离心泵在炼油及化工厂中的应用(附录一) FINAL课件

离心泵在炼油化工厂中的应用附录杜道基附录下面的两份文件是从网上下载的，作为附录供学习参考。1)机械密封技术2)机械密封典型故障2023/3/272机械密封2023/3/273（一）定义与组成（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2023/3/275（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2023/3/276（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2023/3/277（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2023/3/279（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2023/3/2710（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2023/3/2711（十一）对冲洗流体的要求（十二）热油泵的冲洗液选择（十三）烷基化装置中浓硫酸的冲洗液的选择（十四）轻烃、轻油泵密封冲洗液的选择

（十五）机械密封的冷却方式

（十六）辅助设施在何种工况下必须选用2023/3/2713（一）密封性的影响因素（二）机械密封端面的摩擦状态（三）载荷系数对密封性能的影响（四）弹簧比压对密封性能的影响（五）端面粗糙度对密封性能的影响（六）端面间缝隙形状对密封性能的影响（七）产生端面不平行的原因（八）密封端面的机械变形（九）密封端面的热变形（十）影响机械密封性能的其它因素六、机械密封性能的影响因素2023/3/2714（一）石化行业高温泵（热油泵）密封分析（二）轻烃泵密封分析（三）低温泵密封分析（四）高速机械密封七、石化行业典型泵的密封2023/3/2715（一）摩擦痕迹大于端面宽度（二）摩擦痕迹小于端面宽度（三）硬环上无摩擦痕迹（四）石墨端面出现均匀的环状沟纹（五）石墨端面中间产生环状深沟（六）石墨内缘磨损（七）石墨环台阶过早全磨掉（八）石墨环外缘出现缺口（九）石墨环断裂（十）石墨环出现蚀坑九、机械密封故障分析2023/3/2717（十一）硬质合金表面灼伤和裂纹（十二）其它故障简介（十三）泵抽空密封失效现象（十四）密封腔中汽蚀，密封失效现象（十五）密封端面汽化的失效现象（十六）泵振动过大的失效现象（十七）没有冲洗的故障现象（十八）动环选材注意事项2023/3/2718（一）机械密封标准介绍（二）机械密封辅助系统（三）机械密封的安装（四）磁力密封介绍（五）高压机械密封研制十、补充内容2023/3/2719

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。

2023/3/27213、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.2023/3/2722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2023/3/2723（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）

2023/3/2725（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）

2023/3/2726两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）2023/3/2729两套密封沿同一方向布置，密封腔压力逐级降低,用于高压场合。

（十三）串联式机械密封（图1-5）2023/3/2730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.避免了补偿环密封圈因轴串、振动所产生的磨损。金属波纹管用于高温介质聚四氟乙烯波纹管用于腐蚀性介质。（十四）波纹管机械密封2023/3/2731将机械密封、轴套、压盖组合成一个整体。安装时只需固定压盖、轴套，取下定位挡块即可。安装方便，排除了安装不良的影响。（十五）集装式机械密封（图1-6）2023/3/2732二、机械密封的基本零件（一）对摩擦副密封环的要求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2023/3/2733（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（0·4~0·6）以利补偿静环和轴（轴套）间隙1~3mm以免摩擦（二）摩擦副匹配要考虑的因素2023/3/2734（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：（三）

密封端面宽度2023/3/2735宽系列用于组对性能好（如YG6/M106K、SiC/M106K）、工况条件好的场合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

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1.52.02.02.53.03.02023/3/2736（１）平面度0.0009，硬质Ｒａ≤0.2，软质Ｒａ≤0.4，表面不应有裂纹、划伤、气孔、疏松等缺陷。（２）密封环端面与安装辅助密封圈处的平行度、垂直度按ＧＢ１１８４－８０的７级精度要求。（３）安装辅助密封圈处粗糙度：Ｒａ≤3.2，径向尺寸公差Ｈ８或ｈ８。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。

（四）密封环的主要技术要求2023/3/2737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，只有用同一光源发出的光设法分成两束，才满足相干条件）（五）摩擦副端面平面度检测2023/3/2738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。

2023/3/2739（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），λ为光波波长，δ为光的波程差，那么δ=2e＋λ/2当δ=kλ时，被检测面上点变暗；δ=(2k＋1)λ/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：

（ⅰ）相邻两条光带所对应两点的气膜厚度差（高度差）为λ/2，（对于钠光灯λ=0.589µm，λ/2≈0.3µm）2023/3/2740（ⅱ）相邻两条光带宽b=λ/2Sinθ，（θ为空气膜倾斜角）（ⅲ）当e=0时，δ=λ/2（半波损失），出现暗条纹；（1）合格光带举例2023/3/2741（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0.1µm(2级)，0.03µm(1级)。光源:钠光灯(λ=0.589µm)2023/3/2742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：

（六）密封端面的粗糙度要求粗糙度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。

2023/3/2743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。)（ⅰ）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。（ⅱ）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。（ⅲ）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。

（七）动环（旋转环）

2023/3/2744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。

（八）静环(不旋转)2023/3/2745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

（九）密封环的种类2023/3/2746（十）整体式密封环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。2023/3/2747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：（ⅰ）热装式（ⅱ）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）

（十一）组合式2023/3/2748优点：结构简单，性能优异，价格较低，运用较多。缺点：（ⅰ）因过盈接触不均匀，而产生机械变形。（ⅱ）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。

（十二）热装式密封环2023/3/2749Δδ=δ－Dp（α1－α2）ΔT式中Δδ：工作温度时的过盈量δ：常温过盈量

Dp：镶嵌直径

α1：座线胀系数α2：环的线胀系数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）在满足传递扭矩的情况下，取最小过盈值；（十三）热装式密封环的过盈值选择2023/3/2750（2）由上式，当使用温度为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200°C以上少用热装式结构，否则要核算过盈量。

2023/3/2751（1）材料要求（ⅰ）在工作温度下耐介质腐蚀（ⅱ）足够的弹性（ⅲ）有一定强度(柔性石墨因强度差，使用场合受到限制)（ⅳ）耐磨（ⅴ）易加工、价格低（2）种类（ⅰ）按材料分：合成橡胶、聚四氟乙烯、柔性石墨等；（ⅱ）按截面形状分：圆形、矩形、V形、楔形、包四氟形等；

（十四）辅助密封圈2023/3/2752把轴或轴套的运动方式(旋转)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）（十五）传动机构的作用2023/3/2753（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2023/3/2754（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)（十六）静环防转方式

2023/3/2755螺旋压缩弹簧锥形弹簧：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)（十七）机械密封的弹性元件2023/3/2756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)。

(十八)波纹管种类2023/3/2757（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、HasterlloyC-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（σS/σD＞0.8~0.9）。例：AM350热失效：真空炉850°C进行淬火处理，再进行－80°C的低温处理(制冷剂F12)，以达到增加弹性、稳定尺寸的目的。（十九）焊接金属波纹管密封2023/3/2758（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：－200~600°C。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=πEt3（d1＋d2）/2nB3·d2/d1

E：工作温度下弹性模量（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)。

2023/3/2759t：波片厚度mmn：波数d1/d2：管子内外径mmB：波纹管片宽（d2－d1）/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)。

2023/3/2760三、机械密封的计算

(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：2023/3/2761（二）密封端面中液膜反力的分布情况

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，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。

2023/3/2762

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)，压力分布成凹抛物线状3。

2023/3/2763Fm=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=π（d22－d12）/4（三）液膜反力的计算

2023/3/2764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。

（四）易汽化介质中密封端面间的液膜压力分布2023/3/2765大家都知道，对于轻烃类介质，端面缝隙中存在气液两相。rb为汽化半径，此处液膜压力=P饱和（tp），tp处温度最高。r2～rb区域，液膜压力成线性分布，液相rb～r1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λ，中国石油大学顾永泉教授提出一个计算公式：λ=2/3×/P1＋（1/2－1/6×Pf/P1）（r2～rb）/(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0.70～0.85之间。

2023/3/2766（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，λ还要增大0.2左右，对于中等粘度介质λ=0.7（3）摩擦状态：边界摩擦（端面多个高点直接接触承压。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，λ=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，λ减小；渐收形，λ增大（5）其他因素：转速高，对于内流式λ减小，对于外流式λ增大。此外端面比压、密封面温度、粗糙度等都有一定影响。

（五）膜压系数的影响因素2023/3/2767Pt=F弹/SF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=0.15~0.2Mpa(内装)，0.3~0.6Mpa(外装)，反应釜中，转速低，轴摆动大，取大值。

（六）弹簧比压的计算2023/3/2768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（七）载荷系数KK=（d22－d02）/（d22－d12）d0为介质分界圆直径当K≥1时，机械密封为非平衡型；当K＜1时，机械密封为平衡型；平衡系数β=100（1-K）%载荷比压：P载=KP介2023/3/2769 P=Pt+P载－P液膜

=Pt+（K-λ）P介

（内装式） 对于双端面机械密封介质侧： 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＋（K－λ）（P内－P外） =Pt＋（K－λ）ΔP（八）端面比压

2023/3/2770端面比压的选取原则：（1）必须高于弹簧比压；（2）必须大于介质在端面温度升高时的饱和蒸汽压；在保证以上条件下，尽量取小值，以防端面发热，破坏液膜，加剧磨损，功率