机械密封的基本零件与材料课件

机械密封

基础知识讲座2023/9/121机械密封

基础知识讲座2023/8/31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。

2023/9/122序言机械密封最早于1885年在英目录一、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2023/9/123目录一、机械密封原理2023/8/33（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2023/9/124（一）定义

一、机械密封原理2023/8/34（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2023/9/125（十一）补偿机构形式2023/8/35（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2023/9/126（一）对摩擦副密封环的要求二、机械密封的基本零件2023/8（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2023/9/127（十一）组合式2023/8/37（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2023/9/128（一）补偿环的受力状况三、机械密封的计算2023/8/38（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2023/9/129（一）摩擦副材料要求四、机械密封用材料2023/8/39（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2023/9/1210（十一）合成橡胶2023/8/310一、机械密封原理（一）定义（图1-1）2023/9/1211一、机械密封原理（一）定义（图1-1）2023/8/311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。

2023/9/1212机械密封是一种用于旋转流体机械的轴封装置。（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

（二）组成2023/9/12131、

密封端面：动环、静环───摩擦副（二）组成20231、

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，依靠密封圈的过盈量实现密封； （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，依靠密封圈的过盈量实现密封； （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，依靠密封圈的过盈量实现 密封；（静密封点，密封圈与相配合件之间相对静 止）（三）密封机理2023/9/12141、4个密封点（亦称4个泄漏点，如图13、

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62023/9/12153、原理2、传动关系2023/8/315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2023/9/1216通过冲洗、冷却、过滤、分离等方式进行冷却（四1、

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2023/9/12171、按使用条件分类（五）机械密封的种类2023/8/317（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，而且消耗搅拌功率，所以不能用于高速）（2）静止式：补偿机构（弹性元件）不随轴旋转。（用于高速）

（六）旋转式和静止式机械密封（图1-2）

2023/9/1218（1）旋转式：补偿机构（弹性元件）随轴旋转。（六）旋转式和静2023/9/12192023/8/319（七）内装式和外装式机械密封（图1-3）2023/9/1220（七）内装式和外装式机械密封（图1-3）2023/8/320（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）

2023/9/1221（1）内装式：静环装在压盖内侧，静环端面面向工作腔。202（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2023/9/1222（一般和内装式、外装式一致）（1）内流式：泄漏方向朝（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。

（九）多弹簧和单弹簧机械密封2023/9/1223（1）多弹簧：（又叫小弹簧，轴向尺寸小，轴向弹力均（九）多弹（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

2023/9/1224（1）平衡型：载荷系数K＜1.0（用于高压场合）（十）平衡（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

（十一）补偿机构形式2023/9/1225（1）磁力：系统压力较低时用（十一）补偿机构形式2023/8两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）2023/9/1226两套密封面对面或背对背安装在一起。（十二）双端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）2023/9/1227两套密封沿同一方向布置，密封腔压力逐级降（十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，而且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2023/9/1228去掉了补偿环密封圈及其摩擦阻力，补偿环密封圈将机械密封、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。（一般挡块厚度为弹簧压缩量，从外部易于观测）

（十五）集装式机械密封（图1-6）2023/9/1229将机械密封、轴套、压盖组合成一个整体。安装时二、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。2023/9/1230二、机械密封的基本零件（一）对摩擦副密封环的要求（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2023/9/1231（3）耐热冲击力2023/8/331（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2023/9/1232（1）一般选择一软一硬的材料配对，软环作窄环，如 YG6/（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2023/9/1233（1）主要决定窄环（软环）宽度，宽环外径—窄环外径（2）泄漏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1.52.02.02.53.03.02023/9/1234宽系列用于组对性能好（如YG6/M106K、（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2023/9/1235（１）平面度0.0009，硬质Ｒａ≤0.2，软质Ｒａ≤0.4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2023/9/1236平面度0.0009，普通量具无法检测，通常利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。

2023/9/1237满足相干条件的两束光的叠加效果是：在波程差为波（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）2023/9/1238（2）平面度检测原理2023/8/338（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2023/9/1239（ⅱ）相邻两条光带宽b=λ/2Sinθ，（θ为空气膜倾斜角）（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)2023/9/1240（2）平面度检测器（图2-3）平晶：由派利克斯玻璃、熔凝水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）247.31.50.052023/9/1241密封端面承载能力与表面粗糙度有很大关系，大约由此可以看出，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。

2023/9/1242由此可以看出，密封端面粗糙度应在0.2以上，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）

2023/9/1243非补偿动环（只旋转，不能补偿，其后无弹性元件。)（七）动环（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)2023/9/1244非补偿静环（不旋转不补偿）：主要有三种安装方式整体式（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2023/9/1245整体式（用同一种材料制造）、组合式（如镶嵌）（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。2023/9/1246（十）整体式密封环各个部位性能均匀一致，最常整体环价格高，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2023/9/1247整体环价格高，加工困难，因此出现组合式密封环。（十一）组合式优点：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2023/9/1248优点：结构简单，性能优异，价格较低，运用较多。（十二）热装式Δδ=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2023/9/1249Δδ=δ－Dp（α1－α2）ΔT（十三）热装式密封环的过盈值（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。2023/9/1250（2）由上式，当使用温度为300°C时，对2023/8/35（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：矩形、V形、楔形、包四氟形等；

（十四）辅助密封圈2023/9/1251（1）材料要求（十四）辅助密封圈2023/8/351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2023/9/1252把轴或轴套的运动方式(旋转)传递给动环，一般（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2023/9/1253（5）销钉传动2023/8/353（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

2023/9/1254（1）浮装式（可以在轴向、径向设计防转销）（十六）静环防转方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2023/9/1255螺旋压缩弹簧（十七）机械密封的弹性元件2023/8/355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2023/9/1256橡胶波纹管：用于中性介质：水、油，压力、温度都不高(十八)波（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2023/9/1257（1）

制造（十九）焊接金属波纹管密封2023/8（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(即刚度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)。

2023/9/1258（2）特点（3）弹率(即刚度N/mm)E：工作温度下弹性模量t：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。

2023/9/1259t：波片厚度mm2023/8/359三、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：2023/9/1260三、机械密封的计算（一）补偿环的受力状况要进行端面比压计向左的：弹簧力Ft、介质压力所产生的作用力Fp向右的：液膜反力Fm、静环作用的端面支承力F；摩擦力R，很小可以忽略；以上四力平衡，有F=Ft＋Fp－Fm端面比压P=F/S（S为端面面积）上面各项力的计算方法在后面章节再加以叙述。

2023/9/1261向左的：弹簧力Ft、介质压力所产生的作用力Fp2023/8/（二）密封端面中液膜反力的分布情况2023/9/1262（二）密封端面中液膜反力的分布情况2023/8/362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。

2023/9/1263在d2处，端面间液膜压力等于P介。在d1处，Fm=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

2023/9/1264Fm=λP介S（液膜比压Pm=λP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2023/9/1265易汽化介质（如液态烃等）的机械密封一直是石化大家都知道，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。

2023/9/1266大家都知道，对于轻烃类介质，端面缝隙中存在气（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2023/9/1267（1）端面几何尺寸，由上面公式可以看出。（五）膜压系数的影响Pt=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2023/9/1268Pt=F弹/S（六）弹簧比压的计算202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K2023/9/1269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=（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2023/9/1270K=（d22－d02）/（d22－d12） 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＋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）端面比压

2023/9/1271 P=Pt+P载－P液膜（八）端面比压2023/8/37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，功率消耗增大，密封使用寿命减短。同时考虑以下原则：（1）对自润滑性好的组对（M106K/SiC、YG6/SiC、M106K/YG6）可以取稍大值(因液膜不易被破坏，摩擦系数不易增加。)。（2）对于外装式机械密封，可以取稍小值（因介质比压很小，而Pt不可能很大。）。（3）对于高粘度介质，取稍大值（以保持端面贴合）。（4）易挥发介质（饱和蒸汽压高）稍小值（以减少温升）。

2023/9/1272端面比压的选取原则：2023/8/372推荐的端面比压值

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0.5~1.00.3~0.52023/9/1273推荐的端面比压值因素程度内装式外装式饱和蒸汽压接近端面比压中有一项K，K=A/S A：介质有效作用面积，A=π（d22－de2）/4，de为有效直径。

S：密封端面面积

S=π（d22－d12）/4（九）波纹管的有效作用直径de2023/9/1274端面比压中有一项K，K=A/S （九）波纹管的有效作用直径d（1）金属波纹管内装内流式：deo=（di＋do）/2－Z外装外流式：dei=（di＋do）/2＋Z修正系数Z=0.671P介0.797（2）聚四氟乙烯波纹管矩形波：de=［（di2＋do2）/2］1/2锯齿波：de=［（di2＋do2＋dido）/3］1/2橡胶波纹管de无法准确计算，一般由试验获得。

2023/9/1275（1）金属波纹管2023/8/375密封端面的摩擦热同时取决于压力和速度。密封端面的性质要考虑P、V的乘积，即PV值。PV值过大：液膜气化，密封失效，端面严重磨损。因此对一定摩擦系数的端面材料组对，对某种介质有一许用PV值。P：端面比压

V=π（d1＋d2）n/120×10－3PV＜［PV］（十）PV值2023/9/1276密封端面的摩擦热同时取决于压力和速度。密封端各种组对在非平衡型机械密封中的许用［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18014.57~154.4523~7.5153~92023/9/1277各种组对在非平衡型机械密封中的许用［PV］值SiC/石墨Si四、机械密封用材料（一）摩擦副材料要求摩擦副是机械密封的主要零件，其性能好坏在很大程度上决定密封性能，因此对材料有一定的要求：（1）耐蚀性：有良好的化学稳定性，能抵抗介质的腐蚀、磨蚀、溶解和溶胀。（2）物理机械性能：较高的弹性模量（E=σ（应力）/ε（应变），刚度=力/变形）、强度及许用［PV］值，低的摩擦系数和线膨胀系数，优良的耐磨性、自润滑性以及良好的不渗透性等。（3）热力性能：很好的导热性、耐热性、耐寒性和耐温度的急变性。（4）材料来源方便，易加工，成本低廉。

2023/9/1278四、机械密封用材料（一）摩擦副材料要求摩擦副硬质合金工程陶瓷（Al2O3陶瓷、Al2O3金属陶瓷、Si3N4陶瓷、铬钢玉陶瓷、碳化硼陶瓷、喷涂陶瓷、SiC、可切削微晶玻璃）碳石墨填充聚四氟乙烯金属材料：铸铁类及铜合金也有铬钢淬火材料下面分别予以讨论。

（二）制造摩擦副的常用材料

2023/9/1279硬质合金（二）制造摩擦副的常用材料2023/8/3791、特点（1）具有较高导热性，(碳导热系数为20~40W/m·k，石墨为

40~128W/m·k，)是非金属中导热最好的材料，仅次于银、铜、铝，比Hasterlloy好。（2）具有低的线膨胀系数（2~6×10－6/℃），是金属的

1/2~1/4。（3）具有良好的耐腐蚀性，在空气中400℃以下稳定，除强氧化性介质（如王水、铬酸、浓硫酸及卤族元素）外，可耐其它酸、碱、盐及一切有机化合物的腐蚀，其耐蚀程度随石墨的种类和浸渍剂的不同而异。（三）碳石墨

2023/9/12801、特点（三）碳石墨2023/8/380（4）具有极好的自润滑性和低的摩檫系数，那是因为石墨和其它材料组对时，石墨转移到其它材料表面，形成石墨和石墨相对摩檫。石墨和金属摩檫系数为

0.04~0.05，在全液润滑条件下，f=0.008~0.01。因此它的组对性能好。（5）石墨的抗拉强度较低，抗压强度较高，属脆性材料。由于硬度较低，被广泛用作软环，易于加工。缺点是气孔率大，一般在18%～22%。实际应用石墨都必须是浸渍过的，以堵塞气孔，提高密封性。2023/9/1281（4）具有极好的自润滑性和低的摩檫系数，那是因为石墨20232、石墨的种类石墨是采用焦炭粉和石墨粉，用沥青作粘结剂，模压成型，置于高温中焙烧而成。根据所用原料和烧结温度与时间的不同，可以制成不同物理机械性能的石墨。一种为碳素石墨，用M1表示，一种是电化石墨，用M2表示（材料组分不一样，M2还需2400~2800℃高温石墨化处理）。还有一种是树脂碳石墨：烧结石墨粉碎后，用树脂作粘结剂，混和后压制烧结而成（M3）。M1：质硬而脆，导热系数低，加工困难。M2：质软，强度低，自润滑性好。M3：［PV］值不高，价格便宜，石化行业较少采用。

2023/9/12822、石墨的种类2023/8/3823、石墨浸渍剂种类一般浸渍后，成为不透气制品，对导热性无明显影响，但强度、硬度有很大提高。常用浸渍剂有：环氧树脂（H）、呋喃树脂（K）、酚醛树脂（F）、巴氏合金（B）、铝合金（L）、铜合金（P）、锑合金（D）、银合金（G）。F：耐酸性好

H：耐碱性好

K：酸碱都耐＜200℃

浸金属：耐高温

2023/9/12833、石墨浸渍剂种类2023/8/3831、

金属碳化物WC熔点非常高，要制成产品，用普通的冶炼方法行不通。通常把它制成粉末，混以熔点较低的金属（Co、Ni等），压制成型，高温烧结，较低熔点金属熔化，将WC粘结成一个整体，制成硬质合金。2、

硬质合金具有以下优良性能：（1）硬度高HRA87～94（洛氏硬度），耐磨粒磨损，是悬浮颗粒介质的理想摩擦副。

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）硬质合金WC

2023/9/12841、

金属碳化物WC熔点非常高，要制成产品，用普通的冶炼（2）抗弯强度高1400～2000N/mm2。（3）导热系数高，线膨胀系数小(5×10－6/℃左右)，耐高温＞600℃。（4）摩擦系数低，组对性能好。（5）较好的耐腐蚀性，牌号不同，耐腐蚀性不同。

3、种类

（1）Co基硬质合金：YG6、YG8、YG15，后面数字为Co的百分含量，Co多，硬度略下降。Co易氧化，不宜用于酸等腐蚀性介质，但在一般温度H2SO4.、沸点以下NaOH中可用。

2023/9/1285（2）抗弯强度高1400～2000N/mm2。3、种类（1（2）耐蚀硬质合金：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、硬度与WC-Co相当。（3）钢结硬质合金TiC—合金钢：GT35、R5、R8，耐HNO3、H2SO4、氨水，不耐强碱、HCl、FeCl3液。烧结成形后可进行机械加工，然后再进行热处理，可制作复杂零件，硬度稍差(HRC＜60~65)，比重小，自润滑性好。

2023/9/1286（2）耐蚀硬质合金：2023/8/386SiC是一种新型陶瓷，由于高密度成形技术的发展，80年代开始，国外纷纷用它作高PV值的组对材料，是到目前为止发现的最好的摩擦副材料，具备各种优良性能。重量轻，为WC的1／5，比强度高，摩擦系数小，硬度略高于硬质合金，HRA90~94，抗辐射性好，具有一定的自润滑性，组对性好，化学稳定性、耐热性、热传导性都很优异。在500℃以下，几乎耐所有的酸和碱，除振动冲击大，或有颗粒介质场合外，几乎所有的硬质合金都可用它取代，价格略比WC便宜。缺点：脆性材料，抗机械冲击性稍差。

（五）SiC陶瓷2023/9/1287SiC是一种新型陶瓷，由于高密度成形技术的发由于制造工艺不同，性能略有差异，目前主要有4种类型：1、

反应烧结SiC（SiC＋Si组成的致密烧结物）［（α-SiC粉＋石墨粉＋助熔剂）混和＋有机粘结剂］压制成型，放入Si粉坩锅内，在真空炉加热1600~1800℃，生成β-SiC。这种SiC由α-SiC、β-SiC、游离硅组成，由于游离Si和孔隙的存在，它不耐强碱和氧化性介质。优点：收缩率小，耐热冲击性好，成本低，适于批量生产。2、常压烧结SiC采用超细SiC粉（粒度在0.1~0.2μm），加适当的添加剂、粘结剂压制成型，然后在2000~2200℃的温度下烧结而成。适用于数量少，规格品种多的密封环。致密度高达97%以上。

2023/9/1288由于制造工艺不同，性能略有差异，目前主要有4种类型：20233、热压烧结SiC粒度≤1μm的SiC粉，加上适当的添加剂，装入石墨模具内，在2000~2100℃的热压炉内加压（30~50MPa）制成。这是SiC中化学稳定性最好的一种。（因为在氧化气氛下，表面生成了一种SiO2保护膜，耐腐蚀性最好。）质密度高达97%以上。4、气相渗透SiC（又叫硅化石墨）以石墨为基体，按最终产品形状加工好后，导入Si源，采用化学气相沉积法在1800~2200℃的高温下反应生成。，渗透层厚度可达1.5mm，成SiC表层，表层还有10%的石墨，具有气体不渗透性，C、Si之间无明显的边界层。这种SiC既具有碳石墨优点，又具有SiC特性，是一种很有前途的碳基复合材料。气相渗透SiC与常压烧结SiC组对，可用于高速场合，即使处于半干摩擦工况条件下也不易产生卡滞与擦伤。

2023/9/12893、热压烧结SiC2023/8/3891、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）。具有很好的耐蚀性，可以经受各种酸类、碱类、盐类和各种有机溶剂及强氧化剂腐蚀。硬度高，仅次于金刚石和碳化硼，耐磨性好，机械强度和普通铸铁差不多，材料来源广泛，制造工艺简单。缺点：质脆，导热性不好，耐热冲击性差。（Al2O3/Al2O3组对不行，有产生静电的危险。）这种材料多用于外装式耐腐蚀性机械密封中。2、Al2O3金属陶瓷在Al2O3中添加少量金属元素Fe、Cr、Ni等，以提高导热率，降低脆性，但硬度和耐蚀性有所下降。主要用于批量较大的汽车冷却水泵及潜水泵机械密封上。

（六）Al2O3陶瓷及其他陶瓷介绍2023/9/12901、Al2O3（六）Al2O3陶瓷及其他陶瓷介绍2023/3、Si3N4耐蚀性很好，Si3N4/石墨组对性很好，而与填充玻纤PTFE组对时Si3N4的磨损大。（1）反映烧结Si3N4素坯可以机械加工，能制成形状复杂制品，经二次氮化后尺寸变化率小（±0.1%），抗冲击性好，耐腐蚀。强度、硬度是Si3N4中最低的，（因内部有10~15%封闭气孔）。较厚的制品不易烧结，有时会有“流硅”现象，仅适合PV值不高的场合。（2）热压Si3N4是Si3N4中性能最佳的材料，硬度高（HRA91~92），致密性好，接近理论密度3.2g/cm3，耐磨性、耐蚀性优良。但成本高，难以制作形状复杂零件。

2023/9/12913、Si3N42023/8/391（3）常压烧结Si3N4性能接近热压Si3N4，成本高，烧结时收缩率大15~20%，易引起烧结变形。（4）重烧结Si3N4性能接近热压Si3N4，制造工艺复杂，成本较反应烧结Si3N4高。

4、铬刚玉陶瓷在Al2O395瓷坯料中引入0.5~2%的Cr2O3，经1700~1750℃高温焙烧而成。（密度3.46~3.47，硬度HRA84~87）耐温度急变性能好。（用φ48/φ355×6的环，在20~400℃范围内进行25次冷循环处理后，用10倍显微镜观察未发现裂纹），硬度高，摩擦系数小，化学稳定性好，与填充玻纤PTFE组对，用于耐腐蚀机械密封，效果极好。

2023/9/1292（3）常压烧结Si3N44、铬刚玉陶瓷2023/8/3925、碳化硼B4C陶瓷化学稳定性好，硬度HRA94~96，仅次于金刚石，耐磨性能极为优良。主要用于处理高浓度、磨蚀性介质作摩擦副组对材料，特别适用于泥沙介质。缺点：加工困难（需热压成型工艺），成本高，热抗震性也不太好。6、喷涂陶瓷用等离子技术在密封环端面或轴套表面喷上一层耐磨耐蚀涂层，一般为Cr2O3涂层，厚0.3~0.5mm。硬度高、耐磨、耐蚀，但涂层内部有4~10%的气孔，还需进行树脂封孔处理（国外用先进的重熔技术进行封孔）。2023/9/12935、碳化硼B4C陶瓷2023/8/393其组对多为硬度低于70HS的石墨，其使用的PV值较低，使用温度≤200℃，广泛用于醋酸等介质。从日本进口的机械密封约有1/3采用这种组对。Al2O3也可作喷涂材料性能与Cr2O3相差不大。

2023/9/1294其组对多为硬度低于70HS的石墨，其使用的P在密封环表面堆焊一层硬质合金，以提高耐磨性、耐蚀性，且价格较低。国外命名为Stellite（司太立特），常用堆焊材料如下：（1）铬基1号电焊条TDCrC-1HRC48-54良好的耐汽蚀、耐腐蚀性。气焊丝SDCr-1HRC48-54良好的耐汽蚀、耐腐蚀性。（2）钴基1号电焊条TDCoCr-1HRC40-45耐酸性好气焊丝SDCoCr-1HRC40-45耐酸性好（3）钴基2号电焊条TDCoCr-2HRC44~48耐高温，在高温下保持高硬度气焊丝SDCoCr-2HRC46-50耐高温，在高温下保持高硬度

（七）表面堆焊硬质合金

2023/9/1295在密封环表面堆焊一层硬质合金，以提高耐磨性、耐蚀性，且价格较以上堆焊虽具有一定的耐蚀性，但不耐强酸、热碱的腐蚀。硬度不算高且不均匀，抗热裂能力较差，且堆焊工艺要求较高，不宜用于带颗粒介质的密封和高速机械密封，在泵用机械密封中已很少采用，但在PV值不高的釜用机械密封中仍然占有重要地位。

2023/9/1296以上堆焊虽具有一定的耐蚀性，但不耐强酸、热碱1、

铸铁类（1）普通灰口铸铁（HT200、HT250）：耐磨性、导热性优于堆焊硬质合金；耐蚀性差，只能用于中性介质和PV值不高的场合。（2）球墨铸铁（QT600-3、QT700-2：）耐磨性、导热性优于堆焊硬质合金；耐蚀性差，只能用于中性介质和PV值不高的场合。（3）高硅耐蚀铸铁：表面有SiO2保护膜，是优良耐酸材料。耐各种浓度H2SO4、HNO3、有机酸、酸性盐，不耐强碱、盐酸、氢氟酸、FeCl3热溶液。（4）高镍铸铁Ni-Resist：（同上）

（八）作摩擦副的金属材料

2023/9/12971、

铸铁类（八）作摩擦副的金属材料2023/8/391、

合金钢（用于弱腐蚀介质）（1）3Cr13、4Cr13、9Cr18（2）高速工具钢、轴承钢2、

铜合金青铜SQSn6-6-3、SQSn10-1：具有良好的导热性、耐磨性、加工性、对硬质材料的相溶性，但质软，耐腐蚀性差。适用于油、盐类、醇、脂肪酸、海水中介质。不适用于乙烯、芳烃等介质。

2023/9/12981、

合金钢（用于弱腐蚀介质）2023/8/3981、

聚四氟乙烯特点（用作辅助密封圈）（1）耐腐蚀性好，几乎能耐所有的强酸、强碱、强氧化剂的腐蚀。目前发现的只有熔融碱金属（或它的氨溶液）、元素氟及ClF3在高温下与它要起反应。（2）使用温度范围广（－180~260℃），耐水性、耐老化性、不燃性、韧性及加工性都很好。（3）它是一种极好的减磨、自润滑材料（其分子结构决定了表面分子易滚动和滑动，与其他材料对磨时，分子首先向对磨材料转移，形成0.02~0.03μm的薄膜），摩擦系数低0.04~0.12。（4）具有奇特的冷流行：即在负荷作用下，发生蠕变。（5）线膨胀系数大50~150×10－6/℃（－200~15℃）

（九）填充聚四氟乙烯2023/9/12991、

聚四氟乙烯特点（用作辅助密封圈）（九）填充聚四氟乙150~530×10－6/℃（15~30℃）

120~590×10－6/℃（30~300℃）

（6）导热系数小（0.244w/m.k），与金属相差300多倍。

填充聚四氟乙烯的组对

特点

填20%玻纤PTFE/铬刚玉陶瓷

在稀硫酸中运用最佳

填20%玻纤PTFE/Si3N4

Si3N4磨损大

填20%碳纤维PTFE/多种陶瓷

搪瓷釜212机封首选材料

填15%玻纤、5%碳PTFE/Al2O3

强腐蚀介质

填15%聚苯、3%碳PTFE/Al2O3

氯气泵

填15%Ti白粉、5%玻纤PTFE/SiC硫酸、硝酸介质

填玻纤可运用于医药、食品机械

2023/9/12100150~530×10－6/℃（15~30℃）120~5902、填充聚四氟乙烯（用作摩擦副）为了克服聚四氟乙烯的不足，往往在其间加入各种添加剂，以改善其性能。常常加入10~20%的石墨、玻纤、青铜粉、SiO2、MoS2等，可改善导热性，减小线胀系数，其它性能也得到改善，但耐蚀性略有下降。

2023/9/121012、填充聚四氟乙烯（用作摩擦副）2023/8/31011、良好的弹性，硬度合适且压缩永久变形小。2、耐高低温的老化性能好。3、耐介质腐蚀、溶解、熔胀、溶缩、硬化。4、较小的摩擦系数，耐磨耗，有一定的抗撕裂强度。5、来源方便，成本低廉。

（十）辅助密封圈材料要求

2023/9/121021、良好的弹性，硬度合适且压缩永久变形小。（十）辅助密封圈材1、丁腈橡胶（NBR）（－40~120℃）它是丁二烯和丙烯腈的共聚物。常用的丙烯腈含量为40%（丁腈—40），耐油，抗老化性良好，并且又耐热