机械密封的基本零件与材料

机械密封

基础知识讲座2022/12/181序言

机械密封最早于1885年在英国发明并获得专利，首先获得应用是在20世纪20年代的冷冻机装置上，同时出现了研究和生产机械密封的专业公司（英国的Crane公司、德国的Pacific公司等）。我国在20世纪60年代才相继出现研究和生产机械密封的专业机构（天津克兰），目前已有四十年历史，在普通机械密封领域技术及产品日趋成熟，大部分地方已能替代进口产品，性能接近国外产品。目前国内具有规模的研究、生产厂家已有十余个，并在高参数密封及新技术方面取得一定突破。机械密封广泛用于石油、化工、冶金、煤炭、食品、医疗、电力、纺织、环保等诸多领域。机械密封具有性能好、使用寿命长、运转可靠等特点，是现代企业流体输送机械应用最广、最有前途的密封形式，对于减少环境污染、节约能源具有重大意义。

2022/12/182目录一、机械密封原理二、机械密封的基本零件三、机械密封的计算四、机械密封用材料2022/12/183（一）定义（二）组成（三）密封机理（四）辅助设施（五）机械密封的种类（六）旋转式和静止式机械密封（七）内装式和外装式机械密封（八）内流式和外流式机械密封（九）多弹簧和单弹簧机械密封（十）平衡型和非平衡型机械密封

一、机械密封原理2022/12/184（十一）补偿机构形式（十二）双端面机械密封（十三）串联式机械密封（十四）波纹管机械密封（十五）集装式机械密封2022/12/185（一）对摩擦副密封环的要求（二）摩擦副匹配要考虑的因素（三）密封端面宽度（四）密封环的主要技术要求（五）摩擦副端面平面度检测（六）密封端面的粗糙度要求（七）动环（旋转环）（八）静环（不旋转）（九）密封环的种类（十）整体式密封环二、机械密封的基本零件2022/12/186（十一）组合式（十二）热装式密封环（十三）热装式密封环的过盈值选择（十四）辅助密封圈（十五）传动机构的作用（十六）静环防转方式（十七）机械密封的弹性元件（十八）波纹管种类（十九）焊接金属波纹管密封2022/12/187（一）补偿环的受力状况（二）密封端面中液膜反力的分布情况（三）液膜反力的计算（四）易汽化介质中密封端面间的液膜压力分布（五）膜压系数的影响因素（六）弹簧比压的计算（七）载荷系数K（八）端面比压（九）波纹管的有效作用直径de（十）PV值三、机械密封的计算2022/12/188（一）摩擦副材料要求（二）制造摩擦副的常用材料（三）碳石墨（四）硬质合金WC（五）SiC陶瓷（六）Al2O3陶瓷及其它陶瓷介绍（七）表面堆焊硬质合金（八）作摩擦副的金属材料（九）填充聚四氟乙烯（十）辅助密封圈材料要求四、机械密封用材料2022/12/189（十一）合成橡胶（十二）柔性石墨（也称膨胀石墨）（十三）弹性元件材料（十四）机械密封中基体材料2022/12/1810一、机械密密封原理（一）定义义（图1-1）2022/12/711机械密封是是一种用于于旋转流体体机械的轴轴封装置。。（用于离心泵、、离心机、、反应釜、、压缩机等等设备，轴轴和设备腔腔体间存在一一个圆周间间隙，设备备介质从中中泄漏，因因此必须设设一道阻漏装装置。因机机械密封具具有泄漏少少、寿命长长等优点，，成为了主要要的轴密封封方式，又叫端面密密封。）在国家有关关标准中的的定义：由由至少一对对垂直于旋旋转轴线的端面组组成,在流体压力力及补偿机机构弹力(或磁力)共同作用下，以及辅助密密封圈的配配合下，该对端面保保持贴合并并相对滑动，而而构成的防防止流体泄泄漏的装置置。2022/12/7121、密封端面：：动环、静静环────摩擦副2、缓冲补偿机机构：由弹弹性元件（（圆柱弹簧簧、圆锥弹弹簧、波片弹簧、、波纹管等等）构成。。（使贴合合）3、辅辅助密封圈圈：包括动动环密封圈圈、静环密密封圈等，，有各种形式：如如O型圈、V型圈、楔形形圈等（二）组成成2022/12/7131、4个密封点（（亦称4个泄漏点，，如图1-1）泄漏点1─摩擦端面面泄漏点，，依靠弹力力和介质压压力保持贴贴和；（（动密封点点,两个摩擦副副之间有相相对转动））泄漏点2─补偿环环密封圈，，依靠密封封圈的过盈盈量实现密密封；（（静静密封点，，密封圈与与轴或轴套套之间有微微动）泄漏点3─非补偿环环密封圈，，依靠密封封圈的过盈盈量实现密密封；（（静密密封点，密密封圈与相相配合件之之间相对静静止）泄漏点4─压盖与腔腔体间的密密封圈，依依靠密封圈圈的过盈量量实现密密封封；（静密密封点，密密封圈与相相配合件之之间相对静静止止））（三）密封封机理2022/12/7143、原理通过一系列列零件将径径向密封转转化为轴向向密封，在在弹簧和介质压压力共同作作用下，对对由于设备备运行所造造成的轴向磨损可以以及时补偿偿，使轴向向密封面始始终保持贴贴合。由于机械密密封（轴轴向密封封）在运运行中可可以对轴轴向磨损损进行补偿，而而填料密密封（径径向密封封）不能能对径向向磨损进进行补偿，故机机械密封封比填料料密封寿寿命长。。2、传动关系系轴或轴套套────紧固螺钉钉5──弹簧簧座4──弹簧3─补偿环环1压盖───防转销8─非补偿偿环62022/12/715通过冲洗洗、冷却却、过滤滤、分离离等方式式进行冷冷却和润滑，，从而改改善密封封的工作作环境，，减少密密封的泄泄漏量，延延长使用用寿命。。应当把把它看作作机械密密封的组组成部分。。（四）辅辅助设施施2022/12/7161、按使用条件件分类（1）高速密封封（ZBJ22-001-88：线速度25～100m/s）和普通密封封（2）高压和低低压密封（3）高温、常常温和低温温密封（4）泵用、釜釜用和压缩缩机用密封封（5）耐腐蚀、、抗颗粒机机械密封2、通常按结构构分类多弹簧、单单弹簧密封封旋转式、静静止式密封封外装式、内内装式密封封外流式、内内流式密封封（五）机械械密封的种种类2022/12/717（1）旋转式：：补偿机构构（弹性元元件）随轴轴旋转。（由于安装装方便，普普通密封大大多采用，，但易产生生不平衡，而且且消耗搅拌拌功率，所所以不能用用于高速））（2）静止式：：补偿机构构（弹性元元件）不随随轴旋转。。（用于高速速）（六）旋转转式和静止止式机械密密封（图1-2）2022/12/7182022/12/719（七）内装装式和外装装式机械密密封（图1-3）2022/12/720（1）内装式：静静环装在压压盖内侧，，静环端面面面向工作作腔。（用于温度度、压力较较高，腐蚀蚀性不强的的场合）（2）外外装式：：静环装在在压盖外侧侧，静环端端面背向工工作腔。（用于低压压、腐蚀性性强的场合合）2022/12/721（一般和内内装式、外外装式一致致）（1）内流流式：泄漏漏方向朝向向轴心。（（一般密封封都采用这这种结构）（2）外流流式：泄漏漏方向朝向向离心力方方向。（泄泄漏量大，，只有在压力力、温度都都不高的腐腐蚀性介质质中用）（八）内流流式和外流流式机械密密封2022/12/722（1）多弹弹簧：：（又又叫小小弹簧簧，轴轴向尺尺寸小小，轴轴向弹弹力均均匀）宜宜用于于高速速，不不宜用用于腐腐蚀性性介质质。（2）单弹弹簧：：（又又叫大大弹簧簧，轴轴向尺尺寸大大，轴轴向弹弹力不不均匀））不宜宜用于于高转转速的的场合合。（九））多弹弹簧和和单弹弹簧机机械密密封2022/12/723（1））平衡衡型：：载荷荷系数数K＜1.0（用于高高压场场合））（2））非平平衡型型：载载荷系系数K≥1.0（用于普普通压压力场场合））（十））平衡衡型和和非平平衡型型机械械密封封2022/12/724（1））磁力力：系系统压压力较较低时时用（2））波片片弹簧簧、锥锥形弹弹簧、、螺旋旋圆柱柱大弹弹簧、、小弹弹簧（3））橡胶胶波纹纹管、、聚四四氟乙乙烯波波纹管管、金金属波波纹管管（十一一）补补偿机机构形形式2022/12/725两套套密密封封面面对对面面或或背背对对背背安安装装在在一一起起。。用于于工工作作介介质质有有毒毒、、易易燃燃、、易易爆爆、、易易挥挥发发、、易易结结晶晶、、高高温温、、低低温温，，或或气气体体、、高高真真空空度度等等场场合合。。两套套密密封封之之间间形形成成一一个个密密封封腔腔，，在在密密封封腔腔中中引引入入封封液液：：堵堵封封、、润润滑滑、、冷冷却却，，选选洁洁净净、、润润滑滑性性好好的的封封液液介介质质。。（十十二二））双双端端面面机机械械密密封封（图图1-4）2022/12/726两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用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）2022/12/727去掉掉了了补补偿偿环环密密封封圈圈及及其其摩摩擦擦阻阻力力，，补补偿偿环环密密封封圈圈改改至弹弹簧簧座座处处，，补补偿偿环环追追随随性性提提高高，，而而且且避避免免了了补补偿偿环环密密封封圈因因轴轴串串、、振振动动所所产产生生的的磨磨损损。。金属属波波纹纹管管用用于于高高温温介介质质，，聚聚四四氟氟乙乙烯烯波波纹纹管管用用于于腐腐蚀性性介介质质。。（十十四四））波波纹纹管管机机械械密密封封2022/12/728将机机械械密密封封、、轴轴套套、、压压盖盖组组合合成成一一个个整整体体。。安安装装时时只只需需固固定定压压盖盖、、轴轴套套，，取取下下定定位位挡挡块块即即可可。。安安装装方方便便，，排排除除了了安安装装不不良良的的影影响响。。（（一一般般挡挡块块厚厚度度为为弹弹簧簧压压缩缩量量，，从从外外部部易易于于观观测测））（十十五五））集集装装式式机机械械密密封封（图图1-6）2022/12/729二、、机机械械密密封封的的基基本本零零件件（一一））对对摩摩擦擦副副密密封封环环的的要要求求摩擦擦副副密密封封环环是是机机械械密密封封的的主主要要元元件件，，它它在在很很大大程程度度上决决定定了了机机械械密密封封的的性性能能和和寿寿命命。。因因此此，，对对它它有有一一些些基基本本要求求。。（1）足足够够的的强强度度和和刚刚度度保证在工工作条件件（如压压力，温温度，滑滑动速度度等）下下不损坏，变形形小，工工作条件件波动时时影响小小。（2）端面有有足够的的硬度、、耐腐蚀蚀性能确确保使用用寿命。。2022/12/730（3）耐热冲冲击力高的导热热系数，，低的线线膨胀系系数。（4）较小的的摩擦系系数，良良好的自自润滑性性，材料料与介质质有很好的浸浸润性短短时间干干摩擦，，不损伤伤端面。。（5）易加工工，材料料成本低低2022/12/731（1）一般选选择一软软一硬的的材料配配对，软软环作窄窄环，如如YG6/M106K，只有介质质含固体体颗粒、、易结晶晶、粘度度高时时才选用用硬对硬硬。（2）尽量采采用内装装、内流流式结构构，防止止机械杂杂质进入入密封端面，减减少泄漏漏量。（3）选导热热性良好好材料作作动环。。以利散热热，降低低端面温温度。（4）环的壁壁厚不可可太薄，，以保证证整体强强度、刚刚度，也也利散热（导热热欠佳的的材料，，可薄一一些）。。（5）动环和和轴（轴轴套）间间隙A11（0·4~0·6）以利补偿偿静环和轴轴（轴套套）间隙隙1~3mm以免摩擦擦（二）摩摩擦副匹匹配要考考虑的因因素2022/12/732（1）主要决决定窄环环（软环环）宽度度，宽环环外径——窄环外外径≥0.5，宽环内径≤窄环内径径－0.5；（2）泄漏量量与摩擦擦副端面面宽度关关系不大大（3）窄的端端面摩擦擦热少，，温度梯梯度小，，热变形形小，磨磨损均匀匀；（4）从受力力角度出出发，窄窄的端面面整体强强度和刚刚度差，，易损坏坏或变形。。因此应应综合考考虑。对对于普通通密封，，端面宽宽度推荐值如下下：（三）密封端面面宽度2022/12/733宽系列用用于组对对性能好好（如YG6/M106K、SiC/M106K）、工况条件件好的场场合窄系列用用于组对对性能欠欠佳（如如YG6/YG6、YG6/青铜）、、饱和蒸气气压高、、易挥发发、颗粒粒介质，，高速机机械密封封，（对对于轻烃介介质，在在强度够够的情况况下，取取窄系列列）。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1.52.02.02.53.03.02022/12/734（１）平平面度0.0009，硬质ＲＲａ≤0.2，，软质ＲＲａ≤0.4，，表面不应有有裂纹、、划伤、、气孔、、疏松等等缺陷。。（２）密密封环端端面与安安装辅助助密封圈圈处的平平行度、、垂直度度按ＧＢ１１１８４－－８０的的７级精精度要求求。（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2022/12/735平面度度0.0009，普通通量具具无法法检测测，通通常利利用光光波的的干涉效应应来检检测。。（1）光波波的干干涉效效应根据波波动学学原理理，两两波产产生干干涉的的条件件是：：（a）两波在在相遇遇点振振向一一致；（b）两波具具有相相同的的频率率；（c）两波在在相遇遇点有有固定定的周周相差差。（两两个同同样的的钠光光灯不行，，只有有用同同一光光源发发出的的光设设法分分成两两束，，才满足相相干条条件））（五））摩擦擦副端端面平平面度度检测测2022/12/736满足相相干条条件的的两束束光的的叠加加效果果是：：在波波程差差为波波长整数倍倍的地地方，，光强强度加加强；；在波波程差差为半半个波波长的的奇数数倍的地方方，光光强度度减至至零（（变暗暗）。。这就就是光光的干干涉原原理。。2022/12/737（2）平面面度检检测原原理设入射射角i=0，e为气膜膜厚度度（即即是被被检测测面上上点到到平晶的距距离）），λ为光波波波长长，δ为光的的波程程差，，那么么δ=2e＋＋λ/2当δ=kλ时，被检测测面上上点变变暗；；δ=(2k＋1)λλ/2，被检测测面上上点变变亮；（其其中k=0,1,2,3,4,…，k为整数数）由以上上公式式可以以得出出下面面结论论：（ⅰ））相邻邻两条条光带带所对对应两两点的的气膜膜厚度度差（（高度度差））为λ/2，（（对于钠钠光灯灯λ=0.589µm，λλ/2≈0.3µm）2022/12/738（ⅱ））相邻两两条光光带宽宽b=λλ/2Sinθθ，（（θ为空气气膜倾倾斜角角）（ⅲ））当e=0时，δ=λλ/2（半波损损失）），出出现暗暗条纹纹；（1））合格格光带带举例例2022/12/739（2））平平面面度度检检测测器器（（图图2-3））平晶晶：：由由派派利利克克斯斯玻玻璃璃、、熔熔凝凝水水晶晶或或折折射射系系数数为为1.516的光光学学玻玻璃璃制制造造。。表表面面平平面面度度0.1µµm(2级)，0.03µµm(1级)。光源源:钠钠光光灯灯(λ=0.589µµm)2022/12/740密封封端端面面承承载载能能力力与与表表面面粗粗糙糙度度有有很很大大关关系系，，大大约约有有如下下关关系系：：（六）密封封端端面面的的粗粗糙糙度度要要求求精车磨加工研磨抛光粗糙度3.20.80.40.2承载面积（%）4124095端面比压增加（倍）247.31.50.052022/12/741由此可以以看出，，密封端端面粗糙糙度应在在0.2以上，否否则，端面比压压比理论论值高的的多，结结果是高高点接触触，局部部压力很很高；由于于摩擦副副的硬度度、刚度度的差异异，局部部高点发发热甚至至产生裂纹纹。石墨墨环表面面磨出细细微的环环状沟纹纹。泵的的振动和和动、静环环的不同同心会加加剧这种种磨损。。被磨掉掉的颗粒粒存在于于端面中，，形成磨磨粒磨损损，磨损损加剧，，有时在在泄漏的的介质中中可以看到到石墨黑黑浆。2022/12/742非补偿动环环（只旋转，不不能补偿，，其后无弹弹性元件。。)补偿动环（既旋转，又又作轴向补补偿，其后后有弹性元元件。)（ⅰ）辅助助密封圈受受轴向力，，轴向、径径向都起密密封作用，，这种密封方式式较为可靠靠。（ⅱ）辅助助密封圈只只受径向力力，易产生生老化、冷冷流变形，，从而导致密封封失效。（ⅲ）波纹管：无无作轴向补补偿的辅助助密封圈，，因此，浮浮动性好，密封封圈不易失失效。（七）动环环（旋转环环）2022/12/743非补偿静环环（不旋转转不补偿））：主要有有三种安装装方式：浮装式、托托装式、夹夹固式。补偿静环（（不旋转只只补偿）：：其辅助密密封圈情况况和补偿动环基本本一致。（八）静环环(不旋转)2022/12/744整体式（用同一种材材料制造）、组合式（（如镶嵌））、表面堆焊、、表面喷涂涂（九）密封封环的种类类2022/12/745（十）整体体式密封环环各个部位性性能均匀一一致，最常常用的有：：石墨、SiC、钴基硬质合金金、镍基硬硬质合金、、NiCr基硬质合金金、陶瓷等等。2022/12/746整体环价格格高，加工工困难，因因此出现组组合式密封封环。组合式包括括：（ⅰ）热装装式（ⅱ）带密密封圈式（（无组合应应力、无应应力变形；；开槽、打打孔麻烦，多多一泄漏点点）（十一）组组合式2022/12/747优点：结构构简单，性性能优异，，价格较低低，运用较较多。缺点：（ⅰⅰ）因过盈盈接触不均均匀，而产产生机械变变形。（ⅱ）两种种材料线膨膨胀系数不不一致，当当温度变化化时，过盈量量变化，会会产生应力力变形。（十二）热热装式密封封环2022/12/748Δδ=δ－－Dp（α1－α2）ΔT式中Δδ：工作温度时时的过盈量量δ：常温过盈量量Dp：镶嵌直径α1：座线胀系数数α2：环的线胀系系数ΔT=工作温度－－常温（20。C）（YG6：：4.5××10－61/。C1Cr18Ni9Ti：16.6××10－61/。C3Cr13：11.5×10－61/。C）（1）在满足传递递扭矩的情情况下，取取最小过盈盈值；（十三）热热装式密封封环的过盈盈值选择2022/12/749（2）由上式，，当使用温温度为300°C时，对YG6/1Cr18Ni9Ti，过盈量为：：δ=Dp（16.6－4.5）×10－6×（300－20））=3.4×10－3Dp（以便记忆））（3）长期期放置的镶镶嵌环，使使用前要检检查平面度度；（4）对大大直径、高高转速(环环座产生离离心力)、、弹性模量量小的材质(4J42、钛合金)，，过盈量可可相应大一一些。（5）高温温200°°C以上少用热热装式结构构，否则要要核算过盈量。2022/12/750（1）材料要求求（ⅰ）在工工作温度下下耐介质腐腐蚀（ⅱ）足够够的弹性（ⅲ）有一一定强度(柔性石墨因因强度差，，使用场合合受到限制制)（ⅳ）耐磨磨（ⅴ）易加加工、价格格低（2）种类（ⅰ）按材材料分：合合成橡胶、、聚四氟乙乙烯、柔性性石墨等；；（ⅱ）按截截面形状分分：矩形、、V形、楔形、、包四氟形形等；（十四）辅辅助密封圈圈2022/12/751把轴或轴套套的运动方方式(旋转)传递给动环环，一般是是通过键、紧定螺螺钉、传动动螺钉、销销、R槽、拨叉、、弹簧、波波纹管等的组合来来传递运动动。（1）紧定螺钉钉（顶丝））传动：在在轴表面划划凹坑，否否则易打滑失效，特特别当直径径较大和温温度较高时时。（2）键＋台阶阶传动（3）拨叉传动动（一边开开槽一边伸伸爪）（4）并圈弹簧簧传动（弹弹簧旋向必必须和轴旋旋向一致））（十五）传传动机构的的作用2022/12/752（5）销钉传动动（6）凸耳传动动（7）勾圈弹簧簧传动（8）波纹管传传动（9）螺帽固定定2022/12/753（1）浮装式（（可以在轴轴向、径向向设计防转转销）（2）托装式(一般小扭矩矩可不用销销，要注意意端面垂直直度)（3）夹固式(浮动性差，，注意端面面垂直度)（4）防抽空(前加卡环)（十六）静环防转方方式2022/12/754螺旋压缩弹弹簧锥形弹簧：：轴向尺寸寸较小碟形弹簧：：轴向尺寸寸小波片弹簧：：轴向尺寸寸小并圈弹簧、、带勾弹簧簧：双功能能(弹力、传动动)波纹管：三三功能(弹力、传动动、密封)（十七）机械密封的的弹性元件件2022/12/755橡胶波波纹管管：用用于中中性介介质：：水、、油，，压力力、温温度都都不高高的场合合；聚四氟氟乙烯烯波纹纹管：：用于于腐蚀蚀性介介质，，酸、、碱；；金属波波纹管管：用用于高高温、、高速速(追随性性好)。(十八)波纹管管种类类2022/12/756（1））制造采用厚厚度为为0.1-0.2mm的沉淀淀硬化化不锈锈钢薄薄带(AM350、0Cr17Ni17Ti、0Cr15Ni17Mo2Al、INCONEL-X-750及Ti合金、、HasterlloyC-276等)冲压成成截面面为S形的片片状环环形件件，再再焊接接成型型(用微束束等离离子焊焊)。沉淀硬硬化不不锈钢钢焊接接后须须经热热时效效处理理，将将奥氏氏体转转变为为马氏氏体，，并使使马氏氏体中中析出出金属属化合合物，，沉淀淀出硬硬化相相，从从而获获得高高强度度、较较高的的塑性性及屈屈强比比（σS/σD＞0.8~0.9）。例：AM350热失效效：真真空炉炉850°C进行淬淬火处处理，，再进进行－－80°C的低温温处理理(制冷剂剂F12)，以达到到增加加弹性性、稳稳定尺尺寸的的目的的。（十九）焊接金金属波波纹管管密封封2022/12/757（2）特点点焊接金金属波波纹管管密封封不用用会产产生较较小滑滑移的的辅助助密封封圈，，使用用温度度范围围广：：－200~600°C。高速下下对轴轴的振振动、、振摆摆适应应性强强，追追随性性好。。（3）弹率率(即刚度度N/mm)k=ππEt3（d1＋d2）/2nB3·d2/d1E：工作温温度下下弹性性模量量（N/mm2）：AM350：1.75×10－6(315.6°C)、INCONEL：2.14×10－6(26.7°C)、1.59×10－6(649°C)、17-7PH：2.0×10－6(21.1°C)、Ti：1.31×10－6(－196°C)、1.14×10－6(23.9°C)、0.70×106(538°C)。2022/12/758t：波片厚厚度mmn：波数d1/d2：管子内内外径径mmB：波纹管片片宽（d2－d1）/2公式中未未考虑波波片断面面形状，，具有一一定误差差，实际际生产中用用弹簧测测力计测测弹率。。2022/12/759三、机械械密封的的计算（一）补补偿环的的受力状状况要进行端端面比压压计算，，首先要要分析补补偿环的的受力情情况。如图，补补偿环受受到的力力有：2022/12/760向左的：：弹簧力力Ft、介质压力力所产生生的作用用力Fp向右的：：液膜反反力Fm、静环作用用的端面面支承力力F；摩擦力R，很小可以以忽略；；以上四力力平衡，，有F=Ft＋Fp－Fm端面比压压P=F/S（S为端面面面积）上面各项项力的计计算方法法在后面面章节再再加以叙叙述。2022/12/761（二）密封封端面中液液膜反力的的分布情况况2022/12/762在d2处，端面间间液膜压力力等于P介。在d1处，端面间间液膜压力近似似为零。对对于中间分分布情况，，人们通过过大量试验验发现，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状状态有关。。对于丁烷等等(粘度小、易易汽化介质质)，压力分布布成凸抛物物线状1。对于水等(中等粘度介介质)，压力分布布成直线性性2。对于润滑油油等(高粘度介质质)，压力分布布成凹抛物物线状3。2022/12/763Fm=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2022/12/764易汽汽化化介介质质（（如如液液态态烃烃等等））的的机机械械密密封封一一直直是是石石化化行行业中中较较难难解解决决的的问问题题，，其其原原因因是是膜膜压压系系数数不不稳稳定定，，因因其其在在端面面中中的的相相态态和和摩摩擦擦状状态态不不稳稳定定。。因因此此弄弄清清端端面面间间的的压压力力分布布，，对对于于正正确确计计算算液液膜膜反反力力很很有有必必要要。。（四四））易易汽汽化化介介质质中中密密封封端端面面间间的的液液膜膜压压力力分分布布2022/12/765大家家都都知知道道，，对对于于轻轻烃烃类类介介质质，，端端面面缝缝隙隙中中存存在在气气液液两相相。。rb为汽汽化化半半径径，，此此处处液液膜膜压压力力=P饱和和（tp），，tp处温温度度最最高高。。r2～rb区域域，，液液膜膜压压力力成成线线性性分分布布，，液液相相rb～r1区域域，，液液膜膜压压力力成成抛抛物物线线分分布布，，气气相相对于于易易汽汽化化介介质质膜膜压压系系数数λ，中国国石石油油大大学学顾顾永永泉泉教教授授提提出出一一个个计计算算公公式式：：λ=2/3××/P1＋（（1/2－－1/6××Pf/P1）（（r2～rb）/(r2－r1)式中中：：Pf：rb处气气化化压压力力P1：介质质压压力力rb：气化化半半径径r2/r1：端面面外外半半径径/内内半半径径计算算值值一一般般在在0.70～0.85之间间。。2022/12/766（1）端端面面几几何何尺尺寸寸，，由由上上面面公公式式可可以以看看出出。。（2）密密封封结结构构：：前前面面讲讲的的都都是是对对内内流流式式而而言言的的，，对对外外流流式式，，λ还要增增大0.2左右右，对对于中中等粘粘度介介质λ=0.7（3）摩擦状状态：：边界界摩擦擦（端端面多多个高高点直直接接接触承承压。。液膜膜厚度度只有有几个个分子子厚，，且不不连续续，几几乎不不承压压，只只起润润滑作作用，，λ=0）、液体摩摩擦（（全液液膜，，泄漏漏量大大，机机械密密封一一般不不采用用）、、混和和摩擦擦（介介于以以上两两种之之间,这是机机械密密封端端面摩摩擦的的主要要形式式）（4）端面面缝隙隙情况况：渐渐开形形，λ减小；；渐收收形，，λ增大（5）其他他因素素：转转速高高，对对于内内流式式λ减小，，对于于外流流式λ增大。。此外外端面面比压压、密密封面面温度度、粗粗糙度度等都都有一一定影影响。。（五））膜压压系数数的影影响因因素2022/12/767Pt=F弹/SF弹可计算算得出出，但但一般般有误误差±±10%，这是是由于于制造造厂、、制造工工艺、、原材材料的的化学学成分分、热热处理理工艺艺等存存在差差异的的缘故。。一般Pt=0.15~0.2Mpa(内装)，0.3~0.6Mpa(外装)，反应应釜中中，转速低低，轴轴摆动动大，，取大大值。。（六））弹簧簧比压压的计计算2022/12/768介质压压力对对补偿偿环的的有效效作用用A面积与与端面面面积积S之比。。K=A/S（七））载荷荷系数数K2022/12/769K=（d22－d02）/（d22－d12）d0为介质质分界界圆直直径当K≥1时，机机械密密封为为非平平衡型型；当K＜1时，机机械密密封为为平衡衡型；；平衡系系数β=100（1-K）%载荷比比压：：P载=KP介2022/12/770P=Pt+P载－P液膜=Pt+（K-λλ）P介（内装装式））对于双双端面面机械械密封封介质质侧：：P液膜=P外＋λ（P内－P外）P载=KP内＋（1－K）P外所以：：P=Pt＋KP内＋（1－K）P外－［P外＋λ（P内－P外）］=Pt＋KP内＋P外－KP外－P外－λ（P内－P外）=Pt＋K（P内－P外）－λ（P内－P外）=Pt＋（K－λ）（P内－P外）=Pt＋（K－λ）ΔP（八））端面面比压压2022/12/771端面比比压的的选取取原则则：（1）必须须高于于弹簧簧比压压；（2）必须须大于于介质质在端端面温温度升升高时时的饱饱和蒸蒸汽压压；在保证证以上上条件件下，，尽量量取小小值，，以防防端面面发热热，破破坏液液膜，，加剧剧磨损损，功功率消消耗增增大，，密封封使用用寿命命减短短。同同时考考虑以以下原原则：：（1）对自自润滑滑性好好的组组对（（M106K/SiC、YG6/SiC、M106K/YG6）可以取取稍大大值(因液膜膜不易易被破破坏，，摩擦擦系数数不易易增加加。)。（2）对于于外装装式机机械密密封，，可以以取稍稍小值值（因因介质质比压压很小小，而Pt不可能能很大大。））。（3）对于于高粘粘度介介质，，取稍稍大值值（以以保持持端面面贴合合）。。（4）易易挥挥发发介介质质（（饱饱和和蒸蒸汽汽压压高高））稍稍小小值值（（以以减减少少温温升升））。。2022/12/772推荐荐的的端端面面比比压压值值因素程度内

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0.5~1.00.3~0.52022/12/773端面面比比压压中中有有一一项项K，K=A/SA：介质质有有效效作作用用面面积积，，A=ππ（d22－de2）/4，de为有有效效直直径径。。S：密封封端端面面面面积积S=ππ（d22－d12）/4（九九））波波纹纹管管的的有有效效作作用用直直径径de2022/12/774（1）金金属属波波纹纹管管内装装内内流流式式：：deo=（di＋do）/2－Z外装装外外流流式式：：dei=（di＋do）/2＋Z修正正系系数数Z=0.671P介0.797（2）聚聚四四氟氟乙乙烯烯波波纹纹管管矩形形波波：：de=［（（di2＋do2）/2］1/2锯齿齿波波：：de=［（（di2＋do2＋dido）/3］1/2橡胶胶波波纹纹管管de无法法准准确确计计算算，，一一般般由由试试验验获获得得。。2022/12/775密封封端端面面的的摩摩擦擦热热同同时时取取决决于于压压力力和和速速度度。。密密封封端端面面的性性质质要要考考虑虑P、V的乘乘积积，，即即PV值。。PV值过过大大：：液液膜膜气气化化，，密密封封失失效效，，端端面面严严重重磨磨损损。。因因此对对一一定定摩摩擦擦系系数数的的端端面面材材料料组组对对，，对对某某种种介介质质有有一一许许用用PV值。。P：端面面比比压压V=ππ（d1＋d2）n/120×10－3PV＜［［PV］（十十））PV值2022/12/776各种种组组对对在在非非平平衡衡型型机机械械密密封封中中的的许许用用［［PV］值SiC/石墨SiC/SiCWC/石墨WC/WCWC/填充PTFEWC/青铜Al2O3/石墨Cr2O3喷涂/石墨Stellite/石墨18014.57~154.4523~7.5153~92022/12/777四、机械密密封用材料料（一）摩擦擦副材料要要求摩擦副是机机械密封的的主要零件件，其性能能好坏在很很大程度上上决定密封封性能，因因此对材料料有一定的的要求：（1）耐蚀性：：有良好的的化学稳定定性，能抵抵抗介质的的腐蚀、磨磨蚀、溶解解和溶胀。。（2）物理机械械性能：较较高的弹性性模量（E=σ（应力）/ε（应变），刚刚度=力/变形）、强度及及许用［PV］值，低的摩摩擦系数和和线膨胀系系数，优良良的耐磨性性、自润滑滑性以及良良好的不渗渗透性等。。（3）热力性能能：很好的的导热性、、耐热性、、耐寒性和和耐温度的的急变性。。（4）材料来源源方便，易易加工，成成本低廉。。2022/12/778硬质合金工程陶瓷（（Al2O3陶瓷、Al2O3金属陶瓷、、Si3N4陶瓷、铬钢钢玉陶瓷、碳化化硼陶瓷、、喷涂陶瓷瓷、SiC、可切削微晶晶玻璃）碳石墨填充聚四氟氟乙烯金属材料：：铸铁类及及铜合金也也有铬钢淬淬火材料下面分别予予以讨论。。（二）制造造摩擦副的的常用材料料2022/12/7791、特特点点（1）具具有有较较高高导导热热性性，，(碳导导热热系系数数为为20~40W/m·k，石墨墨为为40~128W/m·k，)是非非金金属属中中导导热热最最好好的的材材料料，，仅仅次次于于银、、铜铜、、铝铝，，比比Hasterlloy好。。（2）具具有有低低的的线线膨膨胀胀系系数数（（2~6×10－6/℃）），，是是金金属属的的1/2~1/4。（3）具具有有良良好好的的耐耐腐腐蚀蚀性性，，在在空空气气中中400℃以以下下稳稳定定，，除除强氧氧化化性性介介质质（（如如王王水水、、铬铬酸酸、、浓浓硫硫酸酸及及卤卤族族元元素素））外，，可可耐耐其其它它酸酸、、碱碱、、盐盐及及一一切切有有机机化化合合物物的的腐腐蚀蚀，，其耐耐蚀蚀程程度度随随石石墨墨的的种种类类和和浸浸渍渍剂剂的的不不同同而而异异。。（三三））碳碳石石墨墨2022/12/780（4）具具有有极极好好的的自自润润滑滑性性和和低低的的摩摩檫檫系系数数，，那那是是因因为为石石墨墨和其其它它材材料料组组对对时时，，石石墨墨转转移移到到其其它它材材料料表表面面，，形形成成石墨墨和和石石墨墨相相对对摩摩檫檫。。石石墨墨和和金金属属摩摩檫檫系系数数为为0.04~0.05，在在全全液液润润滑滑条条件件下下，，f=0.008~0.01。因此此它它的组组对对性性能能好好。。（5）石石墨墨的的抗抗拉拉强强度度较较低低，，抗抗压压强强度度较较高高，，属属脆脆性性材材料料。。由于于硬硬度度较较低低，，被被广广泛泛用用作作软软环环，，易易于于加加工工。。缺点点是是气气孔孔率率大大，，一一般般在在18%～～22%。。实实际际应应用用石石墨墨都都必须须是是浸浸渍渍过过的的，，以以堵堵塞塞气气孔孔，，提提高高密密封封性性。。2022/12/7812、、石石墨墨的的种种类类石墨墨是是采采用用焦焦炭炭粉粉和和石石墨墨粉粉，，用用沥沥青青作作粘粘结结剂剂，，模模压压成成型，，置置于于高高温温中中焙焙烧烧而而成成。。根根据据所所用用原原料料和和烧烧结结温温度度与与时时间间的不不同同，，可可以以制制成成不不同同物物理理机机械械性性能能的的石石墨墨。。一一种种为为碳碳素素石石墨，，用用M1表示示，，一一种种是是电电化化石石墨墨，，用用M2表示示（（材材料料组组分分不不一样样，，M2还需需2400~2800℃高高温温石石墨墨化化处处理理））。。还还有有一一种种是是树脂脂碳碳石石墨墨：：烧烧结结石石墨墨粉粉碎碎后后，，用用树树脂脂作作粘粘结结剂剂，，混混和和后后压压制烧烧结结而而成成（（M3）。。M1：质硬硬而而脆脆，，导导热热系系数数低低，，加加工工困困难难。。M2：质软软，，强强度度低低，，自自润润滑滑性性好好。。M3：［［PV］值不不高高，，价价格格便便宜宜，，石石化化行行业业较较少少采采用用。。2022/12/7823、石石墨墨浸浸渍渍剂剂种种类类一般般浸浸渍渍后后，，成成为为不不透透气气制制品品，，对对导导热热性性无无明明显显影影响响，，但强强度度、、硬硬度度有有很很大大提提高高。。常常用用浸浸渍渍剂剂有有：：环环氧氧树树脂脂（（H）、、呋喃喃树树脂脂（（K）、、酚醛醛树树脂脂（（F）、、巴氏氏合合金金（（B）、、铝合合金金（L）、、铜合合金金（（P）、、锑合合金金（（D）、、银合合金金（（G）。。F：耐酸酸性性好好H：耐碱碱性性好好K：酸碱碱都都耐耐＜＜200℃浸金金属属：：耐高高温温2022/12/7831、金属碳化化物WC熔点非常常高，要要制成产产品，用用普通的的冶炼方方法行不不通。通通常把它它制成粉粉末，混混以熔点点较低的的金属（（Co、Ni等），压压制成型型，高温温烧结，，较低熔熔点金属属熔化，，将WC粘结成一一个整体体，制成成硬质合合金。2、硬质合金金具有以以下优良良性能：：（1）硬度高高HRA87～94（洛氏硬度度），耐耐磨粒磨磨损，是是悬浮颗颗粒介质质的理想想摩擦副副。附：布氏硬度HB、洛氏硬度HRA(软)、HRB(中)、HRC(硬)、维氏硬度HV比较

HRCHRAHRBHBHV2060.299216230（20～65）

70～83.6（60～100）

99～137105～237检测硬度由大到小

（四）硬硬质合金金WC2022/12/784（2）抗弯强强度高1400～2000N/mm2。（3）导热系数数高，线线膨胀系系数小(5×10－6/℃左右)，耐高温＞600℃。（4）摩擦系系数低，，组对性性能好。。（5）较好的的耐腐蚀蚀性，牌牌号不同同，耐腐腐蚀性不不同。3、种类（1）Co基硬质合合金：YG6、YG8、YG15，后面数字字为Co的百分含量量，Co多，硬度度略下降降。Co易氧化，，不宜用用于酸等等腐蚀性介介质，但但在一般般温度H2SO4.、沸点以下下NaOH中可用。。2022/12/785（2）耐蚀硬硬质合金金：WC—Ni：WYN8(8%CrNi)，强度为WC-Co的70-80%，硬度小0.5~1HRA。WC-Ni-Cr：W7(9%CrNi)，强度、硬硬度与WC-Co相当。（3）钢结硬硬质合金金TiC——合金钢：：GT35、R5、R8，耐HNO3、H2SO4、氨水，不耐强碱碱、HCl、FeCl3液。烧结成形后后可进行机机械加工，，然后再进进行热处理理，可制作复杂零件件，硬度稍稍差(HRC＜60~65)，比重小，自自润滑性好好。2022/12/786SiC是一种新型型陶瓷，由由于高密度度成形技术术的发展，，80年代开始，，国外纷纷纷用它作高高PV值的组对材材料，是到到目前为止发发现的最好好的摩擦副副材料，具具备各种优优良性能。。重量轻，为为WC的1／5，比强度高高，摩擦系系数小，硬硬度略高于硬质合合金，HRA90~94，抗辐射性好好，具有一一定的自润滑性，组组对性好，，化学稳定定性、耐热热性、热传传导性都很优异。在在500℃以下，几几乎耐所有有的酸和碱碱，除振动动冲击大，或有有颗粒介质质场合外，，几乎所有有的硬质合合金都可用它取代，，价格略比比WC便宜。缺点：脆性性材料，抗抗机械冲击击性稍差。。（五）SiC陶瓷2022/12/787由于制造工工艺不同，，性能略有有差异，目目前主要有有4种类型：1、反应烧结SiC（SiC＋Si组成的致密密烧结物））［（α-SiC粉＋石墨粉粉＋助熔剂剂）混和＋＋有机粘结结剂］压制制成型，放放入Si粉坩锅内，，在真空炉炉加热1600~1800℃，生成β-SiC。这种SiC由α-SiC、β-SiC、游离硅组成成，由于游游离Si和孔隙的存存在，它不不耐强碱和和氧化性介介质。优点：收缩缩率小，耐耐热冲击性性好，成本本低，适于于批量生产产。2、常压烧结结SiC采用超细SiC粉（粒度在在0.1~0.2μm），加适当的添添加剂、粘粘结剂压制制成型，然然后在2000~2200℃的温度下下烧结而成成。适用于于数量少，，规格品种种多的密封封环。致密密度高达97%以上。2022/12/7883、热压烧结结SiC粒度≤1μm的SiC粉，加上适适当的添加加剂，装入入石墨模具具内，在2000~2100℃的热压炉炉内加压（（30~50MPa）制成。这是是SiC中化学稳定定性最好的的一种。（（因为在氧氧化气氛下下，表面生生成了一种种SiO2保护膜，耐耐腐蚀性最最好。）质质密度高达达97%以上。4、气相渗透透SiC（又叫硅化石石墨）以石墨为基基体，按最最终产品形形状加工好好后，导入入Si源，采用化化学气相沉沉积法在1800~2200℃的高温下下反应生成成。，渗透透层厚度可可达1.5mm，成SiC表层，表层层还有10%的石墨，具具有气体不不渗透性，，C、Si之间无明显显的边界层层。这种SiC既具有碳石石墨优点，，又具有SiC特性，是一一种很有前前途的碳基基复合材料料。气相渗渗透SiC与常压烧结结SiC组对，可用用于高速场场合，即使使处于半干干摩擦工况况条件下也也不易产生生卡滞与擦擦伤。2022/12/7891、Al2O3分为99瓷（99%Al2O3、1%MgO，HRA85~90）和95瓷（94.5%Al2O3、2%SiO2、3%CaCO3、2%Cr2O3，HRA78~82）。具有很好的的耐蚀性，，可以经受受各种酸类类、碱类、、盐类和各各种有机溶溶剂及强氧氧化剂腐蚀蚀。硬度高高，仅次于于金刚石和和碳化硼，，耐磨性好好，机械强强度和普通通铸铁差不不多，材料料来源广泛泛，制造工工艺简单。。缺点：质脆脆，导热性性不好，耐耐热冲击性性差。（Al2O3/Al2O3组对不行，，有产生静静电的危险险。）这种种材料多用用于外装式式耐腐蚀性性机械密封封中。2、Al2O3金属陶瓷在Al2O3中添加少量量金属元素素Fe、Cr、Ni等，以提高高导热率，，降低脆性性，但硬度度和耐蚀性性有所下降降。主要用用于批量较较大的汽车车冷却水泵泵及潜水泵泵机械密封封上。（六）Al2O3陶瓷及其他他陶瓷介绍绍2022/12/7903、Si3N4耐蚀性很好好，Si3N4/石墨组对性性很好，而而与填充玻玻纤PTFE组对时Si3N4的磨损大。。（1）反映烧结结Si3N4素坯可以机机械加工，，能制成形形状复杂制制品，经二二次氮化后后尺寸变化化率小（±±0.1%），抗冲击击性好，耐耐腐蚀。强强度、硬度度是Si3N4中最低的，，（因内部部有10~15%封闭气孔））。较厚的的制品不易易烧结，有有时会有““流硅”现现象，仅适适合PV值不高的场场合。（2）热压压Si3N4是Si3N4中性能最佳佳的材料，，硬度高（（HRA91~92）），致密性好，，接近理论论密度3.2g/cm3，耐磨性、耐耐蚀性优良良。但成本本高，难以以制作形状状复杂零件件。2022/12/791（3）常压烧烧结Si3N4性能接近近热压Si3N4，成本高，，烧结时时收缩率率大15~20%，易引起起烧结变变形。（4）重烧结结Si3N4性能接近近热压Si3N4，制造工艺艺复杂，，成本较较反应烧烧结Si3N4高。4、铬刚玉