機械端面密封技術

1、機械端面密封技術機械端面密封技術檢維修鉗工專業(yè)檢維修鉗工專業(yè)鉗工二班鉗工二班: : 葛廣新葛廣新1 1 機械端面密封的發(fā)展進程及方向機械端面密封的發(fā)展進程及方向1.11.1發(fā)展進程發(fā)展進程 自1885年問世以來，機械密封就隨著工業(yè)技術和產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展而進步，其發(fā)展進程可用表41下來說明。表4-1 機械端面密封的發(fā)展簡史年代歷史事件PsV值水平/(MPam/s)發(fā)展的動力188519001908191919201930194019451957英國第一個端面密封的專利開始用于軸承密封汽輪機上出現(xiàn)幾個端面密封出現(xiàn)單端面密封用于小型家用冷凍壓縮機和 車水泵用于內(nèi)燃機水泵在一定程度上解決輕烴泵密封出現(xiàn)平

2、衡型和中間環(huán)高壓高速機械密封美國西樂Sealol公司第一個金屬波紋管機械密封高溫密封1.03.0414.730液壓傳動、蒸汽機和機床產(chǎn)生作為油封結構上單、雙端面密封形成機械密封機械加工和材料方面的技術進步石油化工發(fā)展；石墨、陶瓷、硬質合金等新材料；密封面粗糙度的改進，由Ra0.2m改為 Ra0.05m航空、石油化工等工業(yè)要求 （400以上）續(xù)表1-1 機械端面密封的發(fā)展簡史年代歷史事件PsV值水平/(MPam/s)發(fā)展的動力19601963-19691974197719851990年以后出現(xiàn)熱流體動力楔機械密封流體流體靜壓密封、流體動壓密封及工業(yè)上應用出現(xiàn)新的密封面材料碳化硅和 優(yōu)質不同浸漬碳

3、石墨出現(xiàn)各種密封的組合機械密封 和螺旋槽干運轉氣體密封工業(yè)應用密封面變形協(xié)調和材料合適配 對工藝流體的零泄漏和零逸出密封技術迅速發(fā)展非接觸(表面改形技術)機械 密封發(fā)展1672673535007001000原子能工業(yè)要求；結構上出現(xiàn) 流體靜壓、流體動壓和熱流體動壓密封(動力楔和動壓墊效應)宇航和核電特殊要求；結構上 出現(xiàn)多級密封；材料有碳化硅和優(yōu)質碳石墨由于宇航和核電需要，出現(xiàn)螺 定機械密封、浮環(huán)機械密封和螺旋槽密封用于高PV值熱水泵密封，環(huán)境保護、長壽命和安全生產(chǎn)要求 API610、API682、STLE SP-30等新標準用激光加工、表面改形技術、計算機技術和密封設計理論發(fā)展 機械密封的目

4、前水平： 單級壓力：10-3Pa35MPa； 使用溫度：最高達1000；最低可達低溫深冷； 機器轉速：高達50000rmin；1.2 1.2 機械密封技術的發(fā)展方向機械密封技術的發(fā)展方向 機械密封發(fā)展到今天，按摩擦副端面的摩擦潤滑狀態(tài)分為：接觸式機械密封（包括液體潤滑和氣體潤滑）和非接觸式機械密封（包括液膜潤滑、氣膜潤滑和氣液混膜潤滑等）兩大類。接觸式密封：減少泄漏、降低磨損、提高可靠性和工作穩(wěn)定性、延長使用壽命。非接觸式密封：實現(xiàn)無泄漏（液相零泄漏和汽相零逸出）無污染功能、提高流體膜剛度和工作穩(wěn)定性、延長使用壽命。2 2 機械密封的基本結構、作用原理和特點機械密封的基本結構、作用原理和特點

5、2.1 2.1 機械密封的基本結構、作用原理機械密封的基本結構、作用原理機械密封是一種依靠彈性元件對靜、動環(huán)端面密封副的預緊和介質壓力與彈性元件壓力的壓緊而達到密封的軸向端面密封裝置，（圖2-1）故又稱端面密封。構成機械密封的基本元件有：端面密封副（靜環(huán)1和動環(huán)2）、彈性元件（如彈簧4）、輔助密封（如O型圈8、9和10）、傳動件（如傳動銷3和傳動螺釘6）、防轉件（如防轉銷11）和緊固件（如彈簧座5、推環(huán)13、壓蓋12、緊定螺釘6與軸套14）。圖4-1 典型機械密封示意圖1-靜環(huán)，2-動環(huán)3-傳動銷，4-彈簧，5-彈簧座，6-緊定螺釘，7-傳動螺釘，8、9、10-O形環(huán)，11-防轉銷，12-壓蓋

6、，13-壓環(huán)，14-軸套 、泄漏點返回 機械密封基本組成和作用：機械密封基本組成和作用：1）動環(huán)和靜環(huán) 是機封組成的核心，也是研究的重點。 端面密封性能在很大程度上標志著機封的技術水平，因為其它泄漏渠道的密封（為靜密封）是較容易解決的。2）彈性元件（彈簧、波紋管、隔膜等） 為主要零件的緩沖補償機構，是機封保證密封可靠性的重要條件。 預緊作用：使動靜環(huán)端面保持貼合； 減振作用：軸的振動如果不加緩沖地直接傳遞到密封端面上，那么密封端面就不能始終保持貼和而使泄漏量增加； 緩沖補償作用：若給摩擦副施加過大的軸向載荷而導致密封端面嚴重磨損，若無緩沖補償機構，勢必會造成端面的間隙越來越大，泄漏量增加。故機

7、封都采用彈性元件和輔助密封圈建立緩沖補償機構，以緩沖振動、磨損給端面帶來的不良影響。 3）輔助密封圈（O形、V形、楔形環(huán)等異形密封圈） 是解決密封端面以外的微動密封問題中所不可缺少的組成部分，同時也起到浮動和緩沖的作用。 材料要耐熱、耐寒并與介質有相容性（橡膠、石棉、膨脹石墨等）。 4）傳動件（傳動銷、傳動環(huán)、傳動座、傳動套、傳動鍵、傳動凸耳或牙嵌聯(lián)合器） 將軸的轉距傳遞給動環(huán)的作用。 材料耐蝕、耐磨。 5）固緊件（緊定螺釘、彈簧座、壓蓋、組裝套、軸套） 起到靜、動環(huán)的定位、固緊和盛裝的作用。 要求：要求： 定位準確，保證摩擦副密封面處于正確的位置，并且保持良好的彈簧比壓； 拆裝方便，容易定位

8、，能重復使用，與輔助密封配合應注意有安裝密封環(huán)的倒角和環(huán)的壓彈量。五個泄漏渠道五個泄漏渠道： 、靜環(huán)與動環(huán)的端面之間：旋轉動密封， 主要泄漏通道；、靜環(huán)與密封壓蓋之間：靜密封；、動環(huán)與旋轉軸（軸套）之間：往復密封；、密封壓蓋與殼體之間：靜密封；、軸套與軸之間：靜密封；2.2 2.2 機械密封的基本型式機械密封的基本型式 機械密封的基本型式有：機械密封的基本型式有： a)內(nèi)裝式b)外裝式c)內(nèi)流式d)外流式e)旋轉式 f)靜止式 g)非平衡式 h)平衡式i)單彈簧式 圖4-2 機械密封的基本型式返回j)多彈簧式 k)雙端面 (背靠背)l)雙端面 （面對面）m)多端面 （中間環(huán)） n)徑向雙端面

9、o)多級（兩級） p)波紋管密封 圖4-2 機械密封的基本型式（續(xù)）返回 1）接觸式、非接觸式和半接觸式機封 普通機封大都是接觸式機封(h2m，對流體靜壓密封h5m。 接觸式機封的摩擦狀態(tài)為混合摩擦和邊界摩擦，而非接觸式機封的摩擦狀態(tài)為流體摩擦、彈性流體動壓潤滑。 2）內(nèi)裝式和外裝式機封 彈簧和動環(huán)安裝在密封箱內(nèi)與介質接觸的密封為內(nèi)裝式密封（圖4-2a）；彈簧和動環(huán)在密封箱外不與介質接觸的密封為外裝式密封（圖4-2b）。前者可以利用密封箱內(nèi)介質壓力來密封使用工作條件廣泛；后者用于高粘度和易結晶的介質，工作壓力較低的場合。 3）內(nèi)流式和外流式機封 介質泄漏方向與離心力方向相反的密封為內(nèi)流式密封；

10、介質泄漏方向與離心力方向一致的密封為外流式密封。由于內(nèi)流式密封中離心力阻止泄漏流體，其泄漏量較外流式為少；前者用于高壓，而后者最高壓力 12MPa。（圖4-2c及圖4-2d）。4）彈簧靜止式和旋轉式機封 彈簧不隨軸一起旋轉的密封為靜止式密封（圖4-2e）；彈簧隨軸一起旋轉的密封為旋轉式密封（圖4-2f）。由于靜止式密封的彈簧不受離心力影響，常用于高速機封中而旋轉式機封不適用于高速（V2030m/s）機封。5）平衡型和非平衡型機封（圖43） 介質作用于單位密封面上的軸向壓緊力小于密封室內(nèi)介質壓力的密封為部分平衡型密封（圖4-2g）；介質作用于密封面上的軸向壓緊力大于或等于密封室內(nèi)介質壓力的密封為

11、非平衡型機封（圖4-2h）。前者密封端面上所受的作用力隨介質壓力的升高而變化較小，故適用于高壓密封；后者密封端面所受的作用力隨介質壓力的變化較大，故適用于低壓密封。還有介質對密封面無軸向壓緊力或介質對密封面為推開力的密封為完全平衡型或過平衡型密封。該密封屬于非接觸式中的流體靜壓密封。 6）單彈簧式和多彈簧式機械密封 只有一個集中大彈簧的機械密封為大彈簧型密封（圖4-2i）；沿圓周點布許多彈簧的密封為多彈簧式機械密封（圖4-2j）。前者用于小直徑（80150mm軸徑）低速密封；后者用于大軸徑、高速密封。但在腐蝕介質和有固體顆粒介質的場合下，小彈簧結構因易腐蝕和堵塞而失效。7）單端面、雙端面及多端

12、面密封 只有一對摩擦副的密封為單端面密封（圖4-2aj）；由兩對摩擦副在密封箱內(nèi)組成的密封為雙端面密封（圖4-2k、l）；由兩個以上端面組成的密封為多端面密封（圖4-2m）。 單端面密封結構簡單，是最常用的密封型式。因特殊需要或單端面密封不能滿足要求時則采用多端面密封。 雙端面密封有軸向雙端面密封和徑向雙端面密封（圖4-2n）。沿徑向布置的雙端面密封結構較軸向雙端面密封緊湊。軸向雙端面密封有背對背或面對面布置的結構（圖4-2k、l）。此外，還有串聯(lián)布置的雙密封（圖4-2o）。 中間環(huán)密封屬于多端面密封，旋轉的中間環(huán)密封，用于高速下低PV值。不轉的中間環(huán)密封用于高溫和高壓下減少力變形和熱變形。

13、此外，還有推環(huán)（彈簧加載推環(huán)）式機械密封（圖4-2ao）和波紋管密封（圖4-2p）。 下面給出幾種典型的密封結構型式:圖42（1） 內(nèi)裝內(nèi)流多彈簧旋轉接觸式機械密封 圖42（2） 內(nèi)裝內(nèi)流多彈簧靜止接觸集裝式機械密封 圖42（3） 內(nèi)裝內(nèi)流多彈簧旋轉接觸集裝式機械密封 圖42（4）外裝外流多彈簧旋轉接觸式機械密封 圖42（5）雙端面波紋管接觸集裝式機械密封 圖42（6） 內(nèi)裝內(nèi)流雙端面單彈簧接觸式機械密封 圖42（7） 內(nèi)裝內(nèi)流單端面單彈簧集裝接觸式機械密封 圖42（8） 內(nèi)裝內(nèi)流單端面單彈簧集裝接觸式機械密封 圖42（9）內(nèi)裝內(nèi)流雙端面多彈簧集裝非接觸式干氣密封 圖22（10） 內(nèi)裝內(nèi)流多端

14、面（串聯(lián)）多彈簧非接觸式干氣密封 圖42（11） 剖分式機械密封 2.3 2.3 機械密封的優(yōu)點機械密封的優(yōu)點泄漏量可以限制到很少 只要主密封面的表面粗糙度和平直度能保證達到要求，只要材料耐磨性好，機械密封可以達到很少泄漏量，甚至肉眼看不見泄漏。壽命長 在機械密封中，主要磨損部分是密封摩擦副端面，因為密封端面的磨損量在正常工作條件下不大，一般可以連續(xù)使用12年，個別場合下也有用到510年。運轉中無需調整 由于機械密封靠彈簧力和流體壓力使摩擦副貼合，在運轉中自動保持接觸，裝配后就不用像普通軟填料那樣需調整壓緊。 耐振性優(yōu)于徑向密封 一般在轉速n=3000r/min下最大振幅不超過0.05mm。使

15、用psV值不斷提高 機械密封可以采用平衡式密封、流體靜壓型密封、流體動壓密封或多級組合式密封，使psV值達到較高值，現(xiàn)已可達到1000（MPams），并在不斷提高。 2.4 2.4 普通接觸式機械密封存在的問題普通接觸式機械密封存在的問題 隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，機械密封的工作環(huán)境越來越嚴苛，對密封的要求越來越高。目前國內(nèi)旋轉式機泵（以離心泵為主）用機械密封基本上是普通的接觸式機械密封，由于密封端面之間存在直接的固體摩擦磨損，導致密封因端面摩擦溫升過高、過度磨損等原因早期失效；尤其在一些密封環(huán)境較為惡劣的條件下，如密封易汽化類、高危險性、高腐蝕性、高含固體顆粒介質以及高PV值工作條件下，存在大

16、量的液相泄漏和氣相逸出而污染環(huán)境，密封可靠性和穩(wěn)定性大大降低，失效概率明顯增大，難以滿足長周期運行、無污染、低能耗等現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的客觀要求。存在的缺陷主要體現(xiàn)在：存在的缺陷主要體現(xiàn)在：密封介質易產(chǎn)生泄漏，造成物質損失和環(huán)境污染。密封介質易產(chǎn)生泄漏，造成物質損失和環(huán)境污染。接觸式機械密封的密封原理是在被密封流體與外界存在壓力差（一般是壓力高于外界壓力）的前提下，通過維持一定的端面接觸壓力，來盡可能減小密封摩擦副端面之間的軸向間隙以降低被密封流體的泄漏。因此，接觸式機械密封是難以實現(xiàn)被密封流體的零泄漏，更不可能實現(xiàn)其零逸出。隨著現(xiàn)代環(huán)保要求的不斷提高，普通接觸式機械密封的應用將受到越來越多的限制

17、。 密封端面存在摩擦磨損、使用壽命短。密封端面存在摩擦磨損、使用壽命短。由于密封摩擦副之間存在著直接的固體摩擦磨損，磨損積累的結果必然是密封的使用壽命是有限的。一般地，普通接觸式機械密封的使用壽命不超過一年，而對一些潤滑性差的密封流體或含一定量固體顆粒的密封流體，密封的使用壽命只有數(shù)月甚至數(shù)天。 密封工作狀態(tài)不穩(wěn)定，失效概率大增。密封工作狀態(tài)不穩(wěn)定，失效概率大增。密封端面之間的摩擦溫升對密封摩擦副的工作狀態(tài)有很大的影響，有可能使端面液膜發(fā)生汽化（即相變，如輕烴泵等），由單相潤滑變?yōu)槠夯煜酀櫥?，使密封摩擦副處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)（產(chǎn)生“鳴叫”、“汽噴”現(xiàn)象等，失效的概率大大增加。密封件產(chǎn)生熱變形、熱裂、熱漲而失效。密封件產(chǎn)生熱變形、熱裂、熱漲而失效。密封端面之間的急劇溫升還會導致端面溫升過高，產(chǎn)生較大熱變形，摩擦磨損嚴重和不均；使密封材料的機械性能降低，容易使密封環(huán)（主要指硬環(huán)）產(chǎn)生熱裂、輔助密封圈產(chǎn)生熱漲等而使密封早期失效。機械密封工業(yè)失效記錄中有相當比例是由于密封端面溫升過高造成的。 機械密封端面熱裂紋機械密封端面熱裂紋密封適應變工況能力差。密封適應變工況能力差。當流體機械處于變工況(變壓力、變轉速、頻繁開停等）下，密封的始終處于不穩(wěn)定的運行狀態(tài)，極易出現(xiàn)早期失效。改變介質性能，影響產(chǎn)品質量。改變介質性能，影響產(chǎn)品質量。密封摩擦副