《机械端面密封技术》

1、H编辑ppt实现以人为本实现以人为本健康健康安全安全环保环保经济经济现代化生产新理念现代化生产新理念机械端面密封技术机械端面密封技术(Mechanical Face Seal)(Mechanical Face Seal)H编辑ppt目目 录录v1 1 机械密封技术的发展进程机械密封技术的发展进程v2 2机械密封的基本结构、作用原理机械密封的基本结构、作用原理v3 3机械密封的优点机械密封的优点v4 4接触式机械密封存在的问题接触式机械密封存在的问题v5 5机械密封技术的发展趋势机械密封技术的发展趋势H编辑ppt1. 1.机械端面密封的发展进程机械端面密封的发展进程1.11.1发展进程发展进程H

2、编辑ppt表表1-1 1-1 机械端面密封的发展简史机械端面密封的发展简史年代历史事件PsV值水平/(MPam/s)发展的动力188519001908191919201930194019451957英国第一个端面密封的专利开始用于轴承密封汽轮机上出现几个端面密封出现单端面密封用于小型家用冷冻压缩机和 车水泵用于内燃机水泵在一定程度上解决轻烃泵密封出现平衡型和中间环高压高速机械密封美国Sealol公司第一个金属波纹管机械密封高温密封1.03.0414.730液压传动、蒸汽机和机床产生作为油封结构上单、双端面密封形成机械密封机械加工和材料方面的技术进步石油化工发展；石墨、陶瓷、硬质合金等新材料；密

3、封面粗糙度的改进，由Ra0.2m改为 Ra0.05m航空、石油化工等工业要求 （400以上）H编辑ppt续表续表1-1-2 2 机械端面密封的发展简史机械端面密封的发展简史年代历史事件PsV值水平/(MPam/s)发展的动力19601963-19691974197719851990年以后出现热流体动力楔机械密封流体流体静压密封、流体动压密封及工业上应用出现新的密封面材料碳化硅和 优质不同浸渍碳石墨出现各种密封的组合机械密封 和螺旋槽干运转气体密封工业应用密封面变形协调和材料合适配 对工艺流体的零泄漏和零逸出密封技术迅速发展非接触(表面改形技术)机械 密封发展167267353500700100

4、0原子能工业要求；结构上出现 流体静压、流体动压和热流体动压密封(动力楔和动压垫效应)宇航和核电特殊要求；结构上 出现多级密封；材料有碳化硅和优质碳石墨由于宇航和核电需要，出现螺 定机械密封、浮环机械密封和螺旋槽密封用于高PV值热水泵密封，环境保护、长寿命和安全生产要求 API610、API682、STLE SP-30等新标准用激光加工、表面改形技术、计算机技术和密封设计理论发展H编辑ppt机械密封水平和发展趋势机械密封水平和发展趋势H编辑pptv机械密封的目前水平：机械密封的目前水平： 单级压力：10-3Pa35MPa； 使用温度：最高达1000；最低可达低温深冷； 机器转速：高达50000

5、rmin； PsV 值：达1000MPams。1.2 1.2 机械密封技术的发展机械密封技术的发展v按摩擦副端面的摩擦润滑状态分：v接触式机械密封接触式机械密封（包括液体润滑和气体润滑）；v非接触式机械密封非接触式机械密封（包括液膜润滑、气膜润滑和气液混膜润滑等）。v接触式密封接触式密封：减少泄漏、降低磨损、提高可靠性和稳定性、延长使用寿命。v非接触式密封非接触式密封：实现无泄漏（液相零泄漏和汽相零逸出）无污染功能、提高流体膜刚度和工作稳定性、延长使用寿命。H编辑ppt1.3 1.3 炼油化工行业机械密封产品或密封系统的要求炼油化工行业机械密封产品或密封系统的要求v密封性和安全性密封性和安全性

6、：实现密封介质的低微泄漏甚至无泄漏（包：实现密封介质的低微泄漏甚至无泄漏（包括液相零泄漏和汽相零逸出），实现环保功能。括液相零泄漏和汽相零逸出），实现环保功能。v可靠性可靠性：使用寿命长、稳定性高、抗干扰能力强。：使用寿命长、稳定性高、抗干扰能力强。v经济性经济性：成本低、能耗和运行费用少、使用维修方便：成本低、能耗和运行费用少、使用维修方便性性价比高。价比高。v适用性适用性：能满足机泵具体的工艺条件要求和现场能提供的实：能满足机泵具体的工艺条件要求和现场能提供的实际条件。际条件。H编辑ppt2 .2 .机械密封的基本结构、作用原理机械密封的基本结构、作用原理2.1 2.1 机械密封的基本结构

7、、作用原理机械密封的基本结构、作用原理v机械密封是一种依靠弹性元件对静、动环端面密封副的预紧和介质压力与弹性元件压力的压紧而达到密封的轴向端面密封装置，故又称端面密封。v机械密封的基本构成：机械密封的基本构成：v端面密封副（静环1和动环2）；v弹性元件（如弹簧4）；v辅助密封（如O型圈8、9和10）；v传动件（如传动销3和传动螺钉6）；v防转件（如防转销11）和紧固件（如弹簧座5、推环13、压盖12、紧定螺钉6与轴套14）。H编辑pptH编辑pptH编辑pptH编辑ppt单弹簧旋转式机械密封结构示意图及泄漏点单弹簧旋转式机械密封结构示意图及泄漏点H编辑pptH编辑ppt机械密封基本组成和作用机

8、械密封基本组成和作用 1）动环和静环 是机封组成的核心，也是研究的重点。 端面密封性能在很大程度上标志着机封的技术水平，因为其它泄漏渠道的密封（为静密封）是较容易解决的。 2）弹性元件（弹簧、波纹管、隔膜等） 为主要零件的缓冲补偿机构，是机封保证密封可靠性的重要条件。 预紧作用：使动静环端面保持贴合； 减振作用：轴的振动如果不加缓冲地直接传递到密封端面上，那么密封端面就不能始终保持贴和而使泄漏量增加； 缓冲补偿作用：若给摩擦副施加过大的轴向载荷而导致密封端面严重磨损，若无缓冲补偿机构，势必会造成端面的间隙越来越大，泄漏量增加。故机封都采用弹性元件和辅助密封圈建立缓冲补偿机构，以缓冲振动、磨损给

9、端面带来的不良影响。 H编辑ppt 3）辅助密封圈（O形、V形、楔形环等异形密封圈） 是解决密封端面以外的微动密封问题中所不可缺少的组成部分，同时也起到浮动和缓冲的作用。 材料要耐热、耐寒并与介质有相容性（橡胶、石棉、膨胀石墨等）。 4）传动件（传动销、传动环、传动座、传动套、传动键、传动凸耳或牙嵌联合器） 将轴的转距传递给动环的作用。 材料耐蚀、耐磨。 5）固紧件（紧定螺钉、弹簧座、压盖、组装套、轴套） 起到静、动环的定位、固紧和盛装的作用。 定位准确，保证摩擦副密封面处于正确的位置，并且保持良好的弹簧比压； 拆装方便，容易定位，能重复使用，与辅助密封配合应注意有安装密封环的倒角和环的压弹量

10、。H编辑pptv五个泄漏渠道五个泄漏渠道： 、静环与动环的端面之间：旋转动密封， 主要泄漏通道；、静环与密封压盖之间：静密封；、动环与旋转轴（轴套）之间：往复密封；、密封压盖与壳体之间：静密封；、轴套与轴之间：静密封；H编辑ppt2.2 2.2 机械密封的基本型式机械密封的基本型式 机械密封的基本型式有：机械密封的基本型式有： a)内装式b)外装式c)内流式d)外流式e)旋转式 f)静止式 g)非平衡式 h)平衡式i)单弹簧式 图2-2 机械密封的基本型式返回H编辑pptj)多弹簧式 k)双端面 (背靠背)l)双端面 （面对面）m)多端面 （中间环） n)径向双端面 o)多级（两级） p)波纹

11、管密封 图2-2 机械密封的基本型式（续）返回H编辑ppt 1 1）接触式、非接触式和半接触式机封）接触式、非接触式和半接触式机封v普通机封大都是接触式机封(h2m，对流体静压密封h5m。v接触式机封的摩擦状态为混合摩擦和边界摩擦，而非接触式机封的摩擦状态为流体摩擦、弹性流体动压润滑。 H编辑ppt 2 2）内装式和外装式机封）内装式和外装式机封v弹簧和动环安装在密封箱内与介质接触的密封为内装式密封（图2-2a）；弹簧和动环在密封箱外不与介质接触的密封为外装式密封（图2-2b）。前者可以利用密封箱内介质压力来密封使用工作条件广泛；后者用于高粘度和易结晶的介质，工作压力较低的场合。 3 3）内流

12、式和外流式机封）内流式和外流式机封v介质泄漏方向与离心力方向相反的密封为内流式密封；介质泄漏方向与离心力方向一致的密封为外流式密封。由于内流式密封中离心力阻止泄漏流体，其泄漏量较外流式为少；前者用于高压，而后者最高压力 12MPa。（图2-2c及图2-2d）。H编辑ppt4 4）弹簧静止式和旋转式机封）弹簧静止式和旋转式机封 弹簧不随轴一起旋转的密封为静止式密封（图2-2e）；弹簧随轴一起旋转的密封为旋转式密封（图2-2f）。由于静止式密封的弹簧不受离心力影响，常用于高速机封中而旋转式机封不适用于高速（V2030m/s）机封。5 5）平衡型和非平衡型机封）平衡型和非平衡型机封（图23） 介质作

13、用于单位密封面上的轴向压紧力小于密封室内介质压力的密封为部分平衡型密封（图2-2g）；介质作用于密封面上的轴向压紧力大于或等于密封室内介质压力的密封为非平衡型机封（图2-2h）。前者密封端面上所受的作用力随介质压力的升高而变化较小，故适用于高压密封；后者密封端面所受的作用力随介质压力的变化较大，故适用于低压密封。还有介质对密封面无轴向压紧力或介质对密封面为推开力的密封为完全平衡型或过平衡型密封。该密封属于非接触式中的流体静压密封。H编辑ppt 6 6）单弹簧式和多弹簧式机械密封）单弹簧式和多弹簧式机械密封 只有一个集中大弹簧的机械密封为大弹簧型密封（图2-2i）；沿圆周点布许多弹簧的密封为多弹

14、簧式机械密封（图2-2j）。前者用于小直径（80150mm轴径）低速密封；后者用于大轴径、高速密封。但在腐蚀介质和有固体颗粒介质的场合下，小弹簧结构因易腐蚀和堵塞而失效。H编辑ppt7 7）单端面、双端面及多端面密封）单端面、双端面及多端面密封 只有一对摩擦副的密封为单端面密封（图2-2aj）；由两对摩擦副在密封箱内组成的密封为双端面密封（图2-2k、l）；由两个以上端面组成的密封为多端面密封（图2-2m）。 单端面密封结构简单，是最常用的密封型式。因特殊需要或单端面密封不能满足要求时则采用多端面密封。 双端面密封有轴向双端面密封和径向双端面密封（图2-2n）。沿径向布置的双端面密封结构较轴向

15、双端面密封紧凑。轴向双端面密封有背对背或面对面布置的结构（图2-2k、l）。此外，还有串联布置的双密封（图2-2o）。 中间环密封属于多端面密封，旋转的中间环密封，用于高速下低PV值。不转的中间环密封用于高温和高压下减少力变形和热变形。 此外，还有推环（弹簧加载推环）式机械密封（图2-2ao）和波纹管密封（图2-2p）。 下面给出几种典型的密封结构型式:H编辑ppt图22（1） 内装内流多弹簧旋转接触式机械密封 H编辑ppt图22（2） 内装内流多弹簧静止接触集装式机械密封 H编辑ppt集装式机械密封与普通机械密封的优缺点集装式机械密封与普通机械密封的优缺点 类别项目类别项目普通机械密封普通机

16、械密封集装式机械密封集装式机械密封产品结构一般合理安装方式产品为各分散的零部件，到现场进行安装产品在密封制造厂完全集装为一个整体对安装人员要求高低安装时间长短密封可靠性低高安装成功率低（容易碰伤精密研磨抛光的密封端面）高安装速度慢快试验要求装配泵后进行试验在生产厂进行试验H集装片集装片集装片集装片H编辑ppt图22（3） 内装内流多弹簧旋转接触集装式机械密封 H编辑ppt图22（4）外装外流多弹簧旋转接触式机械密封 H编辑ppt图22（5）双端面波纹管接触集装式机械密封 H编辑ppt图22（6） 内装内流双端面单弹簧接触式机械密封 H编辑ppt图22（7） 内装内流单端面单弹簧集装接触式机械密

17、封 H编辑ppt图22（8）内装内流双端面多弹簧集装非接触式干气密封 H编辑ppt图22（9） 内装内流多端面（串联）多弹簧非接触式干气密封 H编辑ppt图22（10） 剖分式机械密封 H编辑ppt3.3.机械密封的优点机械密封的优点v密封性密封性泄漏量可以限制到很少泄漏量可以限制到很少 只要主密封面的表面粗糙度和平直度能保证达到要求，只要材料耐磨性好，机械密封可以达到很少泄漏量，甚至肉眼看不见泄漏。v可靠性可靠性寿命长寿命长 在机械密封中，主要磨损部分是密封摩擦副端面，因为密封端面的磨损量在正常工作条件下不大，一般可以连续使用12年，个别场合下也有用到510年。v稳定性稳定性运转中无需调整运

18、转中无需调整 由于机械密封靠弹簧力和流体压力使摩擦副贴合，在运转中自动保持接触，装配后就不用像普通软填料那样需调整压紧。 H编辑pptv耐振性耐振性优于径向密封优于径向密封 一般在转速n=3000r/min下最大振幅不超过0.05mm。v适用性适用性使用使用p ps sV V值不断提高值不断提高 机械密封可以采用平衡式密封、流体静压型密封、流体动压密封或多级组合式密封，使psV值达到较高值，现已可达到1000（MPams），并在不断提高。 H编辑ppt机械密封与填料密封对比机械密封与填料密封对比类别项目机械密封填料密封泄漏量小大工作寿命长短摩擦功率小大抗偏摆能力好差调整情况自动补偿不需要调整需

19、经常调整对轴的磨损对轴基本不产生摩损对轴的磨损大产品结构复杂简单安装要求高*低现场维修困难*容易产品成本高低运行成本低高* *集装式机械密封对安装要求不高，现场维修也比较容易集装式机械密封对安装要求不高，现场维修也比较容易H编辑ppt4 .4 .接触式机械密封存在的问题接触式机械密封存在的问题 v随着现代工业生产的发展，机械密封的工作环境越来越严苛，对密封的要求越来越高。v目前，国内外炼油化工行业旋转式机泵（以离心泵为主）基本上采用接触式机械密封，由于密封端面之间存在直接的固体摩擦磨损，导致由于密封端面之间存在直接的固体摩擦磨损，导致密封因端面摩擦温升过高、过度磨损等原因早期失效密封因端面摩擦

20、温升过高、过度磨损等原因早期失效。v在密封环境较为恶劣的条件下，如密封易汽化类、高危险性、高腐蚀密封易汽化类、高危险性、高腐蚀性、高含固体颗粒介质、高性、高含固体颗粒介质、高PVPV值工作等值工作等条件下，存在大量的液相泄漏和气相逸出而污染环境，密封可靠性和稳定性大大降低，失效概率明显增大，难以满足长周期运行、无污染、低能耗等现代化工业生产的客观要求。H编辑ppt密封介质易产生泄漏，造成物质损失和环境污染。密封介质易产生泄漏，造成物质损失和环境污染。v密封原理：密封原理：在被密封流体与外界存在压力差的前提下，通过维持一定的端面接触压力，来尽可能减小密封摩擦副端面之间的轴向间隙以降低被密封流体的

21、泄漏（下图）。v特点：特点：难以实现被密封流体的零泄漏，更不可能实现其零逸出。随着现代环保要求的不断提高，普通接触式机械密封的应用将受到越来越多的限制。 密封端面存在摩擦磨损、使用寿命短。密封端面存在摩擦磨损、使用寿命短。v密封摩擦副之间存在着直接的固体摩擦磨损，积累的结果必然是密封的使用寿命是有限的。v一般地，普通接触式机械密封的使用寿命不超过一年，而对一些润滑性差的密封流体或含一定量固体颗粒的密封流体，密封的使用寿命只有数月甚至数天。 H编辑ppt高压侧p1低压侧p2pepspmprFfrFcped bd 1d 2图图 机械密封端面基本力学分析机械密封端面基本力学分析力学分析：力学分析：密

22、封环带面积 A; 弹簧比压ps; 密封流体有效作用面积Ae; 密封流体作用比压pe;载荷系数K;平均流体膜压力pm; 反压系数；闭合力Fc;端面比压pc。H编辑ppt密封工作状态不稳定，失效概率大增。密封工作状态不稳定，失效概率大增。v密封端面之间的摩擦温升对密封摩擦副的工作状态有很大的影响，有可能使端面液膜发生汽化端面液膜发生汽化（即相变，尤其对易汽化类介质如高温油泵、热水泵、轻烃泵等），由单相润滑变为汽液混相润滑，使密封摩擦副处于不稳定的工作状态（产生“鸣叫”、“汽喷”现象等，失效的概率大大增加。H编辑pptH编辑ppt保压、降温作用保压、降温作用H编辑pptH编辑ppt密封件产生热变形、

23、热裂、热涨而失效。密封件产生热变形、热裂、热涨而失效。v密封端面之间的急剧温升还会导致端面温升过高，产生较大热变形，摩擦磨损严重和不均；使密封材料的机械性能降低，容易使密封环（主要指硬环）产生热裂、辅助密封圈产生热涨等而使密封早期失效。v机械密封失效记录中有相当比例是由于密封端面温升过高造成的。 H编辑ppt动环力热变形云图动环力热变形云图H编辑ppt机械密封端面热裂纹机械密封端面热裂纹H编辑pptH编辑pptH编辑ppt密封适应变工况能力差。密封适应变工况能力差。v当流体机械处于变工况(变压力、变转速、频繁开停等）下，密封的始终处于不稳定的运行状态磨合状态磨合状态，极易出现早期失效。改变介质

24、性能，影响产品质量。改变介质性能，影响产品质量。v密封摩擦副端面之间直接的固体摩擦磨损，必然产生一定量的固体磨粒，对工艺产品造成不同程度的污染，直接影响产品质量及其市场竞争力。v随着对产品尤其是深加工食品、生物医药制品、精细化工产品深加工食品、生物医药制品、精细化工产品等质量要求的日益苛刻，普通接触式机械密封的使用范围将不同程度的受到影响。 H编辑ppt运行费用高、经济效益低。运行费用高、经济效益低。v为改善工作环境，常对密封采用冷却、冲洗等措施，消耗大量冷却油的同时，降低泵容积效率和工艺装置的生产效率。采用冷却手段往往是用水对密封进行直接冷却并自然排放，浪费了大量的水资源并增加了污水处理的负

25、担。v以齐鲁石化胜利炼油厂为例，具体表现在以下方面：v该厂南区小焦化泵512封油专用泵流量12.515吨/小时，大焦化泵610封油专用泵流量12吨/小时，催化利用泵201出口冷却作催化常减压封油流量15吨/小时。这几套装置每小时注入封油量40吨左右。每天注入泵内蜡油量为40吨24=960吨。v其中，每天近50吨蜡油注入了重油渣油系统，按重油与蜡油差价1000元/吨计算，每天经济损失为501000=5万元。一年损失为5万元360=0.18亿元。v另外，50多吨蜡油以低温状态进入塔内再循环，其由低温90升至300需要热能约和1000千克标油。v用蜡油作封油需将其温度由300降至90，每天产生热量损

26、失合计1500千克标油。H编辑pptH编辑pptH编辑ppt热虹吸系统：需提热虹吸系统：需提供稳定的冷却水供稳定的冷却水需采用需采用Plan21自自冲洗系统，消耗冲洗系统，消耗大量冷却油大量冷却油H编辑ppt辅助系统复杂、可靠性差。辅助系统复杂、可靠性差。v对双端面机械密封需有阻塞流体循环、控制系统，大大增加了密封装置的一次性投入成本，对离心压缩机用双端面机械密封，封油循环、控制系统的费用约占整个机组投资的2040%。另外，封油循环、控制系统使密封的运行费用成倍增加，其运行的可靠性直接影响着密封工作的稳定性和可靠性。 使用范围窄。使用范围窄。v接触式机械密封不适用作高压、高速、高高压、高速、高

27、PVPV值值工况下旋转机械类轴封，对于密封高危险性、高含固体颗粒的工艺流体，其密封的可靠性及耐久性等方面也不尽人意。 H编辑ppt5. 机械密封技术的发展趋势v随着现代工业的迅速发展，机械密封的使用环境正在发生深刻的变化，对其工况要求更加苛刻，操作条件正向高速、高压、高温、高速、高压、高温、低温、高真空、大尺寸、微尺寸低温、高真空、大尺寸、微尺寸方向发展。v以石油化工为例，石化用机泵的发展方向是大型化、高速化、机大型化、高速化、机电一体化，泵产品成套化、标准化、系列化和通用化电一体化，泵产品成套化、标准化、系列化和通用化，多品种、性能广、寿命长及可靠性高；使机泵用密封向大型化和专业化方向发展，

28、特别是适用高压、高速透平，高温、低温和超低温泵，高压、高速透平，高温、低温和超低温泵，高速泵，耐腐蚀泵，输送粘稠介质和带固体颗粒介质泵高速泵，耐腐蚀泵，输送粘稠介质和带固体颗粒介质泵的密封技术和产品发展很快。v电力、冶金等行业设备正向着大型化、高度自动化、智能化、节大型化、高度自动化、智能化、节能和绿色环保能和绿色环保的方向发展，对于高温、高压密封高温、高压密封要求越来越高。比如发电设备，压力要求能承受2728MPa，耐热温度要求达到600，这都需要密封等设备能够耐高温高压。H编辑ppt(1)(1)密封理论、技术和产品不断创新密封理论、技术和产品不断创新 v新技术、新概念、新结构、新材料、新工

29、艺（结构是先导，材料是结构是先导，材料是基础，工艺是保证基础，工艺是保证）和新标准不断涌现； 高参数(如高压、高速、高温、大直径)； 高性能(如干运转、零泄漏、无油润滑、密封浆液、高含固体颗粒)； 高可靠性和高水平(如非接触运行、高PV值、大型剖分式、状态监控)密封产品大量研制。v重点重点：密封失效机理(如疱疤、热裂、空化-汽蚀、橡胶密封圈泡胀和老化、干气密封的悬滞现象)、失效分析(如可靠性和失效概率)、密封失效专家诊断系统、失效监控技术(如流体膜、摩擦状态和相态)的研究和应用。H编辑ppt(2)(2)密封设计由经验性设计向理论性专家系统设计转变密封设计由经验性设计向理论性专家系统设计转变v经

30、验性设计（经验性设计（P P或或PVPV值）：值）：机械密封传统的设计方法是根据经验性知识，确立密封的几何参数和弹簧压力，依此计算出端面接触压力Pc、线速度V、摩擦功耗、摩擦热、冲洗液量，并确定相应的辅助系统；计算机辅助设计主要局限于密封零部件的绘制。v理论性专家系统设计（理论性专家系统设计（P-V-T-h-tP-V-T-h-t）：先进的理论性专家系统设计则是以计算机为工具，根据具体的工艺条件，采用完善的专业数据库和专业软件，对密封进行性能分析、动态仿真、结构优化、参数化设计，尽可能在设计阶段使密封的使用性能达到最优，实现设计的合理准确和快捷高效，满足密封的专业化和规模化生产的需要。H编辑ppt(3)(3)密封使用范围不