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文档简介
1、2022-3-2812022-3-282一、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2022-3-283(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:由弹性元件(圆柱弹簧、圆锥弹簧、波片
2、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2022-3-284 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,而构成的防止流体泄漏的装置。 2022-3-2853、原理 通过一
3、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
4、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.2022-3-286 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。 2022-3-2871、 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2022-3-288(六)旋转式
5、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) 2022-3-289(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,静环端面背向工作腔。 (用于低压、腐蚀性强的场合用于低压、腐蚀性强的场合) 2022-3-2810(一般和内装式、外装式一致) (1)内流式:内流式:泄
6、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 均匀)不宜用于高转速的场合不宜用于高转速的场合。 2022-3-2811(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
7、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 2022-3-2812 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、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
8、、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。 2022-3-2813v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。 2022-3-2814v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。
9、 2022-3-2815v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。2022-3-2816 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202
10、2-3-2817(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 静环和轴(轴套)间隙13mm以免摩擦 2022-3-2818(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
11、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: 2022-3-2819v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.
12、02022-3-2820()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。 2022-3-2821 平面度0.0009,普通量具无法检测,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
13、有用同一光源发出的光设法分成两束,才 满足相干条件) 2022-3-2822 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。 2022-3-2823(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,
14、/20.3m)2022-3-2824()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 2022-3-2825(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:钠光灯(=0.589m) 2022-3-2826 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
15、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。 2022-3-2827非补偿动环(只旋转,不能补偿,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。
16、2022-3-2828 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。 2022-3-2829 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 2022-3-2830 各个部位性能均匀一致,最常用的有:石墨、SiC、钴基硬质合金、镍基硬质合金、NiCr基硬质合金、陶瓷等。2022-3-2831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) 2022-3-2832优点:结构简单,性能优异,价格较
17、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。 2022-3-2833=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;2022-3-2834(2)由上式,当使用温度为300C时,对 YG6/1Cr18Ni9Ti,过盈量为:= Dp
18、(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,否则要核算过 盈量。 2022-3-2835(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; 2022-3-2836 把轴或轴套的运动方式(旋转)
19、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)(4)并圈弹簧传动(弹簧旋向必须和轴旋向一致)2022-3-2837(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2022-3-2838(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) 2022-3-2839螺旋压缩弹簧锥形弹
20、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) 2022-3-2840橡胶波纹管:用于中性介质:水、油,压力、温度都不高 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)。 2022-3-2841(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
21、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/D0.80.9)。例:AM350 热失效:真空炉850C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。2022-3-2842(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
22、:2.14106(26.7C)、1.59106(649C)、17-7PH: 2.0106(21.1C)、Ti: 1.31106(196C)、1.14106(23.9C)、 0.70106(538C)。 2022-3-2843t:波片厚度mmn:波数d1/d2:管子内外径mmB: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)。 2022-3-2844(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:2022-3-2845 在d2处,端面间液膜压力等于P介。在d1处,端面间
23、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。 2022-3-2846 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
24、布成凹抛物线状3。 2022-3-2847Fm =P介 S (液膜比压Pm=P介):膜压系数0.5(中粘度),=0.650.75(低粘度),=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)/42022-3-2848 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。 2022-3-2849 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
25、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。 2022-3-2850(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
26、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。 2022-3-2851 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。 2022-3-2852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2022-3-2853P=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)P2022-3-2854端面比压的选取原则:(1)必须高于弹簧比压;(
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