泵用机械密封技术与发展

泵用机械密封技术与发展主讲：李鲲研究员密封研究所所长合肥通用机械研究院泵是各领域使用最广泛的通用机械之一，其品种、规格繁多，绝大多数类型的泵（磁传动泵、屏蔽泵除外）存在一个基本的共性问题“泄漏”。合肥通用机械研究院壳体(法兰）泄漏属于静密封问题，容易解决，长期以来，人们主要致力于研究解决泵的轴封泄漏问题。泵轴封泄漏壳体导致泵轴封泄漏的因素合肥通用机械研究院泵自身的结构泄漏密封的结构、材料(选型）介质的影响介质外漏泵性能下降最终导致泵（设备）的维修人为因素（安装）影响安全生产泵的轴封结构形式合肥通用机械研究院编织填料密封成形填料密封粘稠液体软填料密封接触式机械密封非接触式机械密封泵的轴封形式磁流体密封磁传动、屏蔽机械密封填料密封完全无泄漏机械密封的工作原理在泵、风机、搅拌釜等旋转设备中，机械密封件是用来阻止介质沿其旋转轴与壳体之间的缝隙泄漏的装置。机械密封至少有一对垂直于旋转轴线且端面相互贴合的密封环(其中一个安装在轴上随轴转动，另一个安装在静止的机壳上)；相对静止的辅助密封件；产生使密封环端面相互贴合的作用力的弹性元件（或磁性元件）以及其它传动部件所组成。由于机械密封在工作时，起主要密封作用的是在外力（介质压力和弹弹簧力或磁力）作用下、两个相互贴合并相对滑动的密封环端面，故机械密封也称为端面密封。合肥通用机械研究院典型的机械密封示意图合肥通用机械研究院叶轮端静环静环密封圈动环动环密封圈动环座弹簧弹簧座紧定螺钉机械密封示意图图机械密封的发展历程合肥通用机械研究院最早在19世纪末期出现机械密封的雏形,结构相当简单，仅由一个橡胶弹性体和金属（壳体）相摩擦，如图所示二战期间,美国开始在化工流程泵上使用机械密封,二战后,随着石油化工行业的迅猛发展，机械密封在西方国家也发展迅速,至70年代,西方国家的炼油行业的流程泵80%采用机械密封,机械密封的应用范围也迅速扩大。其结构类型、端面材料的使用也迅速增加。我国在50年代末期，开始进行机械密封的研究，至70年代,形成了我国标准的JB1472标准的泵用和HG5-748-78；HG5-751~756-78釜用两大系列机械密封，奠定了我国机械密封行业的基础。机械密封的雏形合肥通用机械研究院机械密封的分类（1）机械密封的分类方法很多，按应用的主机分类，大致可以分为泵用机械密封、釜用机械密封、透平压缩机用机械密封、低温制冷机用机械密封等。按机械密封的作用原理和结构分类（1）按密封端面组合分类可分为单端面、双端面、多端面机械密封，其中双端面有轴向双端面和径向双端面两种；（2）按密封端面接触与否分类可分为接触式、非接触式机械密封，其中非接触式机械密封又分为流体动压式和流体静压式两种；（3）按密封端面承受载荷分类可分为非平衡型、部分平衡型、过平衡型机械密封；合肥通用机械研究院机械密封的分类（2）（4）按密封是否装在腔体内侧或外侧可分为内装式和外装式机械密封；（5）按弹性元件分类可分为单弹簧、多弹簧、金属波纹管机械密封；（6）按密封流体在密封端面的流向可分为内流式、外流式机械密封；（7）按补偿环是否随轴旋转可分为旋转式、非旋转式机械密封；（8）按波纹管材料分类可分为金属波纹管、橡胶波纹管、聚四氟乙烯波纹管机械密封；（9）按密封补偿力分类可分为弹性元件和磁性元件机械密封；还有按使用工况、参数分类等等。合肥通用机械研究院机械密封与填料密封的优缺点合肥通用机械研究院机械密封与填料密封的优缺点类别项目机械密封填料密封密封性能泄漏量小大工作寿命长短摩擦功率小大抗偏摆能力好差调整情况自动补偿不需要调整需经常调整对轴的磨损对轴基本不产生摩损对轴的摩损大产品结构复杂简单安装要求高*低现场维修困难*容易产品成本高低运行成本低高*完全集装式机械密封对安装要求不高，现场维修也比较容易*完全集装式机械密封对安装要求不高，现场维修也比较容易常用的机械密封结构型式目前，国内泵用机械密封主要有两大类，一类是我国自主开发的JB1472标准系列的泵用机械密封，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系列机械密封；DBM金属波纹管系列等等，另一类是以引进的（符合ISO3069标准）59U、59B、H7N、M7N、AB等系列机械密封；另外，外装式机械密封主要有WB2、152等系列耐酸泵用机械密封；金属波纹管机械密封主要以丹东克隆为代表DBM系列和以西安永华引进的Sealol公司的600系列金属波纹管机械密封；我国在推行ISO标准过程中，各生产厂家也相继开发了一些符合ISO3069标准（国内标准号GB/T6556）的机械密封系列。合肥通用机械研究院136078104型机械密封8B型机械密封合肥通用机械研究院合肥通用机械研究院常用的机械密封基本参数密封型式103、104、105、GX、59U、M7N、BIA110、111、109、59B、H7N、GYDBM、600压力（Mpa）0-0.780-2.94≤3.0*温度(℃)-45-+200-45-+200-100-+450转速(r/min)300030003000*双层波片工作压力可达到7.0MPa机械密封环常用的材料碳石墨碳石墨具有良好的自润滑性能、耐腐蚀性能、摩擦系数低、导热性能好，是机械密封端面摩擦副理想的材料之一，应用广泛。常用的碳石墨主要有浸渍树脂碳石墨和浸渍金属碳石墨两类（国外有免浸渍的碳石墨材料）合肥通用机械研究院合肥通用机械研究院机械密封环常用的材料硬质合金（WC）硬质合金作为硬密封环应用极为广泛，常与碳石墨、碳化硅、硬质合金相配对，组成密封摩擦副，密封环常用硬质合金材料主要有钴基硬质合金（如YG6、YG8）和镍基硬质合金（如W7、YN10等），钴基硬质合金与镍基硬质合金相比，硬度要高一些，但是镍基硬质合金的耐腐蚀性能则要好一些。合肥通用机械研究院机械密封环常用的材料碳化硅（SiC）碳化硅属于工程陶瓷，在我国是近十几年发展起来的新型材料，由于其超强的硬度、极好的耐磨性能、导热性能和良好的耐腐蚀性能以及具有一定的自润滑性能，发展迅速，在相当场合，已经取代了硬质合金、氧化铝陶瓷、氮化硅等硬质材料，与碳化硅配对的常用材料主要有碳石墨、硬质合金、碳化硅、填充聚四氟乙烯等。碳化硅主要有三种类型：a、热压烧结碳化硅；b、无压烧结碳化硅；c、反应烧结碳化硅。机械密封环常用的材料氧化铝陶瓷（Al2O3）目前，国内使用的氧化铝陶瓷大致有99瓷和95瓷两种；99瓷纯度高，耐腐蚀性能好，主要用于耐酸泵外装式机械密封（如WB2、152型等），95瓷耐腐蚀性能较差，但制造成本极低，可以大批量生产，主要用于农用泵、汽车冷却泵等轻型机械密封。合肥通用机械研究院失效现象失效原因采取措施失效发生率泄漏量大泵工作范围小，易出现运行不稳或汽蚀现象，导致密封工作异常对影响泵性能的几何参数等因素进行试验分析，提高泵的水力性能和工作范围，少泵不在额定工况运行，使转子产生不平衡力矩，导致转子出现跳动或变形提高水力性能的同时，研究泵轴向力和径向力的影响因素，从结构等方面进行试验分析加以改进以降低其不利影响多泵在运行过程中，出现“抽空”现象，致使密封环“干摩擦”运转、烧坏。采用密封系统，确保密封腔内始终充满介质多合肥通用机械研究院泵性能和结构导致密封失效的原因分析失效现象失效原因采取措施失效发生率泄漏量大制造原因密封环平面度粗糙度差研磨密封环端面多密封环尺寸形位公差不好重新加工少橡胶圈尺寸公差不合要求更换橡胶圈多安装原因端面不平形、不贴合重新安装或采用集装式，减少安装多弹簧压缩量过小一般密封面之间有脏物少设计原因弹簧被泥砂、结晶、积垢等堵塞失弹增加密封辅助系统，如旋液分离器，或采取弹簧保护措施一般密封面大气侧被泄漏物堵塞结构上考虑防堵塞结构一般泵本身原因泵轴向串动量大选用高精密轴承一般泵轴偏摆过大进行静平衡试验，平衡径向力少端盖对泵轴跳动过大提高泵加工质量多密封面磨损大安装原因弹簧压缩量过大重新安装、调整弹簧压缩量一般设计选型原因密封面材料不匹配选用合理的密封面配对材料多使用原因介质成分复杂应选用密封辅助系统如旋液分离器、换热器等一般泵抽空、密封面干运转确保密封腔充满介质一般机械密封的选型合肥通用机械研究院据国内的统计资料和国外的资料介绍，在早期失效（寿命极短）的机械密封中，有25-30%是因为安装问题，30%以上的原因是选型（用材）不当造成的。机械密封的选型非常重要，机械密封的选型主要考虑以下几个方面：（1）密封的工作参数：如工作压力；介质温度；工作转速；（2）密封的介质性质：如介质粘度、润滑性、挥发性、腐蚀性等；（3）密封安装空间：如轴向尺寸、径向尺寸、内装、外装等；（4）密封的工作条件：如有无冲洗等条件。机械密封的选型机械密封的选型步骤大致是：（1）根据工作压力确定采用平衡型还是非平衡型结构；（2）根据密封介质的性质，如易燃、易爆、有毒、贵重等确定选用双端面还是单端面机械密封；（3）根据工作转速确定采用补偿环旋转式还是非旋转式；（4）根据现场使用条件确定是否需要或选用哪种密封辅助系统；（5）根据介质的腐蚀性等确定机械密封使用的材料。合肥通用机械研究院泵用机械密封的发展趋势近些年来，在机械密封领域的研究主要主要集中在两个方面：高参数密封高参数密封一直是密封行业的发展方向，如干气密封，超大直径密封，超高压密封等等，主要是随着石化产品的进一步深加工，装置参数越来越高，原子能行业单机功率越来越大，研究这类密封一方面是拓宽机械密封的应用领域，另一方面也是满足这些行业的需要。研究如何提高机械密封的工作可靠性和延长机械密封的使用寿命。合肥通用机械研究院集装式机械密封集装式机械密封就是研究提高机械密封可靠性的产物。所谓集装式机械密封就是通过密封自带轴套和端盖将单（双）端面机械密封组合在一起，为整体安装形式，如图所示：合肥通用机械研究院集装式机械密封与普通机械密封的优缺点合肥通用机械研究院表3机械密封与填料密封的优缺点类别项目普通机械密封集装式机械密封产品结构一般合理安装方式产品为各个分散的零部件，到泵厂进行安装产品在制造厂完全集装为一个整体安装人员技术要求高低安装时间长短密封可靠性低高安装成功率低（容易碰伤精密研磨抛光的密封端面）高安装速度慢快试验要求装配泵后进行试验在生产厂进行试验集装式机械密封是目前国际上正在大力推广的机械密封结构形式，主要是集装式机械密封的优点非常明显，在美国石油学会API682标准中明确规定必须（只能）使用集装式机械密封，并且建议尽量使用双端面集装式机械密封。合肥通用机械研究院集装式机械密封机械密封的设计理念变化机械密封的径向尺寸扩大化如ISO3069、GB6556标准对泵密封腔的机械密封的径向尺寸规定很紧，空间很小，机械密封的一些特殊结构很难采用，限制了机械密封性能的发挥，也影响了机械密封零部件的结构强度，API682标准不仅规定应该使用集装式机械密封，对泵密封腔也进行开放式设计，完全以满足机械密封的结构强度和充分发挥机械密封的性能为目的，这样极大地拓宽了密封的设计思路，使机械密封能够更加安全、可靠地工作。合肥通用机械研究院密封辅助系统强化密封辅助系统的作用和功能，API标准中，在很多场合，强调合理使用密封辅助系统，改善密封的工作环境，可以极大地延长机械密封的使用寿命，提高机械密封的可靠性，有很多密封辅助系统还带有报警、保护等装置，在一些危险、关键工位，多使用二次应急密封。合肥通用机械研究院泵用“干气”密封合肥通用机械研究院“干气”密封的原理“干气”密封-非接触式气膜润滑机械密封，其工作是，依靠密封端面的螺旋槽使气体产生流体动压效应，在密封面上形成气膜压力造成密封面脱离接触，当气膜压力（开启力）等于密封端面闭合力（弹簧力、介质力），密封面的间隙相对稳定，密封进入稳定的运行状态。目前，在一些输送易挥发介质的泵中，有不少采用“干气”密封，并且有盲目扩大的趋势，“干气”密封在输送类似于气体介质，确实有许多优点，但是由于螺旋槽非常浅（5-7µ），容易被