機(jī)械密封基礎(chǔ)知識講座

機(jī)械密封

基礎(chǔ)知識講座四川日機(jī)密封件有限公司2023/2/61

主講：張有華四川日機(jī)密封件有限公司副總工程師技術(shù)部經(jīng)理2023/2/62序言

機(jī)械密封最早于1885年在英國發(fā)明并獲得專利，首先獲得應(yīng)用是在20世紀(jì)20年代的冷凍機(jī)裝置上，同時(shí)出現(xiàn)了研究和生產(chǎn)機(jī)械密封的專業(yè)公司（英國的Crane公司、德國的Pacific公司等）。我國在20世紀(jì)60年代才相繼出現(xiàn)研究和生產(chǎn)機(jī)械密封的專業(yè)機(jī)構(gòu)（天津克蘭），目前已有四十年歷史，在普通機(jī)械密封領(lǐng)域技術(shù)及產(chǎn)品日趨成熟，大部分地方已能替代進(jìn)口產(chǎn)品，性能接近國外產(chǎn)品。目前國內(nèi)具有規(guī)模的研究、生產(chǎn)廠家已有十余個(gè)，并在高參數(shù)密封及新技術(shù)方面取得一定突破。機(jī)械密封廣泛用于石油、化工、冶金、煤炭、食品、醫(yī)療、電力、紡織、環(huán)保等諸多領(lǐng)域。機(jī)械密封具有性能好、使用壽命長、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠等特點(diǎn)，是現(xiàn)代企業(yè)流體輸送機(jī)械應(yīng)用最廣、最有前途的密封形式，對于減少環(huán)境污染、節(jié)約能源具有重大意義。

2023/2/63目錄一、機(jī)械密封原理二、機(jī)械密封的基本零件三、機(jī)械密封的計(jì)算四、機(jī)械密封用材料五、機(jī)械密封輔助系統(tǒng)六、機(jī)械密封性能的影響因素七、石化行業(yè)典型泵的密封八、機(jī)械密封的安裝和使用九、機(jī)械密封故障分析十、補(bǔ)充內(nèi)容2023/2/64（一）定義（二）組成（三）密封機(jī)理（四）輔助設(shè)施（五）機(jī)械密封的種類（六）旋轉(zhuǎn)式和靜止式機(jī)械密封（七）內(nèi)裝式和外裝式機(jī)械密封（八）內(nèi)流式和外流式機(jī)械密封（九）多彈簧和單彈簧機(jī)械密封（十）平衡型和非平衡型機(jī)械密封

一、機(jī)械密封原理2023/2/65（十一）補(bǔ)償機(jī)構(gòu)形式（十二）雙端面機(jī)械密封（十三）串聯(lián)式機(jī)械密封（十四）波紋管機(jī)械密封（十五）集裝式機(jī)械密封2023/2/66（一）對摩擦副密封環(huán)的要求（二）摩擦副匹配要考慮的因素（三）密封端面寬度（四）密封環(huán)的主要技術(shù)要求（五）摩擦副端面平面度檢測（六）密封端面的粗糙度要求（七）動(dòng)環(huán)（旋轉(zhuǎn)環(huán)）（八）靜環(huán)（不旋轉(zhuǎn)）（九）密封環(huán)的種類（十）整體式密封環(huán)二、機(jī)械密封的基本零件2023/2/67（十一）組合式（十二）熱裝式密封環(huán)（十三）熱裝式密封環(huán)的過盈值選擇（十四）輔助密封圈（十五）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用（十六）靜環(huán)防轉(zhuǎn)方式（十七）機(jī)械密封的彈性元件（十八）波紋管種類（十九）焊接金屬波紋管密封2023/2/68（一）補(bǔ)償環(huán)的受力狀況（二）密封端面中液膜反力的分布情況（三）液膜反力的計(jì)算（四）易汽化介質(zhì)中密封端面間的液膜壓力分布（五）膜壓系數(shù)的影響因素（六）彈簧比壓的計(jì)算（七）載荷系數(shù)K（八）端面比壓（九）波紋管的有效作用直徑de（十）PV值三、機(jī)械密封的計(jì)算2023/2/69（一）摩擦副材料要求（二）制造摩擦副的常用材料（三）碳石墨（四）硬質(zhì)合金WC（五）SiC陶瓷（六）Al2O3陶瓷及其它陶瓷介紹（七）表面堆焊硬質(zhì)合金（八）作摩擦副的金屬材料（九）填充聚四氟乙烯（十）輔助密封圈材料要求四、機(jī)械密封用材料2023/2/610（十一）合成橡膠（十二）柔性石墨（也稱膨脹石墨）（十三）彈性元件材料（十四）機(jī)械密封中基體材料2023/2/611（一）為什么機(jī)械密封要采用輔助系統(tǒng)（二）什么是輔助系統(tǒng)（三）自沖洗的形式（四）循環(huán)沖洗（五）注入式?jīng)_洗（六）沖洗液進(jìn)入密封腔的方式（七）沖洗量的確定（八）沖洗量的控制（九）沖洗壓力的確定（十）密封腔中的壓力確定五、機(jī)械密封輔助系統(tǒng)2023/2/612（十一）對沖洗流體的要求（十二）熱油泵的沖洗液選擇（十三）烷基化裝置中濃硫酸的沖洗液的選擇（十四）輕烴、輕油泵密封沖洗液的選擇

（十五）機(jī)械密封的冷卻方式

（十六）輔助設(shè)施在何種工況下必須選用2023/2/613（一）密封性的影響因素（二）機(jī)械密封端面的摩擦狀態(tài)（三）載荷系數(shù)對密封性能的影響（四）彈簧比壓對密封性能的影響（五）端面粗糙度對密封性能的影響（六）端面間縫隙形狀對密封性能的影響（七）產(chǎn)生端面不平行的原因（八）密封端面的機(jī)械變形（九）密封端面的熱變形（十）影響機(jī)械密封性能的其它因素六、機(jī)械密封性能的影響因素2023/2/614（一）石化行業(yè)高溫泵（熱油泵）密封分析（二）輕烴泵密封分析（三）低溫泵密封分析（四）高速機(jī)械密封七、石化行業(yè)典型泵的密封2023/2/615（一）安裝機(jī)封的泵的技術(shù)要求（二）安裝密封前要了解泵及介質(zhì)情況（三）機(jī)械密封的安裝（四）泵的抽空和汽蝕八、機(jī)械密封的安裝和使用2023/2/616（一）摩擦痕跡大于端面寬度（二）摩擦痕跡小于端面寬度（三）硬環(huán)上無摩擦痕跡（四）石墨端面出現(xiàn)均勻的環(huán)狀溝紋（五）石墨端面中間產(chǎn)生環(huán)狀深溝（六）石墨內(nèi)緣磨損（七）石墨環(huán)臺(tái)階過早全磨掉（八）石墨環(huán)外緣出現(xiàn)缺口（九）石墨環(huán)斷裂（十）石墨環(huán)出現(xiàn)蝕坑九、機(jī)械密封故障分析2023/2/617（十一）硬質(zhì)合金表面灼傷和裂紋（十二）其它故障簡介（十三）泵抽空密封失效現(xiàn)象（十四）密封腔中汽蝕，密封失效現(xiàn)象（十五）密封端面汽化的失效現(xiàn)象（十六）泵振動(dòng)過大的失效現(xiàn)象（十七）沒有沖洗的故障現(xiàn)象（十八）動(dòng)環(huán)選材注意事項(xiàng)2023/2/618（一）機(jī)械密封標(biāo)準(zhǔn)介紹（二）機(jī)械密封輔助系統(tǒng)（三）機(jī)械密封的安裝（四）磁力密封介紹（五）高壓機(jī)械密封研制十、補(bǔ)充內(nèi)容2023/2/619一、機(jī)械密封原理（一）定義（圖1-1）2023/2/620機(jī)械密封是一種用于旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械的軸封裝置。（用于離心泵、離心機(jī)、反應(yīng)釜、壓縮機(jī)等設(shè)備，軸和設(shè)備腔體間存在一個(gè)圓周間隙，設(shè)備介質(zhì)從中泄漏，因此必須設(shè)一道阻漏裝置。因機(jī)械密封具有泄漏少、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，成為了主要的軸密封方式，又叫端面密封。）在國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的定義：由至少一對垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的端面組成,在流體壓力及補(bǔ)償機(jī)構(gòu)彈力(或磁力)共同作用下，以及輔助密封圈的配合下，該對端面保持貼合并相對滑動(dòng)，而構(gòu)成的防止流體泄漏的裝置。

2023/2/6211、

密封端面：動(dòng)環(huán)、靜環(huán)───摩擦副2、

緩沖補(bǔ)償機(jī)構(gòu)：由彈性元件（圓柱彈簧、圓錐彈簧、波片彈簧、波紋管等）構(gòu)成。（使貼合）3、輔助密封圈：包括動(dòng)環(huán)密封圈、靜環(huán)密封圈等，有各種形式：如O型圈、V型圈、楔形圈等

（二）組成2023/2/6221、

4個(gè)密封點(diǎn)（亦稱4個(gè)泄漏點(diǎn)，如圖1-1）泄漏點(diǎn)1─摩擦端面泄漏點(diǎn)，依靠彈力和介質(zhì)壓力保持 貼和；（動(dòng)密封點(diǎn),兩個(gè)摩擦副之間有相對轉(zhuǎn)動(dòng)）泄漏點(diǎn)2─補(bǔ)償環(huán)密封圈，依靠密封圈的過盈量實(shí)現(xiàn)密封； （靜密封點(diǎn)，密封圈與軸或軸套之間有微動(dòng)）泄漏點(diǎn)3─非補(bǔ)償環(huán)密封圈，依靠密封圈的過盈量實(shí)現(xiàn)密封； （靜密封點(diǎn)，密封圈與相配合件之間相對靜止）泄漏點(diǎn)4─壓蓋與腔體間的密封圈，依靠密封圈的過盈量實(shí)現(xiàn) 密封；（靜密封點(diǎn)，密封圈與相配合件之間相對靜 止）（三）密封機(jī)理2023/2/6233、

原理通過一系列零件將徑向密封轉(zhuǎn)化為軸向密封，在彈簧和介質(zhì)壓力共同作用下，對由于設(shè)備運(yùn)行所造成的軸向磨損可以及時(shí)補(bǔ)償，使軸向密封面始終保持貼合。由于機(jī)械密封（軸向密封）在運(yùn)行中可以對軸向磨損進(jìn)行補(bǔ)償，而填料密封（徑向密封）不能對徑向磨損進(jìn)行補(bǔ)償，故機(jī)械密封比填料密封壽命長。

2、

傳動(dòng)關(guān)系軸或軸套───緊固螺釘5──彈簧座4──彈簧3─補(bǔ)償環(huán)1壓蓋──防轉(zhuǎn)銷8─非補(bǔ)償環(huán)62023/2/624通過沖洗、冷卻、過濾、分離等方式進(jìn)行冷卻和潤滑，從而改善密封的工作環(huán)境，減少密封的泄漏量，延長使用壽命。應(yīng)當(dāng)把它看作機(jī)械密封的組成部分。

（四）輔助設(shè)施2023/2/6251、

按使用條件分類（1）高速密封（ZBJ22-001-88：線速度25～100m/s）和普通密封（2）高壓和低壓密封（3）高溫、常溫和低溫密封（4）泵用、釜用和壓縮機(jī)用密封（5）耐腐蝕、抗顆粒機(jī)械密封2、

通常按結(jié)構(gòu)分類多彈簧、單彈簧密封旋轉(zhuǎn)式、靜止式密封外裝式、內(nèi)裝式密封外流式、內(nèi)流式密封（五）機(jī)械密封的種類2023/2/626（1）旋轉(zhuǎn)式：補(bǔ)償機(jī)構(gòu)（彈性元件）隨軸旋轉(zhuǎn)。（由于安裝方便，普通密封大多采用，但易產(chǎn)生不平衡，而且消耗攪拌功率，所以不能用于高速）（2）靜止式：補(bǔ)償機(jī)構(gòu)（彈性元件）不隨軸旋轉(zhuǎn)。（用于高速）

（六）旋轉(zhuǎn)式和靜止式機(jī)械密封（圖1-2）

2023/2/6272023/2/628（七）內(nèi)裝式和外裝式機(jī)械密封（圖1-3）2023/2/629（1）

內(nèi)裝式：靜環(huán)裝在壓蓋內(nèi)側(cè)，靜環(huán)端面面向工作腔。（用于溫度、壓力較高，腐蝕性不強(qiáng)的場合）（2）外裝式：靜環(huán)裝在壓蓋外側(cè)，靜環(huán)端面背向工作腔。（用于低壓、腐蝕性強(qiáng)的場合）

2023/2/630（一般和內(nèi)裝式、外裝式一致）

（1）內(nèi)流式：泄漏方向朝向軸心。（一般密封都采用這種結(jié)構(gòu)）（2）外流式：泄漏方向朝向離心力方向。（泄漏量大，只有在壓力、溫度都不高的腐蝕性介質(zhì)中用）

（八）內(nèi)流式和外流式機(jī)械密封2023/2/631（1）多彈簧：（又叫小彈簧，軸向尺寸小，軸向彈力均勻）宜用于高速，不宜用于腐蝕性介質(zhì)。（2）單彈簧：（又叫大彈簧，軸向尺寸大，軸向彈力不均勻）不宜用于高轉(zhuǎn)速的場合。

（九）多彈簧和單彈簧機(jī)械密封2023/2/632（1）平衡型：載荷系數(shù)K＜1.0（用于高壓場合）（2）非平衡型：載荷系數(shù)K≥1.0（用于普通壓力場合）

（十）平衡型和非平衡型機(jī)械密封

2023/2/633（1）磁力：系統(tǒng)壓力較低時(shí)用（2）波片彈簧、錐形彈簧、螺旋圓柱大彈簧、小彈簧

（3）橡膠波紋管、聚四氟乙烯波紋管、金屬波紋管

（十一）補(bǔ)償機(jī)構(gòu)形式2023/2/634兩套密封面對面或背對背安裝在一起。用于工作介質(zhì)有毒、易燃、易爆、易揮發(fā)、易結(jié)晶、高溫、低溫，或氣體、高真空度等場合。兩套密封之間形成一個(gè)密封腔，在密封腔中引入封液：堵封、潤滑、冷卻，選潔凈、潤滑性好的封液介質(zhì)。

（十二）雙端面機(jī)械密封（圖1-4）2023/2/635兩套密封沿同一方向布置，密封腔壓力逐級降低用于高壓場合。

（十三）串聯(lián)式機(jī)械密封（圖1-5）2023/2/636去掉了補(bǔ)償環(huán)密封圈及其摩擦阻力，補(bǔ)償環(huán)密封圈改至彈簧座處，補(bǔ)償環(huán)追隨性提高，而且避免了補(bǔ)償環(huán)密封圈因軸串、振動(dòng)所產(chǎn)生的磨損。金屬波紋管用于高溫介質(zhì)，聚四氟乙烯波紋管用于腐蝕性介質(zhì)。

（十四）波紋管機(jī)械密封2023/2/637將機(jī)械密封、軸套、壓蓋組合成一個(gè)整體。安裝時(shí)只需固定壓蓋、軸套，取下定位擋塊即可。安裝方便，排除了安裝不良的影響。（一般擋塊厚度為彈簧壓縮量，從外部易于觀測）

（十五）集裝式機(jī)械密封（圖1-6）2023/2/638二、機(jī)械密封的基本零件（一）對摩擦副密封環(huán)的要求摩擦副密封環(huán)是機(jī)械密封的主要元件，它在很大程度上決定了機(jī)械密封的性能和壽命。因此，對它有一些基本要求。

（1）足夠的強(qiáng)度和剛度保證在工作條件（如壓力，溫度，滑動(dòng)速度等）下不損壞，變形小，工作條件波動(dòng)時(shí)影響小。（2）端面有足夠的硬度、耐腐蝕性能確保使用壽命。2023/2/639（3）耐熱沖擊力高的導(dǎo)熱系數(shù)，低的線膨脹系數(shù)。（4）較小的摩擦系數(shù)，良好的自潤滑性，材料與介質(zhì)有很好的浸潤性短時(shí)間干摩擦，不損傷端面。（5）易加工，材料成本低2023/2/640（1）一般選擇一軟一硬的材料配對，軟環(huán)作窄環(huán)，如 YG6/M106K，只有介質(zhì)含固體顆粒、易結(jié)晶、粘度高 時(shí)才選用硬對硬。（2）盡量采用內(nèi)裝、內(nèi)流式結(jié)構(gòu)，防止機(jī)械雜質(zhì)進(jìn)入密封端面，減少泄漏量。（3）選導(dǎo)熱性良好材料作動(dòng)環(huán)。以利散熱，降低端面溫度。（4）環(huán)的壁厚不可太薄，以保證整體強(qiáng)度、剛度，也利散熱（導(dǎo)熱欠佳的材料，可薄一些）。（5）動(dòng)環(huán)和軸（軸套）間隙A11（0·4~0·6）以利補(bǔ)償靜環(huán)和軸（軸套）間隙1~3mm以免摩擦

（二）摩擦副匹配要考慮的因素2023/2/641（1）主要決定窄環(huán)（軟環(huán)）寬度，寬環(huán)外徑—窄環(huán)外徑

≥0.5，寬環(huán)內(nèi)徑≤窄環(huán)內(nèi)徑－0.5；

（2）泄漏量與摩擦副端面寬度關(guān)系不大

（3）窄的端面摩擦熱少，溫度梯度小，熱變形小，磨損均勻；

（4）從受力角度出發(fā)，窄的端面整體強(qiáng)度和剛度差，易損壞或變形。因此應(yīng)綜合考慮。對于普通密封，端面寬度推薦值如下：

（三）

密封端面寬度2023/2/642寬系列用于組對性能好（如YG6/M106K、SiC/M106K）、工況條件好的場合窄系列用于組對性能欠佳（如YG6/YG6、YG6/青銅）、飽和蒸氣壓高、易揮發(fā)、顆粒介質(zhì)，高速機(jī)械密封，（對于輕烴介質(zhì)，在強(qiáng)度夠的情況下，取窄系列）。

軸

徑≤16≤35≤55≤70≤100≤120寬系列2.53.04.05.06.07.0中系列2.02.53.04.05.05.0窄系列1.52.02.02.53.03.02023/2/643（１）平面度0.0009，硬質(zhì)Ｒａ≤0.2，軟質(zhì)Ｒａ≤0.4，表面不應(yīng)有裂紋、劃傷、氣孔、疏松等缺陷。（２）密封環(huán)端面與安裝輔助密封圈處的平行度、垂直度按ＧＢ１１８４－８０的７級精度要求。（３）安裝輔助密封圈處粗糙度：Ｒａ≤3.2，徑向尺寸公差Ｈ８或ｈ８。上述要求是對普通機(jī)械密封而言，對轉(zhuǎn)速較低的釜用機(jī)械密封可適當(dāng)放寬標(biāo)準(zhǔn)，對高速機(jī)封要求更高。

（四）密封環(huán)的主要技術(shù)要求2023/2/644平面度0.0009，普通量具無法檢測，通常利用光波的干涉效應(yīng)來檢測。（1）光波的干涉效應(yīng)

根據(jù)波動(dòng)學(xué)原理，兩波產(chǎn)生干涉的條件是：（a）兩波在相遇點(diǎn)振向一致；（b）兩波具有相同的頻率；（c）兩波在相遇點(diǎn)有固定的周相差

。（兩個(gè)同樣的鈉光燈不行，只有用同一光源發(fā)出的光設(shè)法分成兩束，才滿足相干條件）（五）摩擦副端面平面度檢測2023/2/645滿足相干條件的兩束光的疊加效果是：在波程差為波長整數(shù)倍的地方，光強(qiáng)度加強(qiáng)；在波程差為半個(gè)波長的奇數(shù)倍的地方，光強(qiáng)度減至零（變暗）。這就是光的干涉原理。

2023/2/646（2）平面度檢測原理設(shè)入射角i=0，e為氣膜厚度（即是被檢測面上點(diǎn)到平晶的距離），λ為光波波長，δ為光的波程差，那么δ=2e＋λ/2當(dāng)δ=kλ時(shí)，被檢測面上點(diǎn)變暗；δ=(2k＋1)λ/2，被檢測面上點(diǎn)變亮

；（其中k=0,1,2,3,4,…，k為整數(shù)）由以上公式可以得出下面結(jié)論：

（?。┫噜弮蓷l光帶所對應(yīng)兩點(diǎn)的氣膜厚度差（高度差）為λ/2，（對于鈉光燈λ=0.589μm，λ/2≈0.3μm）2023/2/647（ⅱ）相鄰兩條光帶寬b=λ/2Sinθ，（θ為空氣膜傾斜角）（ⅲ）當(dāng)e=0時(shí)，δ=λ/2（半波損失），出現(xiàn)暗條紋；（1）合格光帶舉例2023/2/648（2）平面度檢測器（圖2-3）平晶：由派利克斯玻璃、熔凝水晶或折射系數(shù)為1.516的光學(xué)玻璃制造。表面平面度0.1μm(2級)，0.03μm(1級)。光源:鈉光燈(λ=0.589μm)2023/2/649密封端面承載能力與表面粗糙度有很大關(guān)系，大約有如下關(guān)系：

（六）密封端面的粗糙度要求精車磨加工研磨拋光粗糙度3.20.80.40.2承載面積（%）4124095端面比壓增加（倍）247.31.50.052023/2/650由此可以看出，密封端面粗糙度應(yīng)在0.2以上，否則，端面比壓比理論值高的多，結(jié)果是高點(diǎn)接觸，局部壓力很高；由于摩擦副的硬度、剛度的差異，局部高點(diǎn)發(fā)熱甚至產(chǎn)生裂紋。石墨環(huán)表面磨出細(xì)微的環(huán)狀溝紋。泵的振動(dòng)和動(dòng)、靜環(huán)的不同心會(huì)加劇這種磨損。被磨掉的顆粒存在于端面中，形成磨粒磨損，磨損加劇，有時(shí)在泄漏的介質(zhì)中可以看到石墨黑漿。

2023/2/651非補(bǔ)償動(dòng)環(huán)（只旋轉(zhuǎn)，不能補(bǔ)償，其后無彈性元件。)補(bǔ)償動(dòng)環(huán)（既旋轉(zhuǎn)，又作軸向補(bǔ)償，其后有彈性元件。)（ⅰ）輔助密封圈受軸向力，軸向、徑向都起密封作用，這種密封方式較為可靠。（ⅱ）輔助密封圈只受徑向力，易產(chǎn)生老化、冷流變形，從而導(dǎo)致密封失效。（ⅲ）波紋管：無作軸向補(bǔ)償?shù)妮o助密封圈，因此，浮動(dòng)性好，密封圈不易失效。

（七）動(dòng)環(huán)（旋轉(zhuǎn)環(huán)）

2023/2/652非補(bǔ)償靜環(huán)（不旋轉(zhuǎn)不補(bǔ)償）：主要有三種安裝方式：浮裝式、托裝式、夾固式。補(bǔ)償靜環(huán)（不旋轉(zhuǎn)只補(bǔ)償）：其輔助密封圈情況和補(bǔ)償動(dòng)環(huán)基本一致。

（八）靜環(huán)(不旋轉(zhuǎn))2023/2/653整體式（用同一種材料制造）、組合式（如鑲嵌）、表面堆焊、表面噴涂

（九）密封環(huán)的種類2023/2/654（十）整體式密封環(huán)各個(gè)部位性能均勻一致，最常用的有：石墨、SiC、鈷基硬質(zhì)合金、鎳基硬質(zhì)合金、NiCr基硬質(zhì)合金、陶瓷等。2023/2/655整體環(huán)價(jià)格高，加工困難，因此出現(xiàn)組合式密封環(huán)。組合式包括：（?。嵫b式（ⅱ）帶密封圈式（無組合應(yīng)力、無應(yīng)力變形；開槽、打孔麻煩，多一泄漏點(diǎn)）

（十一）組合式2023/2/656優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)異，價(jià)格較低，運(yùn)用較多。缺點(diǎn)：（?。┮蜻^盈接觸不均勻，而產(chǎn)生機(jī)械變形。（ⅱ）兩種材料線膨脹系數(shù)不一致，當(dāng)溫度變化時(shí)，過盈量變化，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力變形。

（十二）熱裝式密封環(huán)2023/2/657Δδ=δ－Dp（α1－α2）ΔT式中Δδ：工作溫度時(shí)的過盈量δ：常溫過盈量Dp：鑲嵌直徑α1：座線脹系數(shù)α2：環(huán)的線脹系數(shù)ΔT=工作溫度－常溫（20。C）（YG6：4.5×10－61/。C1Cr18Ni9Ti：16.6×10－61/。C3Cr13：11.5×10－61/。C）（1）在滿足傳遞扭矩的情況下，取最小過盈值；（十三）熱裝式密封環(huán)的過盈值選擇2023/2/658（2）由上式，當(dāng)使用溫度為300°C時(shí)，對

YG6/1Cr18Ni9Ti，過盈量為：δ=Dp（16.6－4.5）×10－6×（300－20）=3.4×10－3Dp

（以便記憶）（3）長期放置的鑲嵌環(huán)，使用前要檢查平面度；（4）對大直徑、高轉(zhuǎn)速(環(huán)座產(chǎn)生離心力)、彈性模量小的材質(zhì)(4J42、鈦合金)，過盈量可相應(yīng)大一些。（5）高溫200°C以上少用熱裝式結(jié)構(gòu)，否則要核算過盈量。2023/2/659（1）材料要求（?。┰诠ぷ鳒囟认履徒橘|(zhì)腐蝕（ⅱ）足夠的彈性（ⅲ）有一定強(qiáng)度(柔性石墨因強(qiáng)度差，使用場合受到限制)（ⅳ）耐磨（ⅴ）易加工、價(jià)格低（2）種類（?。┌床牧戏郑汉铣上鹉z、聚四氟乙烯、柔性石墨等；（ⅱ）按截面形狀分：矩形、V形、楔形、包四氟形等；

（十四）輔助密封圈2023/2/660把軸或軸套的運(yùn)動(dòng)方式(旋轉(zhuǎn))傳遞給動(dòng)環(huán)，一般是通過鍵、緊定螺釘、傳動(dòng)螺釘、銷、R槽、撥叉、彈簧、波紋管等的組合來傳遞運(yùn)動(dòng)。（1）緊定螺釘（頂絲）傳動(dòng)：在軸表面劃凹坑，否則易打滑失效，特別當(dāng)直徑較大和溫度較高時(shí)。（2）鍵＋臺(tái)階傳動(dòng)（3）撥叉?zhèn)鲃?dòng)（一邊開槽一邊伸爪）（4）并圈彈簧傳動(dòng)（彈簧旋向必須和軸旋向一致）（十五）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用2023/2/661（5）銷釘傳動(dòng)（6）凸耳傳動(dòng)（7）勾圈彈簧傳動(dòng)（8）波紋管傳動(dòng)（9）螺帽固定2023/2/662（1）浮裝式（可以在軸向、徑向設(shè)計(jì)防轉(zhuǎn)銷）（2）托裝式(一般小扭矩可不用銷，要注意端面垂直度)（3）夾固式(浮動(dòng)性差，注意端面垂直度)（4）防抽空(前加卡環(huán))（十六）靜環(huán)防轉(zhuǎn)方式

2023/2/663螺旋壓縮彈簧錐形彈簧：軸向尺寸較小碟形彈簧：軸向尺寸小波片彈簧：軸向尺寸小并圈彈簧、帶勾彈簧：雙功能(彈力、傳動(dòng))波紋管：三功能(彈力、傳動(dòng)、密封)（十七）機(jī)械密封的彈性元件2023/2/664橡膠波紋管：用于中性介質(zhì)：水、油，壓力、溫度都不高的場合；聚四氟乙烯波紋管：用于腐蝕性介質(zhì)，酸、堿；金屬波紋管：用于高溫、高速(追隨性好)。

(十八)波紋管種類2023/2/665（1）

制造采用厚度為0.1-0.2mm的沉淀硬化不銹鋼薄帶(AM350、0Cr17Ni17Ti、0Cr15Ni17Mo2Al、INCONEL-X-750及Ti合金、HasterlloyC-276等)沖壓成截面為S形的片狀環(huán)形件，再焊接成型(用微束等離子焊)。沉淀硬化不銹鋼焊接后須經(jīng)熱時(shí)效處理，將奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，并使馬氏體中析出金屬化合物，沉淀出硬化相，從而獲得高強(qiáng)度、較高的塑性及屈強(qiáng)比（σS/σD＞0.8~0.9）。例：AM350熱失效：真空爐850°C進(jìn)行淬火處理，再進(jìn)行－80°C的低溫處理(制冷劑F12)，以達(dá)到增加彈性、穩(wěn)定尺寸的目的。（十九）焊接金屬波紋管密封2023/2/666（2）特點(diǎn)焊接金屬波紋管密封不用會(huì)產(chǎn)生較小滑移的輔助密封圈，使用溫度范圍廣：－200~600°C。高速下對軸的振動(dòng)、振擺適應(yīng)性強(qiáng)，追隨性好。

（3）彈率(即剛度N/mm)k=πEt3（d1＋d2）/2nB3·d2/d1

E：工作溫度下彈性模量（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)。

2023/2/667t：波片厚度mmn：波數(shù)d1/d2：管子內(nèi)外徑mmB：波紋管片寬（d2－d1）/2公式中未考慮波片斷面形狀，具有一定誤差，實(shí)際生產(chǎn)中用彈簧測力計(jì)測彈率。

2023/2/668三、機(jī)械密封的計(jì)算

（一）補(bǔ)償環(huán)的受力狀況

要進(jìn)行端面比壓計(jì)算，首先要分析補(bǔ)償環(huán)的受力情況。如圖，補(bǔ)償環(huán)受到的力有：2023/2/669向左的：彈簧力Ft、介質(zhì)壓力所產(chǎn)生的作用力Fp向右的：液膜反力Fm、靜環(huán)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端面比壓P=F/S（S為端面面積）上面各項(xiàng)力的計(jì)算方法在后面章節(jié)再加以敘述。

2023/2/670（二）密封端面中液膜反力的分布情況2023/2/671在d2處，端面間液膜壓力等于P介。在d1處，端面間液膜壓力近似為零。對于中間分布情況，人們通過大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，各點(diǎn)的壓力分布與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)，還與端面中的相態(tài)和摩擦狀態(tài)有關(guān)。對于丁烷等(粘度小、易汽化介質(zhì))，壓力分布成凸拋物線狀1。對于水等(中等粘度介質(zhì))，壓力分布成直線性2。對于潤滑油等(高粘度介質(zhì))，壓力分布成凹拋物線狀3。

2023/2/672Fm=λP介

S（液膜比壓Pm=λP介）λ：膜壓系數(shù)≈0.5（中粘度），=0.65～0.75（低粘度），=0.3～0.4（高粘度）。它是一個(gè)平均值，表示液膜壓力占介質(zhì)壓力的比例，并不表示壓力的分布情況。該公式為端面比壓的計(jì)算提供了方便。S：端面面積S=π（d22－d12）/4（三）液膜反力的計(jì)算

2023/2/673易汽化介質(zhì)（如液態(tài)烴等）的機(jī)械密封一直是石化行業(yè)中較難解決的問題，其原因是膜壓系數(shù)不穩(wěn)定，因其在端面中的相態(tài)和摩擦狀態(tài)不穩(wěn)定。因此弄清端面間的壓力分布，對于正確計(jì)算液膜反力很有必要。

（四）易汽化介質(zhì)中密封端面間的液膜壓力分布2023/2/674大家都知道，對于輕烴類介質(zhì)，端面縫隙中存在氣液兩相。rb為汽化半徑，此處液膜壓力=P飽和（tp），tp處溫度最高。r2～rb區(qū)域，液膜壓力成線性分布，液相rb～r1區(qū)域，液膜壓力成拋物線分布，氣相對于易汽化介質(zhì)膜壓系數(shù)λ，中國石油大學(xué)顧永泉教授提出一個(gè)計(jì)算公式：λ=2/3×/P1＋（1/2－1/6×Pf/P1）（r2～rb）/(r2

－r1)式中：Pf：rb處氣化壓力P1：介質(zhì)壓力rb：氣化半徑r2/r1：端面外半徑/內(nèi)半徑計(jì)算值一般在0.70～0.85之間。

2023/2/675（1）端面幾何尺寸，由上面公式可以看出。（2）密封結(jié)構(gòu)：前面講的都是對內(nèi)流式而言的，對外流式，λ還要增大0.2左右，對于中等粘度介質(zhì)λ=0.7（3）摩擦狀態(tài)：邊界摩擦（端面多個(gè)高點(diǎn)直接接觸承壓。液膜厚度只有幾個(gè)分子厚，且不連續(xù)，幾乎不承壓，只起潤滑作用，λ=0）、液體摩擦（全液膜，泄漏量大，機(jī)械密封一般不采用）、混和摩擦（介于以上兩種之間,這是機(jī)械密封端面摩擦的主要形式）（4）端面縫隙情況：漸開形，λ減?。粷u收形，λ增大（5）其他因素：轉(zhuǎn)速高，對于內(nèi)流式λ減小，對于外流式λ增大。此外端面比壓、密封面溫度、粗糙度等都有一定影響。

（五）膜壓系數(shù)的影響因素2023/2/676Pt=F彈/SF彈可計(jì)算得出，但一般有誤差±10%，這是由于制造廠、制造工藝、原材料的化學(xué)成分、熱處理工藝等存在差異的緣故。一般Pt=0.15~0.2Mpa(內(nèi)裝)，0.3~0.6Mpa(外裝)，反應(yīng)釜中，轉(zhuǎn)速低，軸擺動(dòng)大，取大值。

（六）彈簧比壓的計(jì)算2023/2/677介質(zhì)壓力對補(bǔ)償環(huán)的有效作用A面積與端面面積S之比。K=A/S（七）載荷系數(shù)K2023/2/678K=（d22－d02）/（d22－d12）d0為介質(zhì)分界圓直徑當(dāng)K≥1時(shí)，機(jī)械密封為非平衡型；當(dāng)K＜1時(shí)，機(jī)械密封為平衡型；平衡系數(shù)β=100（1-K）%載荷比壓：P載=KP介2023/2/679 P=Pt+P載－P液膜

=Pt+（K-λ）P介

（內(nèi)裝式） 對于雙端面機(jī)械密封介質(zhì)側(cè)： P液膜=P外＋λ（P內(nèi)－P外）P載=KP內(nèi)＋（1－K）P外所以：P=Pt＋KP內(nèi)＋（1－K）P外－［P外＋λ（P內(nèi)－P外）］=Pt＋KP內(nèi)＋P外－KP外－P外－λ（P內(nèi)－P外） =Pt＋K（P內(nèi)－P外）－λ（P內(nèi)－P外） =Pt＋（K－λ）（P內(nèi)－P外） =Pt＋（K－λ）ΔP（八）端面比壓

2023/2/680端面比壓的選取原則：（1）必須高于彈簧比壓；（2）必須大于介質(zhì)在端面溫度升高時(shí)的飽和蒸汽壓；在保證以上條件下，盡量取小值，以防端面發(fā)熱，破壞液膜，加劇磨損，功率消耗增大，密封使用壽命減短。同時(shí)考慮以下原則：（1）對自潤滑性好的組對（M106K/SiC、YG6/SiC、M106K/YG6）可以取稍大值(因液膜不易被破壞，摩擦系數(shù)不易增加。)。（2）對于外裝式機(jī)械密封，可以取稍小值（因介質(zhì)比壓很小，而Pt不可能很大。）。（3）對于高粘度介質(zhì)，取稍大值（以保持端面貼合）。（4）易揮發(fā)介質(zhì)（飽和蒸汽壓高）稍小值（以減少溫升）。

2023/2/681推薦的端面比壓值

因素程度內(nèi)

裝

式機(jī)械密封外

裝

式機(jī)械密封飽和蒸汽壓接近水比水低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摩擦副材料其中一個(gè)為塑料0.2~0.30.15~0.25匹配的硬/硬0.7~1.20.4~0.6匹配的硬/軟0.5~1.00.3~0.52023/2/682端面比壓中有一項(xiàng)K，K=A/S A：介質(zhì)有效作用面積，A=π（d22－de2）/4，de為有效直徑。

S：密封端面面積

S=π（d22－d12）/4（九）波紋管的有效作用直徑de2023/2/683（1）金屬波紋管內(nèi)裝內(nèi)流式：deo=（di＋do）/2－Z外裝外流式：dei=（di＋do）/2＋Z修正系數(shù)Z=0.671P介0.797（2）聚四氟乙烯波紋管矩形波：de=［（di2＋do2）/2］1/2鋸齒波：de=［（di2＋do2＋dido）/3］1/2橡膠波紋管de無法準(zhǔn)確計(jì)算，一般由試驗(yàn)獲得。

2023/2/684密封端面的摩擦熱同時(shí)取決于壓力和速度。密封端面的性質(zhì)要考慮P、V的乘積，即PV值。PV值過大：液膜氣化，密封失效，端面嚴(yán)重磨損。因此對一定摩擦系數(shù)的端面材料組對，對某種介質(zhì)有一許用PV值。P：端面比壓

V=π（d1＋d2）n/120×10－3PV＜［PV］（十）PV值2023/2/685各種組對在非平衡型機(jī)械密封中的許用［PV］值SiC/石墨SiC/SiCWC/石墨WC/WCWC/填充PTFEWC/青銅Al2O3/石墨Cr2O3噴涂/石墨Stellite/石墨18014.57~154.4523~7.5153~92023/2/686四、機(jī)械密封用材料（一）摩擦副材料要求摩擦副是機(jī)械密封的主要零件，其性能好壞在很大程度上決定密封性能，因此對材料有一定的要求：（1）耐蝕性：有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，能抵抗介質(zhì)的腐蝕、磨蝕、溶解和溶脹。（2）物理機(jī)械性能：較高的彈性模量（E=σ（應(yīng)力）/ε（應(yīng)變），剛度=力/變形）、強(qiáng)度及許用［PV］值，低的摩擦系數(shù)和線膨脹系數(shù)，優(yōu)良的耐磨性、自潤滑性以及良好的不滲透性等。（3）熱力性能：很好的導(dǎo)熱性、耐熱性、耐寒性和耐溫度的急變性。（4）材料來源方便，易加工，成本低廉。

2023/2/687硬質(zhì)合金工程陶瓷（Al2O3陶瓷、Al2O3金屬陶瓷、Si3N4陶瓷、鉻鋼玉陶瓷、碳化硼陶瓷、噴涂陶瓷、SiC、可切削微晶玻璃）碳石墨填充聚四氟乙烯金屬材料：鑄鐵類及銅合金也有鉻鋼淬火材料下面分別予以討論。

（二）制造摩擦副的常用材料

2023/2/6881、特點(diǎn)（1）具有較高導(dǎo)熱性，(碳導(dǎo)熱系數(shù)為20~40W/m·k，石墨為

40~128W/m·k，)是非金屬中導(dǎo)熱最好的材料，僅次于銀、銅、鋁，比Hasterlloy好。（2）具有低的線膨脹系數(shù)（2~6×10－6/℃），是金屬的

1/2~1/4。（3）具有良好的耐腐蝕性，在空氣中400℃以下穩(wěn)定，除強(qiáng)氧化性介質(zhì)（如王水、鉻酸、濃硫酸及鹵族元素）外，可耐其它酸、堿、鹽及一切有機(jī)化合物的腐蝕，其耐蝕程度隨石墨的種類和浸漬劑的不同而異。（三）碳石墨

2023/2/689（4）具有極好的自潤滑性和低的摩檫系數(shù)，那是因?yàn)槭推渌牧辖M對時(shí)，石墨轉(zhuǎn)移到其它材料表面，形成石墨和石墨相對摩檫。石墨和金屬摩檫系數(shù)為

0.04~0.05，在全液潤滑條件下，f=0.008~0.01。因此它的組對性能好。（5）石墨的抗拉強(qiáng)度較低，抗壓強(qiáng)度較高，屬脆性材料。由于硬度較低，被廣泛用作軟環(huán)，易于加工。缺點(diǎn)是氣孔率大，一般在18%～22%。實(shí)際應(yīng)用石墨都必須是浸漬過的，以堵塞氣孔，提高密封性。2023/2/6902、石墨的種類石墨是采用焦炭粉和石墨粉，用瀝青作粘結(jié)劑，模壓成型，置于高溫中焙燒而成。根據(jù)所用原料和燒結(jié)溫度與時(shí)間的不同，可以制成不同物理機(jī)械性能的石墨。一種為碳素石墨，用M1表示，一種是電化石墨，用M2表示（材料組分不一樣，M2還需2400~2800℃高溫石墨化處理）。還有一種是樹脂碳石墨：燒結(jié)石墨粉碎后，用樹脂作粘結(jié)劑，混和后壓制燒結(jié)而成（M3）。M1：質(zhì)硬而脆，導(dǎo)熱系數(shù)低，加工困難。M2：質(zhì)軟，強(qiáng)度低，自潤滑性好。M3：［PV］值不高，價(jià)格便宜，石化行業(yè)較少采用。

2023/2/6913、石墨浸漬劑種類一般浸漬后，成為不透氣制品，對導(dǎo)熱性無明顯影響，但強(qiáng)度、硬度有很大提高。常用浸漬劑有：環(huán)氧樹脂（H）、呋喃樹脂（K）、酚醛樹脂（F）、巴氏合金（B）、鋁合金（L）、銅合金（P）、銻合金（D）、銀合金（G）。F：耐酸性好

H：耐堿性好

K：酸堿都耐＜200℃

浸金屬：耐高溫

2023/2/6921、

金屬碳化物WC熔點(diǎn)非常高，要制成產(chǎn)品，用普通的冶煉方法行不通。通常把它制成粉末，混以熔點(diǎn)較低的金屬（Co、Ni等），壓制成型，高溫?zé)Y(jié)，較低熔點(diǎn)金屬熔化，將WC粘結(jié)成一個(gè)整體，制成硬質(zhì)合金。2、

硬質(zhì)合金具有以下優(yōu)良性能：（1）硬度高HRA87～94（洛氏硬度），耐磨粒磨損，是懸浮顆粒介質(zhì)的理想摩擦副。

附：布氏硬度HB、洛氏硬度HRA(軟)、HRB(中)、HRC(硬)、維氏硬度HV比較

HRCHRAHRBHBHV2060.299216230（20～65）

70～83.6（60～100）

99～137105～237檢測硬度由大到小

（四）硬質(zhì)合金WC

2023/2/693（2）抗彎強(qiáng)度高1400～2000N/mm2。（3）導(dǎo)熱系數(shù)高，線膨脹系數(shù)小(5×10－6/℃左右)，耐高溫＞600℃。（4）摩擦系數(shù)低，組對性能好。（5）較好的耐腐蝕性，牌號不同，耐腐蝕性不同。

3、種類

（1）Co基硬質(zhì)合金：YG6、YG8、YG15，后面數(shù)字為Co的百分含量，Co多，硬度略下降。Co易氧化，不宜用于酸等腐蝕性介質(zhì)，但在一般溫度H2SO4.、沸點(diǎn)以下NaOH中可用。

2023/2/694（2）耐蝕硬質(zhì)合金：WC—Ni：WYN8(8%CrNi)，強(qiáng)度為WC-Co的70-80%，硬度小0.5~1HRA。WC-Ni-Cr：W7(9%CrNi)，強(qiáng)度、硬度與WC-Co相當(dāng)。（3）鋼結(jié)硬質(zhì)合金TiC—合金鋼：GT35、R5、R8，耐HNO3、H2SO4、氨水，不耐強(qiáng)堿、HCl、FeCl3液。燒結(jié)成形后可進(jìn)行機(jī)械加工，然后再進(jìn)行熱處理，可制作復(fù)雜零件，硬度稍差(HRC＜60~65)，比重小，自潤滑性好。

2023/2/695SiC是一種新型陶瓷，由于高密度成形技術(shù)的發(fā)展，80年代開始，國外紛紛用它作高PV值的組對材料，是到目前為止發(fā)現(xiàn)的最好的摩擦副材料，具備各種優(yōu)良性能。重量輕，為WC的1／5，比強(qiáng)度高，摩擦系數(shù)小，硬度略高于硬質(zhì)合金，HRA90~94，抗輻射性好，具有一定的自潤滑性，組對性好，化學(xué)穩(wěn)定性、耐熱性、熱傳導(dǎo)性都很優(yōu)異。在500℃以下，幾乎耐所有的酸和堿，除振動(dòng)沖擊大，或有顆粒介質(zhì)場合外，幾乎所有的硬質(zhì)合金都可用它取代，價(jià)格略比WC便宜。缺點(diǎn)：脆性材料，抗機(jī)械沖擊性稍差。

（五）SiC陶瓷2023/2/696由于制造工藝不同，性能略有差異，目前主要有4種類型：1、

反應(yīng)燒結(jié)SiC（SiC＋Si組成的致密燒結(jié)物）［（α-SiC粉＋石墨粉＋助熔劑）混和＋有機(jī)粘結(jié)劑］壓制成型，放入Si粉坩鍋內(nèi)，在真空爐加熱1600~1800℃，生成β-SiC。這種SiC由α-SiC、β-SiC、游離硅組成，由于游離Si和孔隙的存在，它不耐強(qiáng)堿和氧化性介質(zhì)。優(yōu)點(diǎn)：收縮率小，耐熱沖擊性好，成本低，適于批量生產(chǎn)。2、常壓燒結(jié)SiC采用超細(xì)SiC粉（粒度在0.1~0.2μm），加適當(dāng)?shù)奶砑觿?、粘結(jié)劑壓制成型，然后在2000~2200℃的溫度下燒結(jié)而成。適用于數(shù)量少，規(guī)格品種多的密封環(huán)。致密度高達(dá)97%以上。

2023/2/6973、熱壓燒結(jié)SiC粒度≤1μm的SiC粉，加上適當(dāng)?shù)奶砑觿?，裝入石墨模具內(nèi)，在2000~2100℃的熱壓爐內(nèi)加壓（30~50MPa）制成。這是SiC中化學(xué)穩(wěn)定性最好的一種。（因?yàn)樵谘趸瘹夥障?，表面生成了一種SiO2保護(hù)膜，耐腐蝕性最好。）質(zhì)密度高達(dá)97%以上。4、氣相滲透SiC（又叫硅化石墨）以石墨為基體，按最終產(chǎn)品形狀加工好后，導(dǎo)入Si源，采用化學(xué)氣相沉積法在1800~2200℃的高溫下反應(yīng)生成。，滲透層厚度可達(dá)1.5mm，成SiC表層，表層還有10%的石墨，具有氣體不滲透性，C、Si之間無明顯的邊界層。這種SiC既具有碳石墨優(yōu)點(diǎn)，又具有SiC特性，是一種很有前途的碳基復(fù)合材料。氣相滲透SiC與常壓燒結(jié)SiC組對，可用于高速場合，即使處于半干摩擦工況條件下也不易產(chǎn)生卡滯與擦傷。

2023/2/6981、Al2O3分為99瓷（99%Al2O3、1%MgO，HRA85~90）和95瓷（94.5%Al2O3、2%SiO2、3%CaCO3、2%Cr2O3，HRA78~82）。具有很好的耐蝕性，可以經(jīng)受各種酸類、堿類、鹽類和各種有機(jī)溶劑及強(qiáng)氧化劑腐蝕。硬度高，僅次于金剛石和碳化硼，耐磨性好，機(jī)械強(qiáng)度和普通鑄鐵差不多，材料來源廣泛，制造工藝簡單。缺點(diǎn)：質(zhì)脆，導(dǎo)熱性不好，耐熱沖擊性差。（Al2O3/Al2O3組對不行，有產(chǎn)生靜電的危險(xiǎn)。）這種材料多用于外裝式耐腐蝕性機(jī)械密封中。2、Al2O3金屬陶瓷在Al2O3中添加少量金屬元素Fe、Cr、Ni等，以提高導(dǎo)熱率，降低脆性，但硬度和耐蝕性有所下降。主要用于批量較大的汽車?yán)鋮s水泵及潛水泵機(jī)械密封上。

（六）Al2O3陶瓷及其他陶瓷介紹2023/2/6993、Si3N4耐蝕性很好，Si3N4/石墨組對性很好，而與填充玻纖PTFE組對時(shí)Si3N4的磨損大。（1）反映燒結(jié)Si3N4素坯可以機(jī)械加工，能制成形狀復(fù)雜制品，經(jīng)二次氮化后尺寸變化率?。ā?.1%），抗沖擊性好，耐腐蝕。強(qiáng)度、硬度是Si3N4中最低的，（因內(nèi)部有10~15%封閉氣孔）。較厚的制品不易燒結(jié)，有時(shí)會(huì)有“流硅”現(xiàn)象，僅適合PV值不高的場合。（2）熱壓Si3N4是Si3N4中性能最佳的材料，硬度高（HRA91~92），致密性好，接近理論密度3.2g/cm3，耐磨性、耐蝕性優(yōu)良。但成本高，難以制作形狀復(fù)雜零件。

2023/2/6100（3）常壓燒結(jié)Si3N4性能接近熱壓Si3N4，成本高，燒結(jié)時(shí)收縮率大15~20%，易引起燒結(jié)變形。（4）重?zé)Y(jié)Si3N4性能接近熱壓Si3N4，制造工藝復(fù)雜，成本較反應(yīng)燒結(jié)Si3N4高。

4、鉻剛玉陶瓷在Al2O395瓷坯料中引入0.5~2%的Cr2O3，經(jīng)1700~1750℃高溫焙燒而成。（密度3.46~3.47，硬度HRA84~87）耐溫度急變性能好。（用φ48/φ355×6的環(huán)，在20~400℃范圍內(nèi)進(jìn)行25次冷循環(huán)處理后，用10倍顯微鏡觀察未發(fā)現(xiàn)裂紋），硬度高，摩擦系數(shù)小，化學(xué)穩(wěn)定性好，與填充玻纖PTFE組對，用于耐腐蝕機(jī)械密封，效果極好。

2023/2/61015、碳化硼B(yǎng)4C陶瓷化學(xué)穩(wěn)定性好，硬度HRA94~96，僅次于金剛石，耐磨性能極為優(yōu)良。主要用于處理高濃度、磨蝕性介質(zhì)作摩擦副組對材料，特別適用于泥沙介質(zhì)。缺點(diǎn)：加工困難（需熱壓成型工藝），成本高，熱抗震性也不太好。6、噴涂陶瓷用等離子技術(shù)在密封環(huán)端面或軸套表面噴上一層耐磨耐蝕涂層，一般為Cr2O3涂層，厚0.3~0.5mm。硬度高、耐磨、耐蝕，但涂層內(nèi)部有4~10%的氣孔，還需進(jìn)行樹脂封孔處理（國外用先進(jìn)的重熔技術(shù)進(jìn)行封孔）。2023/2/6102其組對多為硬度低于70HS的石墨，其使用的PV值較低，使用溫度≤200℃，廣泛用于醋酸等介質(zhì)。從日本進(jìn)口的機(jī)械密封約有1/3采用這種組對。Al2O3也可作噴涂材料性能與Cr2O3相差不大。

2023/2/6103在密封環(huán)表面堆焊一層硬質(zhì)合金，以提高耐磨性、耐蝕性，且價(jià)格較低。國外命名為Stellite（司太立特），常用堆焊材料如下：（1）鉻基1號電焊條TDCrC-1HRC48-54良好的耐汽蝕、耐腐蝕性。氣焊絲SDCr-1HRC48-54良好的耐汽蝕、耐腐蝕性。（2）鈷基1號電焊條TDCoCr-1HRC40-45耐酸性好氣焊絲SDCoCr-1HRC40-45耐酸性好（3）鈷基2號電焊條TDCoCr-2HRC44~48耐高溫，在高溫下保持高硬度氣焊絲SDCoCr-2HRC46-50耐高溫，在高溫下保持高硬度

（七）表面堆焊硬質(zhì)合金

2023/2/6104以上堆焊雖具有一定的耐蝕性，但不耐強(qiáng)酸、熱堿的腐蝕。硬度不算高且不均勻，抗熱裂能力較差，且堆焊工藝要求較高，不宜用于帶顆粒介質(zhì)的密封和高速機(jī)械密封，在泵用機(jī)械密封中已很少采用，但在PV值不高的釜用機(jī)械密封中仍然占有重要地位。

2023/2/61051、

鑄鐵類（1）普通灰口鑄鐵（HT200、HT250）：耐磨性、導(dǎo)熱性優(yōu)于堆焊硬質(zhì)合金；耐蝕性差，只能用于中性介質(zhì)和PV值不高的場合。（2）球墨鑄鐵（QT600-3、QT700-2：）耐磨性、導(dǎo)熱性優(yōu)于堆焊硬質(zhì)合金；耐蝕性差，只能用于中性介質(zhì)和PV值不高的場合。（3）高硅耐蝕鑄鐵：表面有SiO2保護(hù)膜，是優(yōu)良耐酸材料。耐各種濃度H2SO4、HNO3、有機(jī)酸、酸性鹽，不耐強(qiáng)堿、鹽酸、氫氟酸、FeCl3熱溶液。（4）高鎳鑄鐵Ni-Resist：（同上）

（八）作摩擦副的金屬材料

2023/2/61061、

合金鋼（用于弱腐蝕介質(zhì)）（1）3Cr13、4Cr13、9Cr18（2）高速工具鋼、軸承鋼2、

銅合金青銅SQSn6-6-3、SQSn10-1：具有良好的導(dǎo)熱性、耐磨性、加工性、對硬質(zhì)材料的相溶性，但質(zhì)軟，耐腐蝕性差。適用于油、鹽類、醇、脂肪酸、海水中介質(zhì)。不適用于乙烯、芳烴等介質(zhì)。

2023/2/61071、

聚四氟乙烯特點(diǎn)（用作輔助密封圈）（1）耐腐蝕性好，幾乎能耐所有的強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)氧化劑的腐蝕。目前發(fā)現(xiàn)的只有熔融堿金屬（或它的氨溶液）、元素氟及ClF3在高溫下與它要起反應(yīng)。（2）使用溫度范圍廣（－180~260℃），耐水性、耐老化性、不燃性、韌性及加工性都很好。（3）它是一種極好的減磨、自潤滑材料（其分子結(jié)構(gòu)決定了表面分子易滾動(dòng)和滑動(dòng)，與其他材料對磨時(shí)，分子首先向?qū)δゲ牧限D(zhuǎn)移，形成0.02~0.03μm的薄膜），摩擦系數(shù)低0.04~0.12。（4）具有奇特的冷流行：即在負(fù)荷作用下，發(fā)生蠕變。（5）線膨脹系數(shù)大50~150×10－6/℃（－200~15℃）

（九）填充聚四氟乙烯2023/2/6108150~530×10－6/℃（15~30℃）

120~590×10－6/℃（30~300℃）

（6）導(dǎo)熱系數(shù)?。?.244w/m.k），與金屬相差300多倍。

填充聚四氟乙烯的組對

特點(diǎn)

填20%玻纖PTFE/鉻剛玉陶瓷

在稀硫酸中運(yùn)用最佳

填20%玻纖PTFE/Si3N4

Si3N4磨損大

填20%碳纖維PTFE/多種陶瓷

搪瓷釜212機(jī)封首選材料

填15%玻纖、5%碳PTFE/Al2O3

強(qiáng)腐蝕介質(zhì)

填15%聚苯、3%碳PTFE/Al2O3

氯氣泵

填15%Ti白粉、5%玻纖PTFE/SiC硫酸、硝酸介質(zhì)

填玻纖可運(yùn)用于醫(yī)藥、食品機(jī)械

2023/2/61092、填充聚四氟乙烯（用作摩擦副）為了克服聚四氟乙烯的不足，往往在其間加入各種添加劑，以改善其性能。常常加入10~20%的石墨、玻纖、青銅粉、SiO2、MoS2等，可改善導(dǎo)熱性，減小線脹系數(shù)，其它性能也得到改善，但耐蝕性略有下降。

2023/2/61101、良好的彈性，硬度合適且壓縮永久變形小。2、耐高低溫的老化性能好。3、耐介質(zhì)腐蝕、溶解、熔脹、溶縮、硬化。4、較小的摩擦系數(shù)，耐磨耗，有一定的抗撕裂強(qiáng)度。5、來源方便，成本低廉。

（十）輔助密封圈材料要求

2023/2/61111、丁腈橡膠（NBR）（－40~120℃）它是丁二烯和丙烯腈的共聚物。常用的丙烯腈含量為40%（丁腈—40），耐油，抗老化性良好，并且又耐熱、耐磨、耐一定腐蝕。廣泛用于接觸汽油及其他油類設(shè)備，也耐堿、非氧化性稀酸，不耐氧化性酸（如硝酸、鉻酸）、芳烴、酯、酮、醚、鹵代烴等。煉油廠凝縮油中由于含有芳烴等介質(zhì)，故不適用。低溫下也不宜采用。2、氟橡膠（FPM）（－20~250℃）它是含氟的高聚合物，目前由三個(gè)品種：FPM2301（23—11）：具有優(yōu)異的耐強(qiáng)酸性能。FPM2602（26—41）：耐熱性能、耐溶劑性能優(yōu)于FPM2301，但工藝性能較差。（十一）合成橡膠

2023/2/6112FPM2461（246）：耐熱、耐溶劑性能比FPM2602還要好。目前一般都用FPM2602，可以在250℃以下長期使用，300℃以下短期使用。耐蝕性是橡膠中最好的，但低溫性能差，價(jià)格貴。不宜在酮類、酯類溶液中使用，壓縮永久變形大。3、硅橡膠（MVQ）由二甲基硅氧烷與其他有機(jī)硅單體聚合而成。具有很寬使用范圍（－100~350℃），在200~300℃下可長期使用，無毒無味，主要用于高、低溫下的動(dòng)植物油、礦物油、氧、弱酸、弱堿等。缺點(diǎn)：強(qiáng)度低，不耐磨，價(jià)格高。2023/2/61134、乙丙橡膠（－40~150℃）乙烯與丙烯聚合而成。特別能耐磷酸酯系液壓油、酮、醇溶液和酸、堿，同時(shí)耐高壓水蒸汽，耐侯性、耐臭氧性好。但在礦物油和二酯系潤滑油中膨脹大，不宜使用。5、氯醇橡膠（－30~130℃）耐熱油、耐空氣老化、低溫彈性好、耐磨性稍差，主要用于冷凍機(jī)介質(zhì)為氟里昂的機(jī)械密封。

2023/2/6114屬于純石墨，無任何粘結(jié)材料。1、耐溫性好，在非氧化性介質(zhì)－200~1600℃、氧化性介質(zhì)400℃以下可以使用。2、耐腐蝕性優(yōu)良，對一般化學(xué)溶劑、石油產(chǎn)品、酯類、蒸汽和還原性介質(zhì)均保持良好的化學(xué)穩(wěn)定性。3、良好的柔性、回彈性、氣密性、耐輻照性、自潤滑性。4、強(qiáng)度差。在高溫機(jī)械密封（金屬波紋管機(jī)械密封）中，它是最好的材料。

（十二）柔性石墨（也稱膨脹石墨）

2023/2/61151、彈簧材料要有足夠的強(qiáng)度，耐介質(zhì)腐蝕，在工作溫度下長期使用剛度不衰減或衰減很少。常用材料有1Cr18Ni9Ti、Cr18Ni12Mo2Ti（耐腐蝕、耐高低溫）、0Cr17Ni8Al、0Cr15Ni7Mo2Al（耐腐蝕、耐低溫、耐高溫不失彈性、又可熱處理）、Ni66Cu3Fe（Monel）（強(qiáng)腐蝕介質(zhì)：如氫氟酸）、Ni76Cr16Fe8（Inconel）（耐高溫和強(qiáng)腐蝕）、Hasterlloy（耐強(qiáng)腐蝕）等一般根據(jù)《腐蝕手冊》選取。（十三）彈性元件材料2023/2/6116（1）AM350沉淀硬化不銹鋼（我國可用0Cr17Ni7Al、0Cr15Ni7Mo2Al、0Cr17Ni4Cu4Nb（鈮）代替），使用溫度≤315℃，低溫易碎裂，廣泛用于煉油廠。（2）Inconel718鎳基高溫合金：更耐蝕，在石油化工部門廣泛應(yīng)用。（3）Hasterlloyc—2762023/2/61171、鑲嵌環(huán)座3Cr13（線脹系數(shù)11.5×10－6/℃）、1Cr18Ni9Ti（線脹系數(shù)17.2×10－6/℃）、Cr18Ni12Mo2Ti（線脹系數(shù)16.7×10－6/℃），使用溫度≤200℃。Capenter42（相當(dāng)于我國的4J42，含Ni42%的Fe-Ni合金，線脹系數(shù)5×10－6/℃）使用溫度超過400℃。鈦材（線脹系數(shù)8~9×10－6/℃）耐蝕性好。2、其它材料常用鉻鋼、1Cr18Ni9Ti、Cr18Ni12Mo2Ti等，根據(jù)介質(zhì)腐蝕情況選取。1Cr13和3Cr13都屬于馬氏體不銹鋼，由于含鉻13%，能在陽極區(qū)域基體表面形成一層副鉻的氧化物保護(hù)膜，

（十四）機(jī)械密封中基體材料2023/2/6118這層膜會(huì)阻礙陽極區(qū)域的反應(yīng)并增加電極電位致使基體電化學(xué)腐蝕過程減緩，從而獲得一定的耐蝕性。由于鈍化在氧化環(huán)境下才能產(chǎn)生，所以它們主要在氧化性介質(zhì)中才是不銹的。1Cr13實(shí)際應(yīng)用都是在調(diào)質(zhì)狀態(tài)組織為回火索氏體情況下使用的，3Cr13可以通過高溫淬火后低溫回火得到回火馬氏體，其硬度達(dá)HRC58~64,可作摩擦副。1Cr18Ni9Ti屬于奧氏體型不銹鋼，其強(qiáng)度、硬度（HB135）均很低，無磁性，其塑性、韌性及耐蝕性均較Cr13型不銹鋼好。其中含約18%的鉻的主要作用是產(chǎn)生鈍化，提高陽極電極電位；含約9%的鎳的主要作用是降低馬氏體形成溫度，使鋼在室溫時(shí)獲得單相奧氏體組織。鋼中加鈦的目的是為了抑制在晶界上析出（Cr，F(xiàn)e）23C6碳化物，消除晶間腐蝕傾向。Cr18Ni12Mo2Ti由于加入了2%的鉬，其耐蝕性比1Cr18Ni9Ti更好，特別是在非氧化性酸和熱的有機(jī)酸、氯化物中的耐蝕性要比鉻鎳不銹鋼好得多，抗孔蝕的能力也較好。

2023/2/6119五、機(jī)械密封輔助系統(tǒng)（一）為什么機(jī)械密封要采用輔助系統(tǒng)1、機(jī)封工作條件的苛刻性在流體機(jī)械中（如泵、壓縮機(jī)、攪拌釜、離心機(jī)等），工作條件最苛刻的部件要算機(jī)械密封。（1）象推力軸承那樣承受軸向力（2）象散熱器那樣把產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出（3）在高溫高壓易腐蝕情況下，靜密封已經(jīng)很困難，還要在高速旋轉(zhuǎn)中，在幾毫米寬的密封面上實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封就更加困難。

2023/2/61202、輔助系統(tǒng)可以改善密封工作環(huán)境（1）無輔助系統(tǒng)，就只能改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)，提高材質(zhì)。（代價(jià)高，不能從根本上解決問題。）（2）實(shí)際工作中，不用任何輔助設(shè)施的機(jī)械密封幾乎沒有。如高壓使用的串聯(lián)機(jī)械密封、高溫泵機(jī)械密封都必須采用相應(yīng)輔助設(shè)施。（3）（通過輔助系統(tǒng)）苛刻工況變?yōu)槊芊饪山邮芄r（機(jī)械密封效果大大提高，使用范圍更加廣泛，對密封本身材料要求降低，機(jī)械密封成本下降。）。2023/2/61213、機(jī)械密封端面摩擦熱（會(huì)導(dǎo)致端面溫度升高）得以控制端面摩擦熱過高有下列危害：（1）液膜汽化磨損加劇密封失效；（2）端面熱變形加大泄漏和磨損；（3）加劇腐蝕；（4）輔助密封圈老化變質(zhì)從而失效；（5）石墨浸漬物碳化或熔化而產(chǎn)生泄漏。所以端面溫升是機(jī)械密封的大敵。2023/2/61224、采用輔助系統(tǒng)的目的（1）減小溫升，保持端面良好潤滑（使機(jī)械密封各零件良好、正常地工作）。（2）（在易汽化介質(zhì)中）保持密封腔壓力高于飽和蒸氣壓，使之不汽化。（3）在低溫泵中保溫和供熱。（4）對于有固體顆粒出現(xiàn)的結(jié)晶和強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的密封，能保持密封不受損壞。2023/2/61235、較好工況下，采用輔助系統(tǒng)，會(huì)提高密封穩(wěn)定性和使用壽命。（有的密封工作溫度、壓力、轉(zhuǎn)速不太高。不用輔助系統(tǒng)也可以工作。）6、輔助系統(tǒng)屬于機(jī)械密封的組成部分（根據(jù)不同工況采用不同的輔助系統(tǒng)。國際上通用的美國石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（離心泵API610）對此都作了具體規(guī)定）2023/2/61241、定義為改善密封工作環(huán)境，采用許多元件和設(shè)施組成一個(gè)系統(tǒng)，通過沖洗、冷卻、過濾、分離和保溫的方式，實(shí)現(xiàn)對密封的潤滑、冷卻或調(diào)溫、沖洗、凈化，稀釋和沖掉泄漏介質(zhì)，改善密封的工作環(huán)境。這種用來改善機(jī)械密封工作條件的輔助設(shè)施被稱為機(jī)械密封的輔助系統(tǒng)。它由許多元件組成，包括過濾器、旋液分離器、限流孔板、冷卻器、壓力罐、增壓罐、各種監(jiān)測儀表、管路、管件等組成。實(shí)際工作中可用一種或幾種，根據(jù)工作條件而定。（二）什么是輔助系統(tǒng)2023/2/61252、元件（1）儲(chǔ)罐（圖5-1）

壓力容器用于隔離流體循環(huán)系統(tǒng)。（可采用氣體加壓，也可加蛇管換熱裝置。）上面有液位計(jì)。（可裝上手動(dòng)補(bǔ)液裝置）

?。┢胶夤蓿号c釜內(nèi)氣相空間相連與釜內(nèi)壓力平衡的儲(chǔ)罐。ⅱ）加壓罐：與高壓氣體鋼瓶（或高壓氣體源）通過減壓閥相連加壓的儲(chǔ)罐。（2）增壓罐（圖5-2）：借助自身帶有的壓力活塞保持與密封介質(zhì)的壓差，并儲(chǔ)存隔離流體，帶有裝蛇管的冷卻夾套。（3）換熱器（圖5-3）2023/2/6126（4）磁性過濾器（圖5-4）：適用于固體密度接近或小于流體密度，分離精度10~100μm，并能除去磁性微粒。易堵塞，兩套并聯(lián)使用以便清洗。（5）旋液分離器（圖5-5）：適用于壓差0.15~0.8MPa，固體成分＜10wt%。（6）孔板（圖5-6）：控制流量。（7）節(jié)流套（圖5-7、圖5-8：分固定式和浮動(dòng)式）（8）循環(huán)輪（圖5-9）：旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生泵效作用，使流體流動(dòng)循環(huán)。（9）循環(huán)套（圖5-10）：旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生泵效作用，使流體流動(dòng)循環(huán)。

2023/2/6127圖5-1儲(chǔ)罐

2023/2/6128圖5-2增壓罐

2023/2/6129圖5-3換熱器圖5-4磁性過濾器

2023/2/6130圖5-5旋液分離器

圖5-6孔板

2023/2/61313、主要功能

圖5-7固定式節(jié)流套

圖5-8浮動(dòng)式節(jié)流套

圖5-9循環(huán)輪圖5-10循環(huán)套2023/2/6132（1）主要作用是沖洗將沖洗流體注入到密封腔中，完成潤滑、冷卻、凈化等功能，將不利的環(huán)境改變?yōu)槊芊饽芙邮艿沫h(huán)境。沖洗的種類很多，按沖洗方式和沖洗流體的不同可分為三種：ⅰ）自沖洗（或介質(zhì)沖洗）依靠泵本身產(chǎn)生的壓差（或密封腔內(nèi)的泵送裝置產(chǎn)生的壓差）使密封介質(zhì)通過密封腔形成閉合回路，介質(zhì)在當(dāng)中循環(huán)實(shí)現(xiàn)沖洗。ⅱ）循環(huán)沖洗通過產(chǎn)生壓差的設(shè)施（泵送環(huán)、外加油站、熱虹吸）使外加封液進(jìn)行循環(huán)，達(dá)到?jīng)_洗的目的。

2023/2/6133ⅲ）注入式?jīng)_洗（簡稱沖洗）被密封介質(zhì)不宜作沖洗流體時(shí)，從外部注入另一種液體到密封腔內(nèi)，改善密封工作條件。（2）溫度調(diào)節(jié)（冷卻、保溫）用溫度適當(dāng)?shù)牧黧w，對密封腔、靜環(huán)及其他零部件進(jìn)行冷卻或保溫（或加熱），以提高密封穩(wěn)定性，延長使用壽命。（這些設(shè)施不與被密封流體接觸（或混和），沖洗也具有冷卻作用。）（3）過濾和分離在沖洗管路中，用過濾器和旋液分離器將沖洗液中雜