1、2022-8-13机械密封技术1机械密封技术机械密封技术2022-8-13机械密封技术1 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。2022-8-13机械密封技术13、原理 通过一系列零件将径向密封转化为轴向密封，在弹簧
2、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（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
3、体间的密封圈，静密封点，密封圈与相配合件之间相对静止.2022-8-13机械密封技术1 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。（四）辅助设施（四）辅助设施2022-8-13机械密封技术11、按使用条件分类（1）高速密封（ZBJ22-001-88：线速度25100m/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（五）机械密封的种类（五）机
4、械密封的种类2022-8-13机械密封技术1（六）旋转式和静止式机械密封（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）2022-8-13机械密封技术1（七）内装式和外装式机械密封（图（七）内装式和外装式机械密封（图1-3）（1）内装式：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，腐蚀性不强的场合用于温度、压力较高，腐蚀性不强的场合）（2）外装式：外装式：静环装在压盖外侧，静环端面背向工作腔。（用于
5、低压、腐蚀性强的场合用于低压、腐蚀性强的场合）2022-8-13机械密封技术1（一般和内装式、外装式一致）（1）内流式：内流式：泄漏方向朝向轴心。（一般密封都采用这一般密封都采用这 种结构种结构）（2）外流式：外流式：泄漏方向朝向离心力方向。（泄漏量大，泄漏量大，只有在压力、温度都不高的腐蚀性介质中用只有在压力、温度都不高的腐蚀性介质中用）（八）内流式和外流式机械密封（八）内流式和外流式机械密封（九）多弹簧和单弹簧机械密封（九）多弹簧和单弹簧机械密封（1）多弹簧：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宜用于高速，不宜用于腐蚀性介质。（2）单弹簧：单弹簧
6、：（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不宜用于高转速的场合。2022-8-13机械密封技术1（1）平衡型：载荷系数平衡型：载荷系数K1.0（用于高压场合（用于高压场合）（2）非平衡型：载荷系数非平衡型：载荷系数K1.0（用于普通压力场合）（用于普通压力场合）（十）平衡型和非平衡型机械密封（十）平衡型和非平衡型机械密封（十一）补偿机构形式（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 2022-8-13机械密封技术1 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
7、燃、易爆、易挥发、易结晶、高温、低温，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。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。滑、冷却，选洁净、润滑性好的封液介质。（十二）双端面机械密封（十二）双端面机械密封（图1-4）2022-8-13机械密封技术1v两套密封沿同一方向布置，密封腔压力逐级降低两套密封沿同一方向布置，密封腔压力逐级降低,v用于高压场合。用于高压场合。（十三）串联式机械密封（十三）串联式机械密封（图1-5）202
8、2-8-13机械密封技术1v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,补偿环追随性提高补偿环追随性提高.v避免了补偿环密封圈因轴串、振动所产生的磨损。避免了补偿环密封圈因轴串、振动所产生的磨损。v金属波纹管用于高温介质金属波纹管用于高温介质v聚四氟乙烯波纹管用于腐蚀性介质。聚四氟乙烯波纹管用于腐蚀性介质。（十四）波纹管机械密封（十四）波纹管机械密封2022-8-13机械密封技术1v将机械密封、轴套、压盖组合成一个整体。v安装时只需固定压盖、轴套，取下定位挡块即可。v安装方便，排除了安装不良的影响。（十五）集装式机械密封（十
9、五）集装式机械密封（图1-6）2022-8-13机械密封技术1二、机械密封的基本零件二、机械密封的基本零件（一）对摩擦副密封环的要求（一）对摩擦副密封环的要求 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2022-8-13机械密
10、封技术1（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（0406）以利补偿 静环和轴（轴套）间隙13mm以免摩擦（二）摩擦副匹配要考虑的因素（二）摩擦副匹配要考虑的因素2022-8-13机械密封技术1（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
11、）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：（三）（三）密封端面宽度密封端面宽度2022-8-13机械密封技术1v宽系列用于组对性能好（如YG6/M106K、SiC/M106K）、工 况条件好的场合v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）。轴轴 径径16355570100120宽系列宽系列2.53.04.05.06.07.0中
12、系列中系列2.02.53.04.05.05.0窄系列窄系列1.52.02.02.53.03.02022-8-13机械密封技术1（）平面度0.0009，硬质0.2，软质0.4，表 面不应有裂纹、划伤、气孔、疏松等缺陷。（）密封环端面与安装辅助密封圈处的平行度、垂直度按 的级精度要求。（）安装辅助密封圈处粗糙度：3.2，径向尺寸公 差或。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。（四）密封环的主要技术要求（四）密封环的主要技术要求2022-8-13机械密封技术1三、机械密封的计算三、机械密封的计算（一）补偿环的受力状况（一）补偿环的受力状况 要进行
13、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：2022-8-13机械密封技术1（二）密封端面中液膜反力的分布情况（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。2022-8-13机械密封技术1 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
14、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。2022-8-13机械密封技术1Fm=P介 S （液膜比压Pm=P介）：膜压系数0.5（中粘度），=0.650.75（低粘度），=0.30.4（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=（d22d12）/4（三）液膜反力的计算（三）液膜反力的计算 2022-8-13机械密封技术1
15、 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。（四）易汽化介质中密封端面间的液膜压力分布（四）易汽化介质中密封端面间的液膜压力分布2022-8-13机械密封技术1 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。r2rb区域，液膜压力成线性分布，液相rbr1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，中国石油大学顾永泉教授提出一个计算公式：=2/3/P1（1/21/6Pf/P1）（
16、r2rb）/(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0.700.85之间。2022-8-13机械密封技术1（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，还要增大0.2左右，对于中等粘度介质=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，=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，减小；渐收形，增大（5
17、）其他因素：转速高，对于内流式减小，对于外流式增大。此外端面比压、密封面温度、粗糙度等都有一定影响。（五）膜压系数的影响因素（五）膜压系数的影响因素2022-8-13机械密封技术1 Pt=F弹/S F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=0.150.2Mpa(内装)，0.30.6Mpa(外装)，反应釜中，转速低，轴摆动大，取大值。（六）弹簧比压的计算（六）弹簧比压的计算2022-8-13机械密封技术1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/S（七）载荷系数（七）载荷系数K K=（d22d02）/（d
18、22d12）d0为介质分界圆直径当K1时，机械密封为非平衡型；当K1时，机械密封为平衡型；平衡系数=100（1-K）%载荷比压：P载=KP介2022-8-13机械密封技术1P=Pt+P载P液膜 =Pt+（K-）P介 （内装式）对于双端面机械密封介质侧：P液膜=P外（P内P外）P载=K P内（1K）P外所以：P=PtK P内（1K）P外P外（P内P外）=Pt（K）（P内P外）=Pt（K）P（八）端面比压（八）端面比压 2022-8-13机械密封技术1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
19、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、YG6/SiC、M106K/YG6）可以取稍大值(因液膜不易被破坏，摩擦系数不易增加。)。（2）对于外装式机械密封，可以取稍小值（因介质比压很小，而Pt不可能很大。）。（3）对于高粘度介质，取稍大值（以保持端面贴合）。（4）易挥发介质（饱和蒸汽压高）稍小值（以减少温升）。2022-8-13机械密封技术1推荐的端面比压值 因素程度内 装 式机械密封外 装 式机械密封饱和蒸汽压接近水比水低0.51.00.30.5比水高0.30.5粘度比水高0.51.00.30.5比水低0.30.50.150.2
20、5摩擦副材料其中一个为塑料0.20.30.150.25匹配的硬/硬0.71.20.40.6匹配的硬/软0.51.00.30.52022-8-13机械密封技术1端面比压中有一项K，K=A/SA：介质有效作用面积，A=（d22de2）/4，de为有效直径。S：密封端面面积 S=（d22d12）/4（九）波纹管的有效作用直径（九）波纹管的有效作用直径de2022-8-13机械密封技术1（1）金属波纹管内装内流式：deo=（dido）/2Z外装外流式：dei=（dido）/2Z修正系数Z=0.671P介0.797（2）聚四氟乙烯波纹管矩形波：de=（di2d o2）/21/2锯齿波：de=（d i2d o2d i d o）/31/2橡胶波纹管de无法准确计算，一般由试验获得。2022-8-13机械密封技术1
