机械密封全面讲解

1、2021-7-121 2021-7-122 一、一、机械密封原理机械密封原理 二、二、机械密封的基本零件机械密封的基本零件 三、三、机械密封的计算机械密封的计算 四、四、机械密封用材料机械密封用材料 五、五、机械密封辅助系统机械密封辅助系统 六、六、机械密封性能的影响因素机械密封性能的影响因素 七、七、石化行业典型泵的密封石化行业典型泵的密封 八、八、机械密封的安装和使用机械密封的安装和使用 九、九、机械密封故障分析机械密封故障分析 十、十、补充内容补充内容 2021-7-123 （一）定义与组成（一）定义与组成（图图1-1） 组成组成: 1.密封端面： 动环、静环摩擦副 2.缓冲补偿机构：

2、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、楔形 圈等 2021-7-124 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、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

3、，而构成的防止流体泄漏的装置。 2021-7-125 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 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 （三）密封机理（三）密封机理 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

4、偿环密封圈，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，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，静密封点，密封圈与相配合件之间相 对静止. 2021-7-126 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。 2021-7-127 1、 按使用条件分类 （1）高速密封（ZBJ22-001-88：线速度25100m/s）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

5、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 2021-7-128 （六）旋转式和静止式机械密封（六）旋转式和静止式机械密封（图1-2） （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，不能用于高速, 且消耗搅拌功率 （2）静止式：补偿机构（弹性元件）不随轴旋转。（用于高速） 2021-7-129 （1） 内装式：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，腐蚀性不强的场合用于温度、压力较高，腐蚀性不强的场合） （2） 外装式：外装式：静环装在压盖外侧，静环端面背向工作

6、腔。 （用于低压、腐蚀性强的场合用于低压、腐蚀性强的场合） 2021-7-1210 （一般和内装式、外装式一致） （1）内流式：内流式：泄漏方向朝向轴心。（一般密封都采用这一般密封都采用这 种结构种结构） （2）外流式：外流式：泄漏方向朝向离心力方向。（泄漏量大，泄漏量大， 只有在压力、温度都不高的腐蚀性介质中用只有在压力、温度都不高的腐蚀性介质中用） （九）多弹簧和单弹簧机械密封（九）多弹簧和单弹簧机械密封 （1）多弹簧：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宜用于高速，不宜用于腐蚀性介质。 （2）单弹簧：单弹簧：（又叫大弹簧，轴向尺寸大，轴向弹力不

7、 均匀）不宜用于高转速的场合不宜用于高转速的场合。 2021-7-1211 （1）平衡型：载荷系数平衡型：载荷系数K1.0 （用于高压场合用于高压场合） （2）非平衡型：载荷系数非平衡型：载荷系数K1.0 （用于普通压力场合）用于普通压力场合） （十一）补偿机构形式（十一）补偿机构形式 （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 2021-7-1212 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，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

8、、高真空度等场合。或气体、高真空度等场合。 两套密封之间形成一个密封腔，在密封腔中引入封液：堵封、润两套密封之间形成一个密封腔，在密封腔中引入封液：堵封、润 滑、冷却，选洁净、润滑性好的封液介质。滑、冷却，选洁净、润滑性好的封液介质。 2021-7-1213 v两套密封沿同一方向布置，密封腔压力逐级降低两套密封沿同一方向布置，密封腔压力逐级降低, v用于高压场合。用于高压场合。 2021-7-1214 v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, 补偿环追随性提高补偿环追随性提高. v避免了补偿环密封圈因轴串、振动所产生的

9、磨损。避免了补偿环密封圈因轴串、振动所产生的磨损。 v金属波纹管用于高温介质金属波纹管用于高温介质 v聚四氟乙烯波纹管用于腐蚀性介质。聚四氟乙烯波纹管用于腐蚀性介质。 2021-7-1215 v将机械密封、轴套、压盖组合成一个整体。 v安装时只需固定压盖、轴套，取下定位挡块即可。 v安装方便，排除了安装不良的影响。 2021-7-1216 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

10、用寿命。 （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 2021-7-1217 （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

11、静环和轴（轴套）间隙13mm以免摩擦 2021-7-1218 （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； （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： 2021-7-1219 v宽系列用于组对性能好（如YG6/M106K、SiC/M106K）、工 况条件好的场合 v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

12、强度够的情况下，取窄系列）。 轴轴 径径16355570100120 宽系列宽系列2.53.04.05.06.07.0 中系列中系列2.02.53.04.05.05.0 窄系列窄系列1.52.02.02.53.03.0 2021-7-1220 （）平面度0.0009，硬质0.2，软质0.4，表 面不应有裂纹、划伤、气孔、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。 2021-7-1221 平面度0.0009，普

13、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） 2021-7-1222 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。 2021-7-1223 （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

14、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，/20.3m） 2021-7-1224 （）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 2021-7-1225 （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

15、:钠光灯(=0.589m) 2021-7-1226 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： 粗糙度3.20.80.40.2 承载面积（%）4124095 端面比压增加（倍）247.31.50.05 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。 2021-7-1227 非补偿动环（只旋转，不能补偿

16、，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。 2021-7-1228 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。 2021-7-1229 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 2021-7-1230 各个部位性能均匀一致，最常

17、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。 2021-7-1231 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 孔麻烦，多一泄漏点） 2021-7-1232 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。 2021-7-1233 =Dp（ （12）T 式中 ：工作温度时的过盈量工作温度时的过盈量 ：常温过盈量常温过盈量 Dp：镶嵌直径 1：座线胀系数 2：环

18、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； 2021-7-1234 （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

19、过 盈量。 2021-7-1235 （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 （）按材料分：合成橡胶、聚四氟乙烯、柔性石墨等； （）按截面形状分：圆形、矩形、V形、楔形、包四氟形 等； 2021-7-1236 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） （

20、4）并圈弹簧传动（弹簧旋向必须和轴旋向一致） 2021-7-1237 （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 2021-7-1238 （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) 2021-7-1239 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) 2021-7-1240 橡胶波纹管：用于中性介质：水、油，压力、温度都

21、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)。 2021-7-1241 （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/D 0.80.9）。 例：AM350 热失效：真空炉85

22、0C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。 2021-7-1242 （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(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

23、.9C)、 0.70106(538C)。 2021-7-1243 t：波片厚度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(刚度)。 2021-7-1244 （一）补偿环的受力状况（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： 2021-7-1245 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，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

24、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。 2021-7-1246 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。 2021-7-1247 Fm =P介 S （液膜比压Pm=P介） ：膜压系数0.5（中粘度），=0.650.75（低

25、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 2021-7-1248 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。 2021-7-1249 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

26、膜压力成抛物线分布，气相 对于易汽化介质膜压系数，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。 2021-7-1250 （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

27、擦（全液膜，泄漏量大，机械密封一般不 采用）、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。 2021-7-1251 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。 2021-7-1252 介质压力对补偿环的有效作用A面积与端面面积S之比：K=A/S 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 2021-7-1253 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） = Pt（K）（P内P外） = Pt（K）P 2021-7-1254 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；