泵用機(jī)械密封技術(shù)與發(fā)展

泵用機(jī)械密封技術(shù)與發(fā)展

主

講

：李鯤研究員

合肥通用機(jī)械研究院1泵是各領(lǐng)域使用最廣泛的通用機(jī)械之一，其品種、規(guī)格繁多，絕大多數(shù)類型的泵（磁傳動(dòng)泵、屏蔽泵除外）存在一個(gè)基本的共性問題“泄漏”。合肥通用機(jī)械研究院殼體(法蘭）泄漏屬于靜密封問題，容易解決，長期以來，人們主要致力于研究解決泵的軸封泄漏問題。

泵

軸封泄漏

殼體2導(dǎo)致泵軸封泄漏的因素合肥通用機(jī)械研究院泵自身的結(jié)構(gòu)

泄漏密封的結(jié)構(gòu)、材料(選型）介質(zhì)的影響介質(zhì)外漏泵性能下降

最終導(dǎo)致泵（設(shè)備）的維修

人為因素（安裝）影響安全生產(chǎn)3泵的軸封結(jié)構(gòu)形式合肥通用機(jī)械研究院4機(jī)械密封的工作原理在泵、風(fēng)機(jī)、攪拌釜等旋轉(zhuǎn)設(shè)備中，機(jī)械密封件是用來阻止介質(zhì)沿其旋轉(zhuǎn)軸與殼體之間的縫隙泄漏的裝置。機(jī)械密封至少有一對垂直于旋轉(zhuǎn)軸線且端面相互貼合的密封環(huán)(其中一個(gè)安裝在軸上隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)，另一個(gè)安裝在靜止的機(jī)殼上)；相對靜止的輔助密封件；產(chǎn)生使密封環(huán)端面相互貼合的作用力的彈性元件（或磁性元件）以及其它傳動(dòng)部件所組成。由于機(jī)械密封在工作時(shí)，起主要密封作用的是在外力（介質(zhì)壓力和彈彈簧力或磁力）作用下、兩個(gè)相互貼合并相對滑動(dòng)的密封環(huán)端面，故機(jī)械密封也稱為端面密封。

合肥通用機(jī)械研究院5典型的機(jī)械密封示意圖合肥通用機(jī)械研究院6機(jī)械密封的發(fā)展歷程合肥通用機(jī)械研究院最早在19世紀(jì)末期出現(xiàn)機(jī)械密封的雛形,結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡單，僅由一個(gè)橡膠彈性體和金屬（殼體）相摩擦，如圖所示二戰(zhàn)期間,美國開始在化工流程泵上使用機(jī)械密封,二戰(zhàn)后,隨著石油化工行業(yè)的迅猛發(fā)展，機(jī)械密封在西方國家也發(fā)展迅速,至70年代,西方國家的煉油行業(yè)的流程泵80%采用機(jī)械密封,機(jī)械密封的應(yīng)用范圍也迅速擴(kuò)大。其結(jié)構(gòu)類型、端面材料的使用也迅速增加。我國在50年代末期，開始進(jìn)行機(jī)械密封的研究，至70年代,形成了我國標(biāo)準(zhǔn)的JB1472標(biāo)準(zhǔn)的泵用和HG5-748-78；HG5-751~756-78釜用兩大系列機(jī)械密封，奠定了我國機(jī)械密封行業(yè)的基礎(chǔ)。7機(jī)械密封的雛形合肥通用機(jī)械研究院8機(jī)械密封的分類（1）機(jī)械密封的分類方法很多，按應(yīng)用的主機(jī)分類，大致可以分為泵用機(jī)械密封、釜用機(jī)械密封、透平壓縮機(jī)用機(jī)械密封、低溫制冷機(jī)用機(jī)械密封等。按機(jī)械密封的作用原理和結(jié)構(gòu)分類（1）

按密封端面組合分類可分為單端面、雙端面、多端面機(jī)械密封，其中雙端面有軸向雙端面和徑向雙端面兩種；（2）

按密封端面接觸與否分類可分為接觸式、非接觸式機(jī)械密封，其中非接觸式機(jī)械密封又分為流體動(dòng)壓式和流體靜壓式兩種；（3）

按密封端面承受載荷分類可分為非平衡型、部分平衡型、過平衡型機(jī)械密封；合肥通用機(jī)械研究院9機(jī)械密封的分類（2）（4）按密封是否裝在腔體內(nèi)側(cè)或外側(cè)可分為內(nèi)裝式和外裝式機(jī)械密封；（5）

按彈性元件分類可分為單彈簧、多彈簧、金屬波紋管機(jī)械密封；（6）

按密封流體在密封端面的流向可分為內(nèi)流式、外流式機(jī)械密封；（7）

按補(bǔ)償環(huán)是否隨軸旋轉(zhuǎn)可分為旋轉(zhuǎn)式、非旋轉(zhuǎn)式機(jī)械密封；（8）

按波紋管材料分類可分為金屬波紋管、橡膠波紋管、聚四氟乙烯波紋管機(jī)械密封；（9）

按密封補(bǔ)償力分類可分為彈性元件和磁性元件機(jī)械密封；還有按使用工況、參數(shù)分類等等。

合肥通用機(jī)械研究院10機(jī)械密封與填料密封的優(yōu)缺點(diǎn)合肥通用機(jī)械研究院機(jī)械密封與填料密封的優(yōu)缺點(diǎn)類別項(xiàng)目機(jī)械密封填料密封密封性能泄漏量小大工作壽命長短摩擦功率小大抗偏擺能力好差調(diào)整情況自動(dòng)補(bǔ)償不需要調(diào)整需經(jīng)常調(diào)整對軸的磨損對軸基本不產(chǎn)生摩損對軸的摩損大產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜簡單安裝要求高*低現(xiàn)場維修困難*容易產(chǎn)品成本高低運(yùn)行成本低高*完全集裝式機(jī)械密封對安裝要求不高，現(xiàn)場維修也比較容易

*完全集裝式機(jī)械密封對安裝要求不高，現(xiàn)場維修也比較容易11常用的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)型式目前，國內(nèi)泵用機(jī)械密封主要有兩大類，一類是我國自主開發(fā)的JB1472標(biāo)準(zhǔn)系列的泵用機(jī)械密封，如非平衡型（103、104、105、GX等系列）、平衡型（109、110、111、GY等系列）；耐酸泵用152、153、154系列機(jī)械密封；DBM金屬波紋管系列等等，另一類是以引進(jìn)的（符合ISO3069標(biāo)準(zhǔn)）59U、59B、H7N、M7N、AB等系列機(jī)械密封；另外，外裝式機(jī)械密封主要有WB2、152

等系列耐酸泵用機(jī)械密封；金屬波紋管機(jī)械密封主要以丹東克隆為代表DBM

系列和以西安永華引進(jìn)的Sealol公司的600系列金屬波紋管機(jī)械密封；我國在推行ISO標(biāo)準(zhǔn)過程中，各生產(chǎn)廠家也相繼開發(fā)了一些符合ISO3069標(biāo)準(zhǔn)（國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)號GB/T6556）的機(jī)械密封系列。合肥通用機(jī)械研究院12104型機(jī)械密封8B型機(jī)械密封合肥通用機(jī)械研究院13合肥通用機(jī)械研究院常用的機(jī)械密封基本參數(shù)密封型式103、104、105、GX、59U、M7N、BIA110、111、109、59B、H7N、GYDBM、600壓力（Mpa）0-0.780-2.94≤3.0*溫度(℃)-45-+200-45-+200-100-+450轉(zhuǎn)速(r/min)300030003000*雙層波片工作壓力可達(dá)到7.0MPa14機(jī)械密封環(huán)常用的材料碳石墨

碳石墨具有良好的自潤滑性能、耐腐蝕性能、摩擦系數(shù)低、導(dǎo)熱性能好，是機(jī)械密封端面摩擦副理想的材料之一，應(yīng)用廣泛。常用的碳石墨主要有浸漬樹脂碳石墨和浸漬金屬碳石墨兩類（國外有免浸漬的碳石墨材料）合肥通用機(jī)械研究院15合肥通用機(jī)械研究院機(jī)械密封環(huán)常用的材料硬質(zhì)合金（WC）

硬質(zhì)合金作為硬密封環(huán)應(yīng)用極為廣泛，常與碳石墨、碳化硅、硬質(zhì)合金相配對，組成密封摩擦副，密封環(huán)常用硬質(zhì)合金材料主要有鈷基硬質(zhì)合金（如YG6、YG8）和鎳基硬質(zhì)合金（如W7、YN10等），鈷基硬質(zhì)合金與鎳基硬質(zhì)合金相比，硬度要高一些，但是鎳基硬質(zhì)合金的耐腐蝕性能則要好一些。16合肥通用機(jī)械研究院機(jī)械密封環(huán)常用的材料碳化硅（SiC）

碳化硅屬于工程陶瓷，在我國是近十幾年發(fā)展起來的新型材料，由于其超強(qiáng)的硬度、極好的耐磨性能、導(dǎo)熱性能和良好的耐腐蝕性能以及具有一定的自潤滑性能，發(fā)展迅速，在相當(dāng)場合，已經(jīng)取代了硬質(zhì)合金、氧化鋁陶瓷、氮化硅等硬質(zhì)材料，與碳化硅配對的常用材料主要有碳石墨、硬質(zhì)合金、碳化硅、填充聚四氟乙烯等。碳化硅主要有三種類型：a、熱壓燒結(jié)碳化硅；b、無壓燒結(jié)碳化硅；c、反應(yīng)燒結(jié)碳化硅。

17機(jī)械密封環(huán)常用的材料氧化鋁陶瓷（Al2O3）

目前，國內(nèi)使用的氧化鋁陶瓷大致有99瓷和95瓷兩種；99瓷純度高，耐腐蝕性能好，主要用于耐酸泵外裝式機(jī)械密封（如WB2、152型等），95瓷耐腐蝕性能較差，但制造成本極低，可以大批量生產(chǎn)，主要用于農(nóng)用泵、汽車?yán)鋮s泵等輕型機(jī)械密封。合肥通用機(jī)械研究院18失效現(xiàn)象失效原因采取措施失效發(fā)生率泄

漏

量

大泵工作范圍小，易出現(xiàn)運(yùn)行不穩(wěn)或汽蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致密封工作異常對影響泵性能的幾何參數(shù)等因素進(jìn)行試驗(yàn)分析，提高泵的水力性能和工作范圍，少泵不在額定工況運(yùn)行，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不平衡力矩，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)跳動(dòng)或變形提高水力性能的同時(shí)，研究泵軸向力和徑向力的影響因素，從結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行試驗(yàn)分析加以改進(jìn)以降低其不利影響多泵在運(yùn)行過程中，出現(xiàn)“抽空”現(xiàn)象，致使密封環(huán)“干摩擦”運(yùn)轉(zhuǎn)、燒壞。采用密封系統(tǒng)，確保密封腔內(nèi)始終充滿介質(zhì)多合肥通用機(jī)械研究院泵性能和結(jié)構(gòu)導(dǎo)致密封失效的原因分析19失效現(xiàn)象失效原因采取措施失效發(fā)生率泄

漏

量

大制造原因密封環(huán)平面度粗糙度差研磨密封環(huán)端面多密封環(huán)尺寸形位公差不好重新加工少橡膠圈尺寸公差不合要求更換橡膠圈多安裝原因端面不平形、不貼合重新安裝

或采用集裝式，減少安裝多彈簧壓縮量過小一般密封面之間有臟物少設(shè)計(jì)原因彈簧被泥砂、結(jié)晶、積垢等堵塞失彈增加密封輔助系統(tǒng)，如旋液分離器，或采取彈簧保護(hù)措施一般密封面大氣側(cè)被泄漏物堵塞結(jié)構(gòu)上考慮防堵塞結(jié)構(gòu)一般泵本身原因泵軸向串動(dòng)量大選用高精密軸承一般泵軸偏擺過大進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)，平衡徑向力少端蓋對泵軸跳動(dòng)過大提高泵加工質(zhì)量多密封面磨損大安裝原因彈簧壓縮量過大重新安裝、調(diào)整彈簧壓縮量一般設(shè)計(jì)選型原因密封面材料不匹配選用合理的密封面配對材料多使用原因介質(zhì)成分復(fù)雜應(yīng)選用密封輔助系統(tǒng)如旋液分離器、換熱器等一般泵抽空、密封面干運(yùn)轉(zhuǎn)確保密封腔充滿介質(zhì)一般20機(jī)械密封的選型合肥通用機(jī)械研究院

據(jù)國內(nèi)的統(tǒng)計(jì)資料和國外的資料介紹，在早期失效（壽命極短）的機(jī)械密封中，有25-30%是因?yàn)榘惭b問題，30%以上的原因是選型（用材）不當(dāng)造成的。機(jī)械密封的選型非常重要，機(jī)械密封的選型主要考慮以下幾個(gè)方面：（1）密封的工作參數(shù)：如工作壓力；介質(zhì)溫度；工作轉(zhuǎn)速；（2）密封的介質(zhì)性質(zhì)：如介質(zhì)粘度、潤滑性、揮發(fā)性、腐蝕性等；（3）

密封安裝空間：如軸向尺寸、徑向尺寸、內(nèi)裝、外裝等；（4）

密封的工作條件：如有無沖洗等條件。

21機(jī)械密封的選型機(jī)械密封的選型步驟大致是：（1）根據(jù)工作壓力確定采用平衡型還是非平衡型結(jié)構(gòu)；（2）根據(jù)密封介質(zhì)的性質(zhì)，如易燃、易爆、有毒、貴重等確定選用雙端面還是單端面機(jī)械密封；（3）根據(jù)工作轉(zhuǎn)速確定采用補(bǔ)償環(huán)旋轉(zhuǎn)式還是非旋轉(zhuǎn)式；（4）根據(jù)現(xiàn)場使用條件確定是否需要或選用哪種密封輔助系統(tǒng)；（5）根據(jù)介質(zhì)的腐蝕性等確定機(jī)械密封使用的材料。

合肥通用機(jī)械研究院22泵用機(jī)械密封的發(fā)展趨勢近些年來，在機(jī)械密封領(lǐng)域的研究主要主要集中在兩個(gè)方面：高參數(shù)密封高參數(shù)密封一直是密封行業(yè)的發(fā)展方向，如干氣密封，超大直徑密封，超高壓密封等等，主要是隨著石化產(chǎn)品的進(jìn)一步深加工，裝置參數(shù)越來越高，原子能行業(yè)單機(jī)功率越來越大，研究這類密封一方面是拓寬機(jī)械密封的應(yīng)用領(lǐng)域，另一方面也是滿足這些行業(yè)的需要。研究如何提高機(jī)械密封的工作可靠性和延長機(jī)械密封的使用壽命。合肥通用機(jī)械研究院23集裝式機(jī)械密封集裝式機(jī)械密封就是研究提高機(jī)械密封可靠性的產(chǎn)物。所謂集裝式機(jī)械密封就是通過密封自帶軸套和端蓋將單（雙）端面機(jī)械密封組合在一起，為整體安裝形式，如圖所示：合肥通用機(jī)械研究院24集裝式機(jī)械密封與普通機(jī)械密封的優(yōu)缺點(diǎn)

合肥通用機(jī)械研究院表3機(jī)械密封與填料密封的優(yōu)缺點(diǎn)

類別項(xiàng)目普通機(jī)械密封集裝式機(jī)械密封產(chǎn)品結(jié)構(gòu)一般合理安裝方式產(chǎn)品為各個(gè)分散的零部件，到泵廠進(jìn)行安裝產(chǎn)品在制造廠完全集裝為一個(gè)整體安裝人員技術(shù)要求高低安裝時(shí)間長短密封可靠性低高安裝成功率低（容易碰傷精密研磨拋光的密封端面）高安裝速度慢快試驗(yàn)要求裝配泵后進(jìn)行試驗(yàn)在生產(chǎn)廠進(jìn)行試驗(yàn)25集裝式機(jī)械密封是目前國際上正在大力推廣的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)形式，主要是集裝式機(jī)械密封的優(yōu)點(diǎn)非常明顯，在美國石油學(xué)會(huì)API682標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定必須（只能）使用集裝式機(jī)械密封，并且建議盡量使用雙端面集裝式機(jī)械密封。

合肥通用機(jī)械研究院集裝式機(jī)械密封26機(jī)械密封的設(shè)計(jì)理念變化機(jī)械密封的徑向尺寸擴(kuò)大化如ISO3069、GB6556標(biāo)準(zhǔn)對泵密封腔的機(jī)械密封的徑向尺寸規(guī)定很緊，空間很小，機(jī)械密封的一些特殊結(jié)構(gòu)很難采用，限制了機(jī)械密封性能的發(fā)揮，也影響了機(jī)械密封零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，API682標(biāo)準(zhǔn)不僅規(guī)定應(yīng)該使用集裝式機(jī)械密封，對泵密封腔也進(jìn)行開放式設(shè)計(jì)，完全以滿足機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和充分發(fā)揮機(jī)械密封的性能為目的，這樣極大地拓寬了密封的設(shè)計(jì)思路，使機(jī)械密封能夠更加安全、可靠地工作。

合肥通用機(jī)械研究院27密封輔助系統(tǒng)強(qiáng)化密封輔助系統(tǒng)的作用和功能，API標(biāo)準(zhǔn)中，在很多場合，強(qiáng)調(diào)合理使用密封輔助系統(tǒng)，改善密封的工作環(huán)境，可以極大地延長機(jī)械密封的使用壽命，提高機(jī)械密封的可靠性，有很多密封輔助系統(tǒng)還帶有報(bào)警、保護(hù)等裝置，在一些危險(xiǎn)、關(guān)鍵工位，多使用二次應(yīng)急密封。

合肥通用機(jī)械研究院28泵用“干氣”密封合肥通用機(jī)械研究院“干氣”密封的原理“干氣”密封-非接觸式氣膜潤滑機(jī)械密封，其工作是，依靠密封端面的螺旋槽使氣體產(chǎn)生流體動(dòng)壓效應(yīng)，在密封面上形成氣膜壓力造成密封面脫離接觸，當(dāng)氣膜壓力（開啟力）等于密封端面閉合力（彈簧力、介質(zhì)力），密封面的間隙相對穩(wěn)定，密封進(jìn)入穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。目前，在一些輸送易揮發(fā)介質(zhì)的泵中，有不少采用“干氣”密封，并且有盲目擴(kuò)大的趨勢，“干氣”密封在輸送類似于氣體介質(zhì)，確實(shí)有許多優(yōu)點(diǎn)，但是由于螺旋槽非常淺（5-7μ），容易被雜質(zhì)堵塞，因此對輔助系統(tǒng)要求很高。29泵用“干氣”密封泵用“干氣”密封合肥通用機(jī)械研究院30流體動(dòng)壓機(jī)械密封流體動(dòng)壓機(jī)械密封的原理上世紀(jì)70年代，為了解決鍋爐給水泵等