高压高速机械密封结构

1、 l按照JB/4127.2机械密封分类标准，当密封腔体压 力超过3MPa时所采用的机械密封就属于高压机 械密封；密封端面平均线速度为25100m/s被定 义为高速机械密封。 l高压高速密封可以采用浮环密封，机械加浮环密 封，干气密封，金属波纹管等很多形式的密封。 此处仅研究弹簧式机械密封。 普通密封大多采用弹簧式密封，通过对密封结构， 尺寸，设计参数及其它相关因素进行调整，提高密 封的使用参数（如压力，转速），拓展密封的使用 范围。采用弹簧式高压高速密封具有成本低，互换 性好，通用性强的特点，弹簧式高压高速密封在现 代密封领域占有重要地位。 高压密封常用于热水循环泵、锅炉给水泵、丙烷泵、甲醇

2、泵、乙二醇泵，或炭黑洗涤水，灰水，汽包水，除氧水， 醋酸乙烯，聚丙烯介质的密封，以及原油管道输送等。 l1.技术关键 l（1）机械密封结构的确定 l高压机械密封的结构形式非常关键，如果设计 不合理，其它的细节部分再怎么考虑，也只能 达到事倍功半的效果。因此，结构型式设计好 了，密封性能就好了一半。结构形式包括两部 分：密封结构型式，零件结构型式。设计结构 形式重点要考虑压力的平衡问题，以避免力不 平衡造成密封移位或变形，从而导致密封失效。 （2）传动机构的设计 机械密封属于动密封，传动机构提供和维持机械 密封的工作运转状态。处于高压中的所有密封零 件都受到高的压力作用，其中承力的最薄弱环节 当

3、属传动机构，因为传动机构常常是一些小零件， 杆细、壁薄是它的特点。传动机构一旦失效，密 封肯定失效。因此要考虑可靠的传动方式，需按 起动扭矩来校核强度。起动扭矩比工作扭矩大得 多，可以估算为工作扭矩的四倍。 （3）密封端面型式的确定 机械密封的主要零件是摩擦副。密封端面承受着 最恶劣的工作环境，因此，端面要求很高：既要 求有很高的平面度、粗糙度、和轴的垂直度，又 要求材料具有很高的强度、刚度、耐磨性、耐蚀 性和耐高温性。因为在高压下，端面摩擦热更高， 端面更容易产生热变形，同时端面也更容易产生 力变形，所以，高压机械密封的端面，必须要考 虑合理的形式，以利于导热，减小温升，平衡作 用力，抑制端

4、面变形。 （4）载荷系数的确定 载荷系数为密封重要设计参数，其取值的大小直 接影响端面比压，影响密封端面的贴合状态。在 高压下，其取值尤为重要，载荷系数只要有微小 变动，就会引起端面比压发生很大的变化，而且 可供参考的取值极为有限。高压机械密封载荷系 数与密封结构、介质性质有关，其值的确定必须 通过大量的试验获得。 （5）材料的选取原则 高压机械密封零件材料选取原则考虑的内容和 通用型机械密封一样，不同的是，对机械强度、 刚度、耐热性和导热性、摩擦性能和气密性要 求更高。同时，材料的其他性能（通常要降低） 也要满足工况要求。 （6）密封辅助系统的设计 机械密封离不开辅助系统，对于高压密封更是如

5、此。 合理地设计辅助系统，对于改善密封的工作环境， 提高密封的可靠性和使用寿命意义重大。 2.采取的措施 （1）采用可靠的零件支承、定位方法，强化转矩传递机构 机械密封需要把轴的运动方式，通过一系列零件（如轴套、弹簧座、 推环等），传递给旋转环。同时，需要对静止环防转，以及对不需 要浮动的零件进行定位和紧固。通常，这些功能是靠密封的传动机 构完成的。常用的传动方式有：紧定螺钉、键、拨叉、并圈弹簧、 销钉、凸耳、勾圈弹簧、波纹管、锁紧螺母等。对于高压密封，应 采用增强措施：紧定螺钉应加大规格，并在被压零件上划凹坑；销 钉规格需加大；凸耳壁厚应增加或采用实凸耳；波纹管应采用双层 结构。不采用并圈弹

6、簧、勾圈弹簧来传动，尽可能采用键、拨叉来 传动。力的作用点也尽可能远离轴心，以减小传动件受的作用力。 （2）采用合理的结构型式 1）密封结构型式 密封结构形式需具体情况具体分析，通常的方 式是平衡轴向力（如采用对称结构，静环背部 设立平衡腔等），采用串联式或三端面结构， 采用平衡型密封。 2）零件结构型式 对于密封中各零件，应设计成有利于对称受力、 抑制变形的的结构形式。采用圆弧过渡避免零 件断面面积突变，增大零件截面，提高零件加 工精度。 3）密封端面形式 （a）偏心式 （b）椭圆式 （c）循环槽式 （d）内循环槽式 （e）内螺旋槽式 （f）螺旋槽式 （g）内润滑槽式 （h）润滑槽式 图图1

7、 典型流体动压端面型式 密封端面可以采用流体动压槽形式，这种形式 是在动环或静环端面上开数个均布的流体动压 槽，深度1mm左右。槽形多种多样，如图1。根 据工况，主要是使用PV值来设计，通过试验来 确立。这是一种新型的流体动压式密封，专门 为在高压和高摩擦热的情况下，改善密封端面 润滑膜稳定性而研制的。当密封环旋转时，槽 能使液体强烈地冷却距它较远的密封端面（见 图2）。进行这种冷却时，在密封环的初始表面 上形成与槽数相等的流体动力楔和高压区。由 于切向流和压力降，在每一槽后形成慧星状润 滑楔。因此，随着密封面上载荷和滑动速度的 增加，摩擦系数反而减小。 图2 流体动压槽端面 图3 流体动压式

8、密封端面 压力场和润滑场 摩擦系数曲线 1承载区 2密封区 试验条件 介质：锅炉水 温度：3060 密封轴经：30 这种密封的热流体动力效应就是在密封端面缝隙 高度为0.21.5m的情况下，在非槽环带密封区 2上主要为边界摩擦，这时密封的泄漏量极小。 （3）采取冷却措施 对于高压机械密封，应设置介质冲洗和静环背部急 冷装置。对于双密封和多端面密封，应设置缓冲阻 塞液循环系统。与通用型密封比，应加快循环，增 大缓冲阻塞液的循环量，并在循环管路中安装换热 器。循环可以通过密封腔内部的泵送环来实现。 （4）合理选取零件材质 高压密封摩擦副中碳石墨的强度及刚度是设计中的 关键，碳石墨环变形是影响其性能

9、的重要因素。摩 擦副的硬环材料（如硬质合金、碳化硅等）的强度 比碳石墨材料高一个数量级，因此硬环的强度与刚 度均能满足要求，但是这些材料一旦变形就不易复 原，设计时应注意热变形以及抗冲击性能。过高的 负荷，特别是可变的密封压力，会引起端面变形， 即使微米级的变形也将影响密封的性能。 （5）选取合理的载荷系数 通过长期的研究和试验，我们推荐，对于非流体 动压式密封，高压机械密封的载荷系数比膜压系 数高0.050.152，配合弹簧比压选取；对于流 体动压式密封，载荷系数应设计成0.70.853。 这样，既保证了密封端面始终贴合，又限制了高 压对密封端面比压的影响幅度。 4.密封的主要型式、技术指标

10、 （1）机封总体结构的确定 1）单端面高压机械密封 图4为我们设计的一种典型的高压泵用带中间环的单端面机械密 封的结构。在设计中，我们认真仔细地对国外同类型机械密封的 结构进行了分析。我们认为进口机械密封静环上两个对称的椭圆 形孔（如图5）削弱了静环的机械强度（曾经出现过进口机械密 封连续失效的情况），其失效的现象均为从两椭圆形孔处断裂。 为提高摩擦副的强度、刚度，选用整体式结构的动静环，避免热 镶产生的内应力造成摩擦副变形，影响密封性能。静环采用浮动 式结构。我们对进口机械密封静环的结构作了如下的改进，首先 改原静环的防转销防转为对称的凸耳防转，以增大静环本身的强 度；其次在静环的外圆周上开

11、出均匀的半圆槽，让介质以最短的 时间充满静环背面的平衡腔，改善其受力情况。改进后的静环结 构如图6所示。从而提高其追随性，还可以降低对静环自身强度 和刚度的要求。 图图4 带中间环的高压密封 结构特点 1.石墨静环 轴向力平衡 2.常用于高 压热水的密 封 3.辅助系统 采用plan23 两对称椭圆形孔 半圆形槽 图图5 进口密封中间环 图图6 改进后中间环 另外小弹簧弹力均匀，并且可使机械密封结构紧凑， 因此，选用小弹簧；辅助密封圈选用V形圈，因O形 圈在高压下容易被挤入动环与轴套（或轴）间的缝 隙中，造成密封失效；外接强制冲洗液，带走摩擦 热，冲洗液应沿摩擦副的切线方向引入。 1弹簧座；2

12、紧定螺钉；3弹簧；4导向销；5推环；6动环V形圈； 7动环组件；8静环密封圈；9静环；10.防转销；11传动螺钉 图图7 7 典型单端面高压泵用密封 结构特点 1.结构简 单，零件 厚实 2.键加拨 叉传动 3.能承受 高压到 12MPa 图7也是一种典型的的单端面高压泵用机械密封， 属于多弹簧、螺钉加键传动、平衡型结构，静环 端面可以开设流体动压槽以适应更高的工作负荷。 这种密封的特点是结构简单，零件采用增加了厚 壁的结构，动环、静环常采用硬对硬材料组合方 式。该种密封型式应用范围很广。 图8 204B型高压机械密 封 结构特点 1.静止式，可用于大轴径 2.避免镶嵌结构 3.动环轴向力由台

13、阶承受 4.楔形抱轴器使传动可靠 图8是一种静止式高压机械密封，适用于大轴径或高线速 度的场合。该结构考虑了力平衡，并采用楔形抱轴器，最 高压力可达15MPa。 2）双端面、串联式及三端面高压机械密封 其设计思路与单端面高压机械密封的设计思路相同，不同 之处在于，对于双端面密封，其使用压力低于6MPa时，在 静环的设计上可不用浮动式结构。在设计中必须要考虑力 矩的可靠传递，动、静环要有最佳的几何形状，以及高的 强度和刚度，良好的追随性。对于有毒、易燃、易爆的介 质，单端面密封不能适用，因密封一旦失效，将会造成严 重的后果，给国家和企业造成巨大的经济损失，还会造成 环境污染，甚至会危及生命安全。

14、针对这种工况，我们设 计了平衡型双端面机械密封。为了及时将密封腔内的摩擦 热带走，在传动套上加一螺旋套，加大密封液的循环。弹 簧选用小弹簧，辅圈选用O形圈，结构如图9所示。当密封 压力很高时，如超过6MPa，可采用串联式密封，若介质为 易燃、易爆、有毒或贵重流体时，可采用三端面密封，即 双端面加串联式结构。 (2）端面比压的确定 密封负荷水平的标志是PV值，通常轴的转速是恒定的，密封端面的 压力负荷主要受介质压力影响，所以可以通过采用平衡型结构来减 小有效的压力值。减小摩擦端面的宽度，可以减小摩擦热。高压密 封设计的要点之一是确定载荷系数及端面宽度。要确定载荷系数和 端面宽度的最佳值比较困难，

15、通常端面宽度b=25mm4，根据载 荷系数设计及强度设计的需要进行调整。我们知道，端面比压P比=P 弹+（K-）P介。在机械密封的设计中，应避免出现K-0的情 况，否则机械密封将处于极不稳定的状态，随时有被打开的可能， 造成密封失效。另外，摩擦热的大小与端面比压的大小成正比，要 降低摩擦热，就必须要控制端面比压，和选择较小的弹簧比压P弹。 在此，我们选择载荷系数K与该工况下的膜压系数相近，弹簧比 压P弹选用0.10.15MPa，这样就可将端面比压控制在理想的范围内 ，从而达到控制摩擦热的目的，提高机械密封的使用寿命。 图图 9 双端面高压泵用机械密封 结构特点 1.载荷系数、端 面宽度、零件

16、尺寸特殊设计 2.结构类似通用 型密封，应用 范围广，成本 低，不修改腔 体 （3）技术指标 我们研制的高压机械密封的技术参数如下： 1) 密封腔内压力P=315MPa（轴径d50，转速n3000r/min， 对于常温、水介质，采用单端面密封时，P值可达15 MPa） 2）密封腔内温度：T=-40180 3）转速：n15000rpm，线速度v35m/s（轴径d40，压力 P=3.5MPa，对于常温、水介质，采用单端面密封时，n值可达 15000r/min） 4）泄漏量le5300ml/h 5）寿命：L40008000h 高压机械密封重点考核的指标是：寿命L和泄漏量le。 5.实验室试验和工业运

17、行情况 研制初期，由于实验室条件的限制，不能模拟现场工况，因此， 我们将实验室试验改在现场进行。在现场按要求将机械密封装上设 备，按机械密封试验规范，先作静压试验，静压合格后，再作动压 试验。我们的带中间环单端面高压密封产品已经在镇海炼化化肥厂 合成氨装置4112-P3泵上使用有3年时间，运行状况良好，已完全替 代进口产品。此泵工作参数如下：介质：水，进口压力8.6Mpa，出 口压力9.5MPa，密封腔压力9.65MPa，温度187。同时在齐鲁塑料 厂聚丙烯装置的P200泵上采用的双端面密封和P201泵上采用的三端 面密封，使用也已经有6年时间；在内蒙化肥厂和九江大化肥合成 氨装置A-GA30

18、2泵上使用已经有2年时间；在荆门化肥厂P200泵上也 使用了几年时间。通过现场工业运行，证明我们的设计是合理的， 研制是成功的，参数和结构的选择也是正确的，我们提供的产品已 完全替代进口同类产品，使用寿命有些甚至超过了国外同类产品。 经过现场工业运行试验的多次装拆、启动、停机 及长周期连续运行，证明我们研制开发的高压密 封性能好、寿命长，并可运用于不同的介质工况。 本课题现已圆满完成，各项考核指标均满足和超 过合同要求。该项目的研制是成功的，我们的设 计思想和技术路线是正确的，扩大应用将会产生 较大的经济效益和社会效益。 l端面热量大； l离心力造成振动和不平衡，端面产生冲击和振动， 加大端面

19、摩擦热和疲劳破坏，同时无法形成稳定 液膜； l传动机构易在冲击载荷或交变载荷下失效； l高频颤振要求密封有更好的追随性，抗疲劳性。 l1.弹性元件静止； l2.减小转动件质量，并尽可能保持与轴中心线 对称； l3.减小转动件长度，降低涡流损失； l4.充分散热，加大强化冷却力度； l5.结构上采取措施，降低端面摩擦热； l6.提高精度，包括形位公差，尺寸公差和表面 粗糙度； l7.强化传动机构； l8.减小补偿还辅圈压缩量。 l1.采用多弹簧静止式平衡型机械密封； l2.减小密封端面宽度； l3.减小选转环外径，长度； l4.减小径环质量； l5.增大弹簧比压； l6.端面开流体动压槽； l7.减小静环密封圈压缩率。 135 热水（20B结构），30%氨水（高速机封），烃类，丙烯 进料泵，乙烯，油，30%氢氧化钠，甲铵液，锅炉给水泵（汽， 电泵），脱氧水等 图10