3-1接触式机械密封技术

H实现以人为本—健康安全环保经济—现代化生产新理念3.接触式机械密封技术(ContactingMechanicalFaceSeal)主讲人:郝木明,孙鑫晖H目录3.1机械密封的发展进程及方向3.2机械密封的结构、原理及特点3.3机械密封的分析计算3.4釜用机械密封3.5机械密封辅助系统3.6接触式机械密封存在的问题H3.1机械密封的发展进程及方向3.1.1发展进程H表3-1机械端面密封的发展简史年代历史事件PsV值水平/(MPa·m/s)发展的动力188519001908191919201930194019451957英国第一个端面密封的专利开始用于轴承密封汽轮机上出现几个端面密封出现单端面密封用于小型家用冷冻压缩机和车水泵用于内燃机水泵在一定程度上解决轻烃泵密封出现平衡型和中间环高压高速机械密封美国西乐Sealol公司第一个金属波纹管机械密封高温密封＜1.03.0414.730液压传动、蒸汽机和机床产生作为油封结构上单、双端面密封形成机械密封机械加工和材料方面的技术进步石油化工发展；石墨、陶瓷、硬质合金等新材料；密封面粗糙度的改进，由Ra0.2μm改为Ra0.05μm航空、石油化工等工业要求（400℃以上）H续表3-1机械端面密封的发展简史年代历史事件PsV值水平/(MPa·m/s)发展的动力19601963-19691974197719851990年以后出现热流体动力楔机械密封流体流体静压密封、流体动压密封及工业上应用出现新的密封面材料碳化硅和优质不同浸渍碳石墨出现各种密封的组合机械密封和螺旋槽干运转气体密封工业应用密封面变形协调和材料合适配对工艺流体的零泄漏和零逸出密封技术迅速发展非接触(表面改形技术)机械密封发展167～267353500700≥1000原子能工业要求；结构上出现流体静压、流体动压和热流体动压密封(动力楔和动压垫效应)宇航和核电特殊要求；结构上出现多级密封；材料有碳化硅和优质碳石墨由于宇航和核电需要，出现螺定—机械密封、浮环—机械密封和螺旋槽密封用于高PV值热水泵密封，环境保护、长寿命和安全生产要求API610、API682、STLESP-30等新标准用激光加工、表面改形技术、计算机技术和密封设计理论发展H•机械密封的目前水平：单级压力：10-3Pa～35MPa；使用温度：最高达1000℃；最低可达低温深冷；机器转速：高达50000r／min；PsV值：达1000MPa·m／s。3.1.2机械密封技术的发展方向•按摩擦副端面的摩擦润滑状态分：•接触式机械密封（包括液体润滑的“湿运转密封”和气体润滑的“干运转密封”）；•非接触式机械密封（包括“液膜密封”、“气膜密封”和“气液混膜密封”等）。•接触式密封：减少泄漏、降低磨损、提高可靠性和工作稳定性、延长使用寿命。•非接触式密封：实现无泄漏（液相零泄漏和汽相零逸出）无污染功能、提高流体膜刚度和工作稳定性、延长使用寿命。H3.2机械密封的结构、原理及特点3.2.1机械密封结构及工作原理•机械密封是一种依靠弹性元件对静、动环端面密封副的预紧和介质压力与弹性元件压力的压紧而达到密封的轴向端面密封装置，（图2-1）故又称端面密封。•机械密封的基本构成：•端面密封副（静环1和动环2）；•弹性元件（如弹簧4）；•辅助密封（如O型圈8、9和10）；•传动件（如传动销3和传动螺钉6）；•防转件（如防转销11）和紧固件（如弹簧座5、推环13、压盖12、紧定螺钉6与轴套14）。HHH图4-1典型机械密封示意图1-静环，2-动环3-传动销，4-弹簧，5-弹簧座，6-紧定螺钉，7-传动螺钉，8、9、10-O形环，11-防转销，12-压盖，13-压环，14-轴套Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ——泄漏点返回HHHHH机械密封基本组成和作用1）动环和静环是机封组成的核心，也是研究的重点。端面密封性能在很大程度上标志着机封的技术水平，因为其它泄漏渠道的密封（为静密封）是较容易解决的。2）弹性元件（弹簧、波纹管、隔膜等）为主要零件的缓冲补偿机构，是机封保证密封可靠性的重要条件。①预紧作用：使动静环端面保持贴合；②减振作用：轴的振动如果不加缓冲地直接传递到密封端面上，那么密封端面就不能始终保持贴和而使泄漏量增加；③缓冲补偿作用：若给摩擦副施加过大轴向载荷而导致端面严重磨损，若无缓冲补偿机构，势必会造成端面间隙越来越大，泄漏量增加。故机封都采用弹性元件和辅助密封圈建立缓冲补偿机构，以缓冲振动、磨损给端面带来的不良影响。H3）辅助密封圈（O形、V形、楔形环等异形密封圈）是解决密封端面以外的微动密封问题中所不可缺少的组成部分，同时也起到浮动和缓冲的作用。材料要耐热、耐寒并与介质有相容性（橡胶、石棉、膨胀石墨等）。4）传动件（传动销、传动环、传动座、传动套、传动键、传动凸耳或牙嵌联合器）将轴的转距传递给动环的作用。材料耐蚀、耐磨。5）固紧件（紧定螺钉、弹簧座、压盖、组装套、轴套）起到静、动环的定位、固紧和盛装的作用。①定位准确，保证摩擦副密封面处于正确的位置，并且保持良好的弹簧比压；②拆装方便，容易定位，能重复使用，与辅助密封配合应注意有安装密封环的倒角和环的压弹量。H五个泄漏渠道：①、静环与动环的端面之间—Ⅰ：旋转动密封，主要泄漏通道；②、静环与密封压盖之间—Ⅱ：静密封；③、动环与旋转轴（轴套）之间—Ⅲ：往复密封；④、密封压盖与壳体之间—Ⅳ：静密封；⑤、轴套与轴之间—Ⅴ：静密封；H1）按使用密封的机器或设备分类：泵用机械密封、风机用机械密封、釜用机械密封。3.2.2机械密封的基本型式2）按工作参数分类：H3.3机械密封的分析计算2）按工作参数分类：H3）按结构型式分类：①平衡式和非平衡式能使介质作用在密封端面上的压力卸载的为平衡式机械密封；不能卸载的为非平衡式机械密封。按卸载程度不同，平衡式机械密封又可分为部分平衡式(部分卸载)和过平衡式(全部卸载)。平衡式机械密封端而上所受的力随介质压力的升高变化较小，因此适用于高压密封；非平衡式机械密封端面所受的力随介质压力的变化较大，因此只适用于低压机械密封。平衡式机械密封能降低端面上的摩擦和磨损，减小摩擦热，承载能力大。但其结构较复杂，一般需在轴或轴套上加F出台阶，成本较高。非平衡式结构简单，在介质压力小于0.7MPa时，使用广泛。3.2.2机械密封的基本型式H3）按结构型式分类：①平衡式和非平衡式3.2.2机械密封的基本型式H①平衡式和非平衡式3.2.2机械密封的基本型式载荷系数KH①平衡式和非平衡式3.2.2机械密封的基本型式载荷系数KH3）按结构型式分类：②内置式和外置式弹簧和动环安装在密封箱内与介质接触的为内置式，弹簧和动环安装在密封箱外不与介质接触的为外置式。内置式可利用密封箱内介质压力来密封，元件均处于流体介质中，密封端面的受力状态以及冷却和润滑情况好，常用结构型式。外置式大多数零件不与介质接触，暴露在设备外，便于观察、安装及维修。但介质压力与弹性元件的弹力方向相反，当介质压力有波动，而弹簧补偿量不大时，会导致密封不稳定甚至严重泄漏。外置式仅用于强腐蚀、高粘度和易结晶介质以及介质压力较低的场合。3.2.2机械密封的基本型式H3）按结构型式分类：③内流式和外流式介质泄漏方向与离心力方向相反的为内流式机械密封，介质泄漏方向与离心力方向一致的为外流式机械密封。由于内流式机械密封中离心力阻止泄漏流体，其泄漏量较外流式的小，密封可靠，适用于高压处。当转速极高时，为加强端而润滑采用外流式机械密封较合适，但介质压力不宜过高，一般为l～2MPa。3.2.2机械密封的基本型式H3）按结构型式分类：④静止式和旋转式弹簧不随轴一起旋转的为静止式；弹簧随轴一起旋转的为旋转式。由于静止式弹簧不受离心力影响，常用于高速中。旋转式的弹性元件装置简单，径向尺寸小，是常用结构，但不宜用于高速。因为在高速情况下的不平衡质量易引起振动和介质被强烈搅动。线速度大于30m/s时，宜采用静止式。3.2.2机械密封的基本型式H3）按结构型式分类：⑤单弹簧式和多弹簧式补偿机构中只有一个弹簧的为单弹簧式或大弹簧式，有多个弹簧的称多弹簧式或小弹簧式。单弹簧式端面上的弹簧压．尤其在轴径较大时分布不均。多弹簧式的弹簧压力分布相对均匀。单弹簧式常用于较小轴径(d≤80～150mm)。而多弹簧式适用于高速、大轴径。但多弹簧式弹簧丝直径细，当有腐蚀或结晶颗粒积聚易引起弹簧失，宁可采用单弹簧式。3.2.2机械密封的基本型式H3）按结构型式分类：⑥单端面式和双端面式由一对密封端面组成的为单端面机械密封；由二对密封面组成的为双端面机械密封。当两对端面沿轴向布置时为轴向双端面机械密封；当两对端面沿径向布置时为径向双端面机械密封。单端而机械密封结构简单、制造和安装容易，一般用于介质本身润滑性好和允许有微量泄漏的情况，是最常用的机械密封型式。但当介质有毒、易燃、易爆以及对泄漏量有严格要求时，不宜使用。双端面机械密封适用于介质本身润滑性差、有毒、易燃、易爆、易挥发、含磨粒及气体等。径向双端面机械密封结构较轴向双端面机械密封紧凑。3.2.2机械密封的基本型式H3）按结构型式分类：⑥单端面式和双端面式轴向双端面机械密封有面对面或背靠背布置的结构。这种密封工作时如在两对端面间引入高于介质压力0.05～0.15MPa的封液，以改善端面间的润滑及冷却条件，并把介质与外界隔离，有可能实现介质“零泄漏”。3.2.2机械密封的基本型式H3）按结构型式分类：⑦接触式和非接触式接触式机械密封是指密封面微凸体接触的机械密封。非接触式机械密封是指密封面微凸体不接触的机械密封。非接触式又可分为流体静压和流体动压两类。流体静压密封系指利用外部引入的压力流体或被密封介质本身，通过密封端面的压力降产生流体静压效应的机槭密封。流体动压密封系指利用端面相对旋转自行产生流体动压效应的机械密封，如螺旋槽端面机械密封。接触式机械密封的密封面间隙h=0.5～2μm，摩擦状态为混合摩擦和边界摩擦；非接触式机械密封的密封面间隙，对于流体动压密封h=2μm，对于流体静压密封h5μm，摩擦状态为流体摩擦、弹性流体动力润滑。3.2.2机械密封的基本型式H3）按结构型式分类：⑦接触式和非接触式普通机械密封大都是接触式，而可控间隙机械密封是非接触式。接触式机械密封结构简单，泄漏量小，但磨损、功耗和发热量都较大，在高速、高压下使用受到限制。非接触式机械密封的功耗和发热量小，正常工作时没有磨损，能在苛刻工况下工作，但泄漏量较大。3.2.2机械密封的基本型式H3）按结构型式分类：⑧单级和双级密封使密封介质处于一种压力状态为单级密封；处于二种压力状态为双级密封。前者与单端面密封相同，后者二级密封串联布置，介质压力依次递减，可用于高压工况。如介质压力很高，可以将多级密封串联，成为多级机械密封。3.2.2机械密封的基本型式H3）按结构型式分类：⑨波纹管机械密封•按所用材料不同：金属、聚四氟乙烯和橡胶波纹管机械密封。•波纹管型密封在轴上没有相对滑动，对轴无磨损，随动性好，适用范围广。•金属波纹管又可分为焊接金属和液压成型金属波纹管。•金属波纹管本身能代替弹性元件，耐蚀性好，可在高、低温下使用。聚四氟乙烯波纹管耐腐蚀性好，可用于各种腐蚀介质中。橡胶波纹管因橡胶价格便宜，使用广泛，使用温度受不同胶料性能的限制。3.2.2机械密封的基本型式H图3—2（1）内装内流多弹簧旋转接触式机械密封H图3—2（2）内装内流多弹簧静止接触集装式机械密封H图3—2（3）内装内流多弹簧旋转接触集装式机械密封H图3—2（4）外装外流多弹簧旋转接触式机械密封H图3—2（5）双端面波纹管接触集装式机械密封H图3—2（6）内装内流双端面单弹簧接触式机械密封H图3—2（7）内装内流单端面单弹簧集装接触式机械密封H图3—2（8）内装内流双端面多弹簧集装非接触式干气密封H图3—2（9）内装内流多端面（串联）多弹簧非接触式干气密封H图3—2（10）剖分式机械密封H3.2.3机械密封的优点密封性—泄漏量可以限制到很少只要主密封