機械密封全面講解.ppt

1、機械密封全面講解,2020/10/7,1,目 錄,2020/10/7,2,一、機械密封原理 二、機械密封的基本零件 三、機械密封的計算 四、機械密封用材料 五、機械密封輔助系統(tǒng) 六、機械密封性能的影響因素 七、石化行業(yè)典型泵的密封 八、機械密封的安裝和使用 九、機械密封故障分析 十、補充內容,一、機械密封原理,2020/10/7,3,（一）定義與組成（圖1-1）,組成: 1.密封端面： 動環(huán)、靜環(huán)摩擦副 2.緩沖補償機構： 由彈性元件(圓柱彈簧、圓錐彈簧、波片彈簧、波紋管等)構成。使貼合; 3.輔助密封圈： 包括動環(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,2020/10/

2、7,4,機械密封是一種用于旋轉流體機械的軸封裝置。（用 于離心泵、離心機、反應釜、壓縮機等設備，軸和設備腔 體間存在一個圓周間隙，設備介質從中泄漏，因此必須設 一道阻漏裝置。因機械密封具有泄漏少、壽命長等優(yōu)點， 成為了主要的軸密封方式，又叫端面密封。） 在國家有關標準中的定義：由至少一對垂直于旋轉軸 線的端面組成,在流體壓力及補償機構彈力(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，而構成的防止流體泄漏的裝置。,2020/10/7,5,3、原理 通過一系列零件將徑向密封轉化為軸向密封，在彈簧和介質壓力共同作用下，對由于設備運行所造成的軸向磨損可以及時補償，使軸

3、向密封面始終保持貼合。由于機械密封（軸向密封）在運行中可以對軸向磨損進行補償，而填料密封（徑向密封）不能對徑向磨損進行補償，故機械密封比填料密封壽命長。,2、傳動關系 軸或軸套緊固螺釘5彈簧座4彈簧3補償環(huán)1 壓蓋防轉銷8非補償環(huán)6,（三）密封機理,1、4個密封點（亦稱4個泄漏點，如圖1-1） 泄漏點1摩擦端面泄漏點，依靠彈力和介質壓力保持貼和（動密封點,兩個摩擦副之間有相對轉動） 泄漏點2補償環(huán)密封圈，靜密封點，密封圈與軸或軸套之間有微動; 泄漏點3非補償環(huán)密封圈，靜密封點，密封圈與相配合件之間相對靜止; 泄漏點4壓蓋與腔體間的密封圈，靜密封點，密封圈與相配合件之間相對靜止.,2020/10

4、/7,6,（四）輔助設施,通過沖洗、冷卻、過濾、分離等方式進行冷卻 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。應當把它看作機械密封的組 成部分。,2020/10/7,7,（五）機械密封的種類,1、 按使用條件分類 （1）高速密封（ZBJ22-001-88：線速度25100m/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、釜用和壓縮機用密封 （5）耐腐蝕、抗顆粒機械密封 2、 通常按結構分類 多彈簧、單彈簧密封 旋轉式、靜止式密封 外裝式、內裝式密封 外流式、內流式密封,2020/10/7,8,（六）旋轉式和靜止式機械密封（圖1-2）,（1

5、）旋轉式：補償機構（彈性元件）隨軸旋轉。) （由于安裝方便，普通密封大多采用，但易產生不平衡，不能用于高速, 且消耗攪拌功率 （2）靜止式：補償機構（彈性元件）不隨軸旋轉。（用于高速）,2020/10/7,9,（七）內裝式和外裝式機械密封（圖1-3）,（1） 內裝式：靜環(huán)裝在壓蓋內側，靜環(huán)端面面向工作腔。 （用于溫度、壓力較高，腐蝕性不強的場合） （2） 外裝式：靜環(huán)裝在壓蓋外側，靜環(huán)端面背向工作腔。 （用于低壓、腐蝕性強的場合）,2020/10/7,10,（八）內流式和外流式機械密封,（一般和內裝式、外裝式一致）,（1）內流式：泄漏方向朝向軸心。（一般密封都采用這 種結構） （2）外流式：泄

6、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中用）,（九）多彈簧和單彈簧機械密封,（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。 （2）單彈簧：（又叫大彈簧，軸向尺寸大，軸向彈力不 均勻）不宜用于高轉速的場合。,2020/10/7,11,（十）平衡型和非平衡型機械密封,（1）平衡型：載荷系數(shù)K1.0 （用于高壓場合） （2）非平衡型：載荷系數(shù)K1.0 （用于普通壓力場合）,（十一）補償機構形式,（1）磁力：系統(tǒng)壓力較低時用 （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,202

7、0/10/7,12,（十二）雙端面機械密封（圖1-4）,兩套密封面對面或背對背安裝在一起。 用于工作介質有毒、易燃、易爆、易揮發(fā)、易結晶、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。,2020/10/7,13,（十三）串聯(lián)式機械密封（圖1-5）,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。,2020/10/7,14,（十四）波紋管機械密封,去掉了補償環(huán)密封圈及其摩擦阻力，補償環(huán)密封圈改至彈簧座處, 補償環(huán)追隨性提高. 避免了補償環(huán)密封圈因軸串、振動所產生的磨損。 金屬波紋管用于高溫介質 聚四

8、氟乙烯波紋管用于腐蝕性介質。,2020/10/7,15,（十五）集裝式機械密封（圖1-6）,將機械密封、軸套、壓蓋組合成一個整體。 安裝時只需固定壓蓋、軸套，取下定位擋塊即可。 安裝方便，排除了安裝不良的影響。,二、機械密封的基本零件,2020/10/7,16,摩擦副密封環(huán)是機械密封的主要元件，它在很大程度 上決定了機械密封的性能和壽命。因此，對它有一些基本 要求。,（1）足夠的強度和剛度 保證在工作條件（如壓力，溫度，滑動速度等）下不損壞，變形小，工作條件波動時影響小。 （2）端面有足夠的硬度、耐腐蝕性能確保使用壽命。 （3）耐熱沖擊力 高的導熱系數(shù)，低的線膨脹系數(shù)。 （4）較小的摩擦系數(shù)，

9、良好的自潤滑性，材料與介質有很好的浸潤性短時間干摩擦，不損傷端面。 （5）易加工，材料成本低,2020/10/7,17,（二）摩擦副匹配要考慮的因素,（1）一般選擇一軟一硬的材料配對，軟環(huán)作窄環(huán)，如 YG6/M106K，只有介質含固體顆粒、易結晶、粘度高時才選用硬對硬。 （2）盡量采用內裝、內流式結構，防止機械雜質進入密封端面，減少泄漏量。 （3）選導熱性良好材料作動環(huán)。 以利散熱，降低端面溫度。 （4）環(huán)的壁厚不可太薄，以保證整體強度、剛度，也利散熱（導熱欠佳的材料，可薄一些）。 （5）動環(huán)和軸（軸套）間隙A11（0406）以利補償 靜環(huán)和軸（軸套）間隙13mm以免摩擦,2020/10/7,

10、18,（三） 密封端面寬度,（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)內徑窄環(huán)內徑0.5；,（2）泄漏量與摩擦副端面寬度關系不大,（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)，窄的端面整體強度和剛度差，易損壞 或變形。因此應綜合考慮。對于普通密封，端面寬度推 薦值如下：,2020/10/7,19,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，高速機械密封，（對于輕烴介質，在強度夠的情況下，取窄系列）。,2020/

11、10/7,20,（四）密封環(huán)的主要技術要求,（）平面度0.0009，硬質0.2，軟質0.4，表 面不應有裂紋、劃傷、氣孔、疏松等缺陷。 （）密封環(huán)端面與安裝輔助密封圈處的平行度、垂直度按 的級精度要求。 （）安裝輔助密封圈處粗糙度：3.2，徑向尺寸公 差或。 上述要求是對普通機械密封而言，對轉速較低的釜用 機械密封可適當放寬標準，對高速機封要求更高。,2020/10/7,21,（五）摩擦副端面平面度檢測,平面度0.0009，普通量具無法檢測，通常利用光波的干 涉效應來檢測。 （1）光波的干涉效應 根據(jù)波動學原理，兩波產生干涉的條件是： （a）兩波在相遇點振向一致； （b）兩波具有相同的頻率；

12、（c）兩波在相遇點有固定的周相差 。（兩個同樣的鈉光燈 不行，只有用同一光源發(fā)出的光設法分成兩束，才 滿足相干條件）,2020/10/7,22,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，光強度加強；在波程差為半個波長的奇數(shù)倍 的地方，光強度減至零（變暗）。這就是光的干涉原理。,2020/10/7,23,（2）平面度檢測原理 設入射角i=0，e為氣膜厚度（即是被檢測面上點到平 晶的距離），為光波波長，為光的波程差，那么 =2e/2 當=k時，被檢測面上點變暗； =(2k1)/2 ，被檢測面上點變亮 ；（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論：

13、 （）相鄰兩條光帶所對應兩點的氣膜厚度差（高度差） 為/2，（對于鈉光燈=0.589m，/20.3m）,2020/10/7,24,（）相鄰兩條光帶寬b=/2Sin，（為空氣膜傾斜角） （）當e=0時，=/2（半波損失），出現(xiàn)暗條紋；,（1）合格光帶舉例,2020/10/7,25,（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的光學玻璃制造。表面平面度0.1m(2級)，0.03m (1級)。 光源:鈉光燈(=0.589m),2020/10/7,26,（六）密封端面的粗糙度要求,密封端面承載能力與表面粗糙度有很大關系，大約有 如下關系：,由此可以看出，密封端面

14、粗糙度應在0.2以上，否則，端面比壓比理論值高的多，結果是高點接觸，局部壓力很高；由于摩擦副的硬度、剛度的差異，局部高點發(fā)熱甚至產生裂紋。石墨環(huán)表面磨出細微的環(huán)狀溝紋。泵的振動和動、靜環(huán)的不同心會加劇這種磨損。被磨掉的顆粒存在于端面中，形成磨粒磨損，磨損加劇，有時在泄漏的介質中可以看到石墨黑漿。,2020/10/7,27,（七）動環(huán)（旋轉環(huán)）,非補償動環(huán)（只旋轉，不能補償，其后無彈性元件。) 補償動環(huán)（既旋轉，又作軸向補償，其后有彈性元件。) （）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。 （）輔助密封圈只受徑向力，易產生老化、冷流變形，從 而導致密封失效。 （）波紋

15、管：無作軸向補償?shù)妮o助密封圈，因此，浮動 性好，密封圈不易失效。,2020/10/7,28,（八）靜環(huán)(不旋轉),非補償靜環(huán)（不旋轉不補償）：主要有三種安裝方式： 浮裝式、托裝式、夾固式。 補償靜環(huán)（不旋轉只補償）：其輔助密封圈情況和補 償動環(huán)基本一致。,2020/10/7,29,（九）密封環(huán)的種類,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,（十）整體式密封環(huán),2020/10/7,30,各個部位性能均勻一致，最常用的有：石墨、SiC、鈷 基硬質合金、鎳基硬質合金、NiCr基硬質合金、陶瓷等。,2020/10/7,31,（十一）組合式,整體環(huán)價格高，加工困難，因此出現(xiàn)組

16、合式密封環(huán)。 組合式包括： （）熱裝式 （）帶密封圈式（無組合應力、無應力變形；開槽、打 孔麻煩，多一泄漏點）,2020/10/7,32,（十二）熱裝式密封環(huán),優(yōu)點：結構簡單，性能優(yōu)異，價格較低，運用較多。 缺點：（）因過盈接觸不均勻，而產生機械變形。 （）兩種材料線膨脹系數(shù)不一致，當溫度變化 時，過盈量變化，會產生應力變形。,2020/10/7,33,（十三）熱裝式密封環(huán)的過盈值選擇,=Dp（12）T 式中 ：工作溫度時的過盈量 ：常溫過盈量 Dp：鑲嵌直徑 1：座線脹系數(shù) 2：環(huán)的線脹系數(shù) T=工作溫度常溫（20。C） （YG6：4.5106 1/。C 1Cr18Ni9Ti：16.6106

17、 1/。C 3Cr13：11.5106 1/。C） （1）在滿足傳遞扭矩的情況下，取最小過盈值；,2020/10/7,34,（2）由上式，當使用溫度為300C時，對 YG6/1Cr18Ni9Ti，過盈量為： = Dp（16.64.5）106（30020） =3.4103 Dp （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、高轉速(環(huán)座產生離心力)、彈性模量小 的材質(4J42、鈦合金)，過盈量可相應大一些。 （5）高溫200C以上少用熱裝式結構，否則要核算過 盈量。,2020/10/7,35,（十四）輔助密封圈,（1）材料要求 （）在工作溫度下耐介質腐蝕 （）足夠

18、的彈性 （）有一定強度(柔性石墨因強度差，使用場合受到限制) （）耐磨 （）易加工、價格低 （2）種類 （）按材料分：合成橡膠、聚四氟乙烯、柔性石墨等； （）按截面形狀分：圓形、矩形、V形、楔形、包四氟形等；,2020/10/7,36,（十五）傳動機構的作用,把軸或軸套的運動方式(旋轉)傳遞給動環(huán)，一般是通過 鍵、緊定螺釘、傳動螺釘、銷、R槽、撥叉、彈簧、波紋管 等的組合來傳遞運動。 （1）緊定螺釘（頂絲）傳動：在軸表面劃凹坑，否則易打 滑失效，特別當直徑較大和溫度較高時。 （2）鍵臺階傳動 （3）撥叉?zhèn)鲃樱ㄒ贿呴_槽一邊伸爪） （4）并圈彈簧傳動（彈簧旋向必須和軸旋向一致）,2020/10/7

19、,37,（5）銷釘傳動 （6）凸耳傳動 （7）勾圈彈簧傳動 （8）波紋管傳動 （9）螺帽固定,2020/10/7,38,（十六）靜環(huán)防轉方式,（1）浮裝式（可以在軸向、徑向設計防轉銷） （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(浮動性差，注意端面垂直度) （4）防抽空(前加卡環(huán)),2020/10/7,39,（十七）機械密封的彈性元件,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) 波紋管：三功能(彈力、傳動、密封),2020/10/7,40,(十八)波紋管種類,橡膠波紋管：用于中性介質：水、油

20、，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，酸、堿； 金屬波紋管：用于高溫、高速(追隨性好)。,2020/10/7,41,（十九） 焊接金屬波紋管密封,（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、Hasterlloy C-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熱時效處理，將奧氏體轉變?yōu)轳R氏體，并使馬氏體中析出金屬化合物，沉淀出硬化相，從而獲得高強度、較高的塑性及屈強比（S/D0.80.9）。 例

21、：AM350 熱失效：真空爐850C進行淬火處理，再進行80C的低溫處理(制冷劑F12)，以達到增加彈性、穩(wěn)定尺寸的目的。,2020/10/7,42,（2）特點 焊接金屬波紋管密封不用會產生較小滑移的輔助密封圈，使用溫度范圍廣：200600C。高速下對軸的振動、振擺適應性強，追隨性好。,（3）彈率(剛度N/mm) k=Et3（d1d2）/2nB3d2/d1,E：工作溫度下彈性模量（N/mm2）：,AM350： 1.75106(315.6C)、 INCONEL：2.14106(26.7C)、1.59106(649C)、 17-7PH： 2.0106(21.1C)、 Ti： 1.31106(196

22、C)、1.14106(23.9C)、 0.70106(538C)。,2020/10/7,43,t：波片厚度mm n：波數(shù) d1/d2：管子內外徑mm B：波紋管片寬（d2d1）/2 公式中未考慮波片斷面形狀，具有一定誤差，實際 生產中用彈簧測力計測彈率(剛度)。,三、機械密封的計算,2020/10/7,44,（一）補償環(huán)的受力狀況,要進行端面比壓計算，首先要分析補償環(huán)的受力情況。 如圖，補償環(huán)受到的力有：,2020/10/7,45,（二）密封端面中液膜反力的分布情況,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，各點的壓力分布與介質性質有關，還與端面中的

23、相態(tài)和摩擦狀態(tài)有關。 對于丁烷等(粘度小、易汽化介質)，壓力分布成凸拋物線狀1。 對于水等(中等粘度介質)，壓力分布成直線性2。 對于潤滑油等(高粘度介質)，壓力分布成凹拋物線狀3。,2020/10/7,46,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，人們通過大量試驗發(fā)現(xiàn)，各點的壓力分布與介質性質有關，還與端面中的相態(tài)和摩擦狀態(tài)有關。 對于丁烷等(粘度小、易汽化介質)，壓力分布成凸拋物線狀1。 對于水等(中等粘度介質)，壓力分布成直線性2。 對于潤滑油等(高粘度介質)，壓力分布成凹拋物線狀3。,2020/10/7,47,（三）液膜反力的計算,Fm =

24、P介 S （液膜比壓Pm=P介） ：膜壓系數(shù)0.5（中粘度），=0.650.75（低粘度）， =0.30.4（高粘度）。 它是一個平均值，表示液膜壓力占介質壓力的比例， 并不表示壓力的分布情況。該公式為端面比壓的計算 提供了方便。 S：端面面積S=（d22d12）/4,2020/10/7,48,（四）易汽化介質中密封端面間的液膜壓力分布,易汽化介質（如液態(tài)烴等）的機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，對于正確計算液膜反力很有必要。,2020/10/7,49,大家都知道，對于輕烴類介質，端面縫隙中存在氣

25、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。 r2rb區(qū)域，液膜壓力成線性分布，液相 rbr1區(qū)域，液膜壓力成拋物線分布，氣相 對于易汽化介質膜壓系數(shù)，中國石油大學顧永泉教授提出一個計算公式： =2/3/P1（1/21/6Pf/P1）（r2rb）/( r2 r1) 式中：Pf ：rb處氣化壓力 P1 ：介質壓力 rb：氣化半徑 r2 /r1 ：端面外半徑/內半徑 計算值一般在0.700.85之間。,2020/10/7,50,（五）膜壓系數(shù)的影響因素,（1）端面幾何尺寸，由上面公式可以看出。 （2）密封結構：前面講的都是對內流式而言的，對外流式，還要增大0.2左右，

26、對于中等粘度介質=0.7 （3）摩擦狀態(tài)：邊界摩擦（端面多個高點直接接觸承壓。液膜厚度只有幾個分子厚，且不連續(xù)，幾乎不承壓，只起潤滑作用，=0）、液體摩擦（全液膜，泄漏量大，機械密封一般不采用）、混和摩擦（介于以上兩種之間,這是機械密封端面摩擦的主要形式） （4）端面縫隙情況：漸開形，減??；漸收形，增大 （5）其他因素：轉速高，對于內流式減小，對于外流式 增大。此外端面比壓、密封面溫度、粗糙度等都有一定影響。,2020/10/7,51,（六）彈簧比壓的計算,Pt =F彈/S F彈可計算得出，但一般有誤差10%，這是由于制造廠、 制造工藝、原材料的化學成分、熱處理工藝等存在差異的 緣故。 一般Pt =0.150.2Mpa(內裝)，0.30.6Mpa(外裝)，反應釜中， 轉速低，軸擺動大，取大值。,2020/10/7,52,（七）載荷系數(shù)K,介質壓力對補償環(huán)的有效作用A面積與端面面積S之比：K=A/S,K=（d22d02）/（d22d12） d0為介質分界圓直徑 當K1時，機械密封為非平衡型； 當K1時，機械密封為平衡型； 平衡系數(shù)=100（1-K）% 載荷比壓：P載=KP