机械密封技术

2022/12/181一、机械密封原理（一）定义与组成（图1-1）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2022/12/182

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。

2022/12/1833、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.2022/12/184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。

（四）辅助设施2022/12/1851、

按使用条件分类（1）高速密封（ZBJ22-001-88：线速度25～100m/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（五）机械密封的种类2022/12/186（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）

2022/12/187（七）内装式和外装式机械密封（图1-3）（1）

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）（2）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）

2022/12/188（一般和内装式、外装式一致）

（1）内流式：泄漏方向朝向轴心。（一般密封都采用这种结构）（2）外流式：泄漏方向朝向离心力方向。（泄漏量大，只有在压力、温度都不高的腐蚀性介质中用）

（八）内流式和外流式机械密封（九）多弹簧和单弹簧机械密封（1）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。（2）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。

2022/12/189（1）平衡型：载荷系数K＜1.0（用于高压场合）（2）非平衡型：载荷系数K≥1.0（用于普通压力场合）

（十）平衡型和非平衡型机械密封

（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

2022/12/1810两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，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、润滑、冷却，选洁净、润滑性好的封液介质。

（十二）双端面机械密封（图1-4）2022/12/711两套套密密封封沿沿同同一一方方向向布布置置，，密密封封腔腔压压力力逐逐级级降降低低,用于于高高压压场场合合。。（十十三三））串串联联式式机机械械密密封封（图图1-5）2022/12/712去掉了了补偿偿环密密封圈圈及其其摩擦擦阻力力，补补偿环环密封封圈改改至弹弹簧座座处,补补偿偿环追追随性性提高高.避免了了补偿偿环密密封圈圈因轴轴串、、振动动所产产生的的磨损损。金属波波纹管管用于于高温温介质质聚四氟氟乙烯烯波纹纹管用用于腐腐蚀性性介质质。（十四四）波波纹管管机械械密封封2022/12/713将机械械密封封、轴轴套、、压盖盖组合合成一一个整整体。。安装时时只需需固定定压盖盖、轴轴套，，取下下定位位挡块块即可可。安装方方便，，排除除了安安装不不良的的影响响。（十五五）集集装式式机械械密封封（图1-6）2022/12/714二、机机械密密封的的基本本零件件（一））对摩摩擦副副密封封环的的要求求摩擦副副密封封环是是机械械密封封的主主要元元件，，它在在很大大程度度上决定定了机机械密密封的的性能能和寿寿命。。因此此，对对它有有一些些基本本要求。。（1）足够的的强度度和刚刚度保证在在工作作条件件（如如压力力，温温度，，滑动动速度度等））下不不损坏坏，变变形小小，工工作条条件波波动时时影响响小。。（2）端面有有足够够的硬硬度、、耐腐腐蚀性性能确确保使使用寿寿命。。（3））耐热冲冲击力力高的导导热系系数，，低的的线膨膨胀系系数。。（4））较小的的摩擦擦系数数，良良好的的自润润滑性性，材材料与与介质质有很很好的的浸润润性短短时间间干摩摩擦，，不损损伤端端面。。（5）易加工工，材材料成成本低低2022/12/715（1）一般选选择一一软一一硬的的材料料配对对，软软环作作窄环环，如YG6/M106K，只有介介质含含固体体颗粒粒、易易结晶晶、粘粘度高高时时才选选用硬硬对硬硬。（2）尽量采采用内内装、、内流流式结结构，，防止止机械械杂质质进入入密封封端端面，，减少少泄漏漏量。。（3）选导热热性良良好材材料作作动环环。以利散散热，，降低低端面面温度度。（4）环的壁壁厚不不可太太薄，，以保保证整整体强强度、、刚度度，也也利散散热热（导热热欠佳佳的材材料，，可薄薄一些些）。。（5）动环和和轴（（轴套套）间间隙A11（0·4~0·6）以利补补偿静环和和轴（（轴套套）间间隙1~3mm以免摩摩擦（二））摩擦擦副匹匹配要要考虑虑的因因素2022/12/716（1））主要要决定定窄环环（软软环））宽度度，宽宽环外外径——窄环环外径径≥0.5，，宽环环内径径≤窄窄环内内径－－0.5；；（2））泄漏漏量与与摩擦擦副端端面宽宽度关关系不不大（3））窄的的端面面摩擦擦热少少，温温度梯梯度小小，热热变形形小，，磨损损均匀匀；（4））从受受力角角度出出发，，窄的的端面面整体体强度度和刚刚度差差，易易损坏坏或变形形。因因此应应综合合考虑虑。对对于普普通密密封，，端面面宽度度推荐值如如下：：（三））密封端端面宽宽度2022/12/717宽系列列用于于组对对性能能好（（如YG6/M106K、SiC/M106K）、、工况况条件件好的的场合合窄系列列用于于组对对性能能欠佳佳（如如YG6/YG6、YG6/青铜））、饱饱和蒸蒸气压压高、、易挥挥发、、颗粒粒介质质，高高速机机械密密封，，（对对于轻轻烃介介质，，在强强度够够的情情况下下，取取窄系系列））。轴

径≤16≤35≤55≤70≤100≤120宽系列2.53.04.05.06.07.0中系列2.02.53.04.05.05.0窄系列1.52.02.02.53.03.02022/12/718（１））平面面度0.0009，硬质质Ｒａａ≤0.2，软软质ＲＲａ≤≤0.4，，表面不应应有裂裂纹、、划伤伤、气气孔、、疏松松等缺缺陷。。（２））密封封环端端面与与安装装辅助助密封封圈处处的平平行度度、垂垂直度度按ＧＢ１１１８８４－－８００的７７级精精度要要求。。（３））安装装辅助助密封封圈处处粗糙糙度：：Ｒａａ≤3.2，径径向尺尺寸公公差Ｈ８８或ｈｈ８。。上述要要求是是对普普通机机械密密封而而言，，对转转速较较低的的釜用用机械密密封可可适当当放宽宽标准准，对对高速速机封封要求求更高高。（四））密封封环的的主要要技术术要求求2022/12/719三、机机械密密封的的计算算（一）补偿偿环的受力力状况要进行端面面比压计算算，首先要要分析补偿偿环的受力力情况。如图，补偿偿环受到的的力有：2022/12/720（二）密封封端面中液液膜反力的的分布情况况在d2处，端面间间液膜压力力等于P介。在d1处，端面间间液膜压力力近似为零零。对于中中间分布情情况，各点点的压力分分布与介质质性质有关关，还与端端面中的相相态和摩擦擦状态有关关。对于丁烷等等(粘度小小、易汽化化介质)，，压力分布布成凸抛物物线状1。。对于水等(中等粘度度介质)，，压力分布布成直线性性2。对于润滑油油等(高粘粘度介质)，压力分分布成凹抛抛物线状3。2022/12/721在d2处，端面间间液膜压力力等于P介。在d1处，端面间间液膜压力力近似为零零。对于中中间分布情情况，人们们通过大量量试验发现现，各点的的压力分布布与介质性性质有关，，还与端面面中的相态态和摩擦状状态有关。。对于丁烷等等(粘度小小、易汽化化介质)，，压力分布布成凸抛物物线状1。。对于水等(中等粘度度介质)，，压力分布布成直线性性2。对于润滑油油等(高粘粘度介质)，压力分分布成凹抛抛物线状3。2022/12/722Fm=λP介S（液膜比压Pm=λP介）λ：膜压系数≈≈0.5（（中粘度）），=0.65～0.75（（低粘度）），=0.3～～0.4（（高粘度））。它是一个平平均值，表表示液膜压压力占介质质压力的比比例，并不表示压压力的分布布情况。该该公式为端端面比压的的计算提供了方便便。S：端面面积S=π（d22－d12）/4（三）液膜膜反力的计计算2022/12/723易汽化介质质（如液态态烃等）的的机械密封封一直是石石化行业中较难解解决的问题题，其原因因是膜压系系数不稳定定，因其在在端面中的相相态和摩擦擦状态不稳稳定。因此此弄清端面面间的压力力分布，对于于正确计算算液膜反力力很有必要要。（四）易汽汽化介质中中密封端面面间的液膜膜压力分布布2022/12/724大家都知道道，对于轻轻烃类介质质，端面缝缝隙中存在在气液两相。。rb为汽化化半径径，此此处液液膜压压力=P饱和（tp），tp处温度度最高高。r2～rb区域，，液膜膜压力力成线线性分分布，，液相相rb～r1区域，，液膜膜压力力成抛抛物线线分布布，气气相对于易易汽化化介质质膜压压系数数λ，中国石石油大大学顾顾永泉泉教授授提出出一个个计算算公式式：λ=2/3×/P1＋（1/2－1/6×Pf/P1）（r2～rb）/(r2－r1)式中：：Pf：rb处气化化压力力P1：介质压压力rb：气化半半径r2/r1：端面外外半径径/内内半径径计算值值一般般在0.70～0.85之间。。2022/12/725（1）端面面几何何尺寸寸，由由上面面公式式可以以看出出。（2）密封封结构构：前前面讲讲的都都是对对内流流式而而言的的，对对外流流式，，λ还要要增增大大0.2左左右右，，对对于于中中等等粘粘度度介介质质λ=0.7（3）摩擦擦状状态态：：边边界界摩摩擦擦（（端端面面多多个个高高点点直直接接接接触触承承压压。。液液膜膜厚厚度度只只有有几几个个分分子子厚厚，，且且不不连连续续，，几几乎乎不不承承压压，，只只起起润润滑滑作作用用，，λ=0）、、液体体摩摩擦擦（（全全液液膜膜，，泄泄漏漏量量大大，，机机械械密密封封一一般般不不采采用用））、、混混和和摩摩擦擦（（介介于于以以上上两两种种之之间间,这是机械械密封端端面摩擦擦的主要要形式））（4）端面缝缝隙情况况：渐开开形，λ减小；渐渐收形，，λ增大（5）其他因因素：转转速高，，对于内内流式λ减小，对对于外流流式λ增大。此此外端面面比压、、密封面面温度、、粗糙度度等都有有一定影影响。（五）膜膜压系数数的影响响因素2022/12/726Pt=F弹/SF弹可计算得得出，但但一般有有误差±±10%，这是由由于制造造厂、制造工艺艺、原材材料的化化学成分分、热处处理工艺艺等存在在差异的的缘故。一般Pt=0.15~0.2Mpa(内装)，0.3~0.6Mpa(外装)，反应釜釜中，转速低，，轴摆动动大，取取大值。。（六）弹弹簧比压压的计算算2022/12/727介质压力力对补偿偿环的有有效作用用A面积与端端面面积积S之比：K=A/S（七）载载荷系数数KK=（d22－d02）/（d22－d12）d0为介质分分界圆直直径当K≥1时，机械械密封为为非平衡衡型；当K＜1时，机械械密封为为平衡型型；平衡系数数β=100（1-K）%载荷比压压：P载=KP介2022/12/728P=Pt+P载－P液膜=Pt+（K-λ）P介（内装式式）对于双端端面机械械密封介介质侧：：P液膜膜=P外＋λ（（P内－P外）P载=KP内＋（（1－K）P外所以以：：P=Pt＋KP内＋（（1－K）P外－［［P外＋λ（（P内－P外）］=Pt＋（（K－λ）（P内－P外）=Pt＋（（K－λ）ΔP（八八））端端面面比比压压2022/12/729端面面比比压压的的选选取取原原则则：：（1）必必须须高高于于弹弹簧簧比比压压；；（2）必须大于于介质在端端面温度升升高时的饱饱和蒸汽压压；在保证以上上条件下，，尽量取小小值，以防防端面发热热，破坏液液膜，加剧剧磨损，功功率消耗增增大，密封封使用寿命命减短。同同时考虑以以下原则：：（1）对自润滑滑性好的组组对（M106K/SiC、YG6/SiC、M106K/YG6）可以取稍大大值(因液膜不易易被破坏，，摩擦系数数不易增加加。)。（2）对于外装装式机械密密封，可以以取稍小值值（因介质质比压很小小，而Pt不可能很大大。）。（3）对于高粘粘度介质，，取稍大值值（以保持持端面贴合合）。（4）易挥发介介质（饱和和蒸汽压高高）稍小值值（以减少少温升）。。2022/12/730推荐的的端面面比压压值因素程度内

装

式机械密封外

装

式机械密封饱和蒸汽压接近水比水低0.5~1.00.3~0.5比水高0.3~0.5———粘度比水高0.5~1.00.3~0.5比水低0.3~0.50.15~0.25摩擦副材料其中一个为塑料0.2~0.30.15~0.25匹配的硬/硬0.7~1.20.4~0.6匹配的硬/软0.5~1.00.3~0.52022/12/731端面比比压中中有一一项K，K=A/SA：介质有有效作作用面面积，，A