机械端面密封技术

1、机械端面密封技术机械端面密封技术检维修钳工专业检维修钳工专业钳工二班钳工二班: : 葛广新葛广新1 1 机械端面密封的发展进程及方向机械端面密封的发展进程及方向1.11.1发展进程发展进程 自1885年问世以来，机械密封就随着工业技术和产业的不断发展而进步，其发展进程可用表41下来说明。表4-1 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

2、衡型和中间环高压高速机械密封美国西乐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）续表1-1 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

3、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1672673535007001000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 机械密封的目

4、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50000rmin；1.2 1.2 机械密封技术的发展方向机械密封技术的发展方向 机械密封发展到今天，按摩擦副端面的摩擦润滑状态分为：接触式机械密封（包括液体润滑和气体润滑）和非接触式机械密封（包括液膜润滑、气膜润滑和气液混膜润滑等）两大类。接触式密封：减少泄漏、降低磨损、提高可靠性和工作稳定性、延长使用寿命。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。2 2 机械密封的基本结构、作用原理和特点机械密封的基本结构、作用原理和特点

5、2.1 2.1 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，（图2-1）故又称端面密封。构成机械密封的基本元件有：端面密封副（静环1和动环2）、弹性元件（如弹簧4）、辅助密封（如O型圈8、9和10）、传动件（如传动销3和传动螺钉6）、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）。图4-1 典型机械密封示意图1-静环，2-动环3-传动销，4-弹簧，5-弹簧座，6-紧定螺钉，7-传动螺钉，8、9、10-O形环，11-防转销，12-压盖

6、，13-压环，14-轴套 、泄漏点返回 机械密封基本组成和作用：机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

7、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、磨损给端面带来的不良影响。 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。 要求：要求： 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

8、，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。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；2.2 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4-2 机械密封的基本型式返回j)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

9、o)多级（两级） p)波纹管密封 图4-2 机械密封的基本型式（续）返回 1）接触式、非接触式和半接触式机封 普通机封大都是接触式机封(h2m，对流体静压密封h5m。 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。 2）内装式和外装式机封 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4-2a）；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4-2b）。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）内流式和外流式机封 介质泄漏方向与离心力方向相反的密封为内流式密封；

10、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4-2c及图4-2d）。4）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4-2e）；弹簧随轴一起旋转的密封为旋转式密封（图4-2f）。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）平衡型和非平衡型机封（图43） 介质作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4-2g）；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

11、非平衡型机封（图4-2h）。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。 6）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4-2i）；沿圆周点布许多弹簧的密封为多弹簧式机械密封（图4-2j）。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。7）单端面、双端面及多端

12、面密封 只有一对摩擦副的密封为单端面密封（图4-2aj）；由两对摩擦副在密封箱内组成的密封为双端面密封（图4-2k、l）；由两个以上端面组成的密封为多端面密封（图4-2m）。 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4-2n）。沿径向布置的双端面密封结构较轴向双端面密封紧凑。轴向双端面密封有背对背或面对面布置的结构（图4-2k、l）。此外，还有串联布置的双密封（图4-2o）。 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。

13、此外，还有推环（弹簧加载推环）式机械密封（图4-2ao）和波纹管密封（图4-2p）。 下面给出几种典型的密封结构型式:图42（1） 内装内流多弹簧旋转接触式机械密封 图42（2） 内装内流多弹簧静止接触集装式机械密封 图42（3） 内装内流多弹簧旋转接触集装式机械密封 图42（4）外装外流多弹簧旋转接触式机械密封 图42（5）双端面波纹管接触集装式机械密封 图42（6） 内装内流双端面单弹簧接触式机械密封 图42（7） 内装内流单端面单弹簧集装接触式机械密封 图42（8） 内装内流单端面单弹簧集装接触式机械密封 图42（9）内装内流双端面多弹簧集装非接触式干气密封 图22（10） 内装内流多端

14、面（串联）多弹簧非接触式干气密封 图42（11） 剖分式机械密封 2.3 2.3 机械密封的优点机械密封的优点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。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。运转中无需调整 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。 耐振性优于径向密封 一般在转速n=3000r/min下最大振幅不超过0.05mm。使

15、用psV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。 2.4 2.4 普通接触式机械密封存在的问题普通接触式机械密封存在的问题 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。目前国内旋转式机泵（以离心泵为主）用机械密封基本上是普通的接触式机械密封，由于密封端面之间存在直接的固体摩擦磨损，导致密封因端面摩擦温升过高、过度磨损等原因早期失效；尤其在一些密封环境较为恶劣的条件下，如密封易汽化类、高危险性、高腐蚀性、高含固体颗粒介质以及高PV值工作条件下，存在大

16、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。存在的缺陷主要体现在：存在的缺陷主要体现在：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。接触式机械密封的密封原理是在被密封流体与外界存在压力差（一般是压力高于外界压力）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泄漏。因此，接触式机械密封是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

17、。 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。由于密封摩擦副之间存在着直接的固体摩擦磨损，磨损积累的结果必然是密封的使用寿命是有限的。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。 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。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（即相变，如轻烃泵等），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。密封件产生热变形、热裂、热涨而失效。密封件产生热变形、热裂、热涨而失效。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。机械密封工业失效记录中有相当比例是由于密封端面温升过高造成的。 机械密封端面热裂纹机械密封端面热裂纹密封适应变工况能力差。密封适应变工况能力差。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，极易出现早期失效。改变介质性能，影响产品质量。改变介质性能，影响产品质量。密封摩擦副