机械密封全面讲解

机械密封全面讲解机械密封全面讲解2024/4/142目录2024/4/143一、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、机械密封用材料五、机械密封辅助系统六、机械密封性能的影响因素七、石化行业典型泵的密封八、机械密封的安装和使用九、机械密封故障分析十、补充内容一、机械密封原理2024/4/144（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2024/4/145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。

2024/4/1463、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.2024/4/147（四）辅助设施通过冲洗、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。

2024/4/148（五）机械密封的种类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2024/4/149（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）

2024/4/1410（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）

2024/4/1411（八）内流式和外流式机械密封（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）

（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。

2024/4/1412（十）平衡型和非平衡型机械密封

（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

2024/4/1413（十二）双端面机械密封（图1-4）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。

2024/4/1414（十三）串联式机械密封（图1-5）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。

2024/4/1415（十四）波纹管机械密封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。2024/4/1416（十五）集装式机械密封（图1-6）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。二、机械密封的基本零件2024/4/1417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2024/4/1418（二）摩擦副匹配要考虑的因素（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2024/4/1419（三）

密封端面宽度（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：2024/4/1420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1.52.02.02.53.03.02024/4/1421（四）密封环的主要技术要求（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。

2024/4/1422（五）摩擦副端面平面度检测平面度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）2024/4/1423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。

2024/4/1424（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）2024/4/1425（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2024/4/1426（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)2024/4/1427（六）密封端面的粗糙度要求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。

2024/4/1428（七）动环（旋转环）

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。

2024/4/1429（八）静环(不旋转)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。

2024/4/1430（九）密封环的种类整体式（用同一种材料制造）、组合式（如镶嵌）、表面堆焊、表面喷涂

（十）整体式密封环2024/4/1431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。2024/4/1432（十一）组合式整体环价格高，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）

2024/4/1433（十二）热装式密封环优点：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。

2024/4/1434（十三）热装式密封环的过盈值选择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；2024/4/1435（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。2024/4/1436（十四）辅助密封圈（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；

2024/4/1437（十五）传动机构的作用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）2024/4/1438（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2024/4/1439（十六）静环防转方式

（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)2024/4/1440（十七）机械密封的弹性元件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)2024/4/1441(十八)波纹管种类橡胶波纹管：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)。

2024/4/1442（十九）焊接金属波纹管密封（1）

制造采用厚度为mm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。2024/4/1443（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)。

2024/4/1444t：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)。

三、机械密封的计算

2024/4/1445（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：2024/4/1446（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。

2024/4/1447

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。

2024/4/1448（三）液膜反力的计算

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）/42024/4/1449（四）易汽化介质中密封端面间的液膜压力分布易汽化介质（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。

2024/4/1450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。

2024/4/1451（五）膜压系数的影响因素（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。

2024/4/1452（六）弹簧比压的计算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。

2024/4/1453（七）载荷系数K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/SK=（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2024/4/1454（八）端面比压

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）ΔP2024/4/1455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