp：鑲嵌直徑α1：座線脹系數α2：環(huán)的線脹系數ΔT=工作溫度－常溫（20。C）（YG6：4.5×10－61/。C1Cr18Ni9Ti：16.6×10－61/。C3Cr13：11.5×10－61/。C）（1）在滿足傳遞扭矩的情況下，取最小過盈值；2024/4/1435（2）由上式，當使用溫度為300°C時，對

YG6/1Cr18Ni9Ti，過盈量為：δ=Dp（16.6－4.5）×10－6×（300－20）=3.4×10－3Dp

（以便記憶）（3）長期放置的鑲嵌環(huán)，使用前要檢查平面度；（4）對大直徑、高轉速(環(huán)座產生離心力)、彈性模量小的材質(4J42、鈦合金)，過盈量可相應大一些。（5）高溫200°C以上少用熱裝式結構，否則要核算過盈量。2024/4/1436（十四）輔助密封圈（1）材料要求（ⅰ）在工作溫度下耐介質腐蝕（ⅱ）足夠的彈性（ⅲ）有一定強度(柔性石墨因強度差，使用場合受到限制)（ⅳ）耐磨（ⅴ）易加工、價格低（2）種類（?。┌床牧戏郑汉铣上鹉z、聚四氟乙烯、柔性石墨等；（ⅱ）按截面形狀分：圓形、矩形、V形、楔形、包四氟形等；

2024/4/1437（十五）傳動機構的作用把軸或軸套的運動方式(旋轉)傳遞給動環(huán)，一般是通過鍵、緊定螺釘、傳動螺釘、銷、R槽、撥叉、彈簧、波紋管等的組合來傳遞運動。（1）緊定螺釘（頂絲）傳動：在軸表面劃凹坑，否則易打滑失效，特別當直徑較大和溫度較高時。（2）鍵＋臺階傳動（3）撥叉?zhèn)鲃樱ㄒ贿呴_槽一邊伸爪）（4）并圈彈簧傳動（彈簧旋向必須和軸旋向一致）2024/4/1438（5）銷釘傳動（6）凸耳傳動（7）勾圈彈簧傳動（8）波紋管傳動（9）螺帽固定2024/4/1439（十六）靜環(huán)防轉方式

（1）浮裝式（可以在軸向、徑向設計防轉銷）（2）托裝式(一般小扭矩可不用銷，要注意端面垂直度)（3）夾固式(浮動性差，注意端面垂直度)（4）防抽空(前加卡環(huán))2024/4/1440（十七）機械密封的彈性元件螺旋壓縮彈簧錐形彈簧：軸向尺寸較小碟形彈簧：軸向尺寸小波片彈簧：軸向尺寸小并圈彈簧、帶勾彈簧：雙功能(彈力、傳動)波紋管：三功能(彈力、傳動、密封)2024/4/1441(十八)波紋管種類橡膠波紋管：用于中性介質：水、油，壓力、溫度都不高的場合；聚四氟乙烯波紋管：用于腐蝕性介質，酸、堿；金屬波紋管：用于高溫、高速(追隨性好)。

2024/4/1442（十九）焊接金屬波紋管密封（1）

制造采用厚度為mm的沉淀硬化不銹鋼薄帶(AM350、0Cr17Ni17Ti、0Cr15Ni17Mo2Al、INCONEL-X-750及Ti合金、HasterlloyC-276等)沖壓成截面為S形的片狀環(huán)形件，再焊接成型(用微束等離子焊)。沉淀硬化不銹鋼焊接后須經熱時效處理，將奧氏體轉變?yōu)轳R氏體，并使馬氏體中析出金屬化合物，沉淀出硬化相，從而獲得高強度、較高的塑性及屈強比（σS/σD＞0.8~0.9）。例：AM350熱失效：真空爐850°C進行淬火處理，再進行－80°C的低溫處理(制冷劑F12)，以達到增加彈性、穩(wěn)定尺寸的目的。2024/4/1443（2）特點焊接金屬波紋管密封不用會產生較小滑移的輔助密封圈，使用溫度范圍廣：－200~600°C。高速下對軸的振動、振擺適應性強，追隨性好。

（3）彈率(剛度N/mm)k=πEt3（d1＋d2）/2nB3·d2/d1

E：工作溫度下彈性模量（N/mm2）：

AM350：1.75×10－6(315.6°C)、INCONEL：2.14×10－6(26.7°C)、1.59×10－6(649°C)、17-7PH：2.0×10－6(21.1°C)、Ti：1.31×10－6(－196°C)、1.14×10－6(23.9°C)、 0.70×106(538°C)。

2024/4/1444t：波片厚度mmn：波數d1/d2：管子內外徑mmB：波紋管片寬（d2－d1）/2公式中未考慮波片斷面形狀，具有一定誤差，實際生產中用彈簧測力計測彈率(剛度)。

三、機械密封的計算

2024/4/1445（一）補償環(huán)的受力狀況

要進行端面比壓計算，首先要分析補償環(huán)的受力情況。如圖，補償環(huán)受到的力有：2024/4/1446（二）密封端面中液膜反力的分布情況

在d2處，端面間液膜壓力等于P介。在d1處，端面間液膜壓力近似為零。對于中間分布情況，各點的壓力分布與介質性質有關，還與端面中的相態(tài)和摩擦狀態(tài)有關。對于丁烷等(粘度小、易汽化介質)，壓力分布成凸拋物線狀1。對于水等(中等粘度介質)，壓力分布成直線性2。對于潤滑油等(高粘度介質)，壓力分布成凹拋物線狀3。

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在d2處，端面間液膜壓力等于P介。在d1處，端面間液膜壓力近似為零。對于中間分布情況，人們通過大量試驗發(fā)現，各點的壓力分布與介質性質有關，還與端面中的相態(tài)和摩擦狀態(tài)有關。對于丁烷等(粘度小、易汽化介質)，壓力分布成凸拋物線狀1。對于水等(中等粘度介質)，壓力分布成直線性2。對于潤滑油等(高粘度介質)，壓力分布成凹拋物線狀3。

2024/4/1448（三）液膜反力的計算

Fm=λP介

S（液膜比壓Pm=λP介）λ：膜壓系數≈0.5（中粘度），=0.65～0.75（低粘度），=0.3～0.4（高粘度）。它是一個平均值，表示液膜壓力占介質壓力的比例，并不表示壓力的分布情況。該公式為端面比壓的計算提供了方便。S：端面面積S=π（d22－d12）/42024/4/1449（四）易汽化介質中密封端面間的液膜壓力分布易汽化介質（如液態(tài)烴等）的機械密封一直是石化行業(yè)中較難解決的問題，其原因是膜壓系數不穩(wěn)定，因其在端面中的相態(tài)和摩擦狀態(tài)不穩(wěn)定。因此弄清端面間的壓力分布，對于正確計算液膜反力很有必要。

2024/4/1450大家都知道，對于輕烴類介質，端面縫隙中存在氣液兩相。rb為汽化半徑，此處液膜壓力=P飽和（tp），tp處溫度最高。r2～rb區(qū)域，液膜壓力成線性分布，液相rb～r1區(qū)域，液膜壓力成拋物線分布，氣相對于易汽化介質膜壓系數λ，中國石油大學顧永泉教授提出一個計算公式：λ=2/3×/P1＋（1/2－1/6×Pf/P1）（r2～rb）/(r2

－r1)式中：Pf：rb處氣化壓力P1：介質壓力rb：氣化半徑r2/r1：端面外半徑/內半徑計算值一般在0.70～0.85之間。

2024/4/1451（五）膜壓系數的影響因素（1）端面幾何尺寸，由上面公式可以看出。（2）密封結構：前面講的都是對內流式而言的，對外流式，λ還要增大0.2左右，對于中等粘度介質λ=0.7（3）摩擦狀態(tài)：邊界摩擦（端面多個高點直接接觸承壓。液膜厚度只有幾個分子厚，且不連續(xù)，幾乎不承壓，只起潤滑作用，λ=0）、液體摩擦（全液膜，泄漏量大，機械密封一般不采用）、混和摩擦（介于以上兩種之間,這是機械密封端面摩擦的主要形式）（4）端面縫隙情況：漸開形，λ減小；漸收形，λ增大（5）其他因素：轉速高，對于內流式λ減小，對于外流式λ增大。此外端面比壓、密封面溫度、粗糙度等都有一定影響。

2024/4/1452（六）彈簧比壓的計算Pt=F彈/SF彈可計算得出，但一般有誤差±10%，這是由于制造廠、制造工藝、原材料的化學成分、熱處理工藝等存在差異的緣故。一般Pt=0.15~0.2Mpa(內裝)，0.3~0.6Mpa(外裝)，反應釜中，轉速低，軸擺動大，取大值。

2024/4/1453（七）載荷系數K介質壓力對補償環(huán)的有效作用A面積與端面面積S之比：K=A/SK=（d22－d02）/（d22－d12）d0為介質分界圓直徑當K≥1時，機械密封為非平衡型；當K＜1時，機械密封為平衡型；平衡系數β=100（1-K）%載荷比壓：P載=KP介2024/4/1454（八）端面比壓

P=Pt+P載－P液膜

=Pt+（K-λ）P介

（內裝式） 對于雙端面機械密封介質側： P液膜=P外＋λ（P內－P外）P載=KP內＋（1－K）P外所以：P=Pt＋KP內＋（1－K）P外－［P外＋λ（P內－P外）］ =Pt＋（K－λ）（P內－P外） =Pt＋（K－λ）ΔP2024/4/1455端面比壓的選取原則：（1）必須高于彈簧比壓；（2）必須大于介質在端面溫度升高時的飽和蒸汽壓；在保證以上條件下，盡量取小值，以防端面發(fā)熱，破壞液膜，加劇磨損，功率消耗增大，密封使用壽命減短。同時考慮以下原則：（1）對自潤滑性好的組對（M106K/SiC