1密封基础知识

14.1密封基础知识泵内流体和泵外大气间存在着压差、流体沿着轴和壳体间的间隙向外泄漏，为此需设密封装置，称为轴封。泵内压力大于大气压时，轴封防止液体向外泄漏，泵内压力小于大气压力时，轴封防止空气向泵内泄漏。常用的轴封种类有：1、填料密封；2、机械密封；3、动力密封；4、浮动密封。设计密封装置的要求是密封可靠，能长期运转，消耗功率小，适应泵运转状态的变化，还要考虑到液体的性能、温度和压力。图4-1-1填料装置1套筒2填料3填料环4压盖5填料盒4.1.1填料密封图4-1为应用最广泛的填料密封。它用油浸石墨的石棉绳做填料，放在盘根盒（填料函）中，由套筒和压盖压紧，依靠填料的变形达到密封。用软填料时，在填料层中间安装一个填料环，把高压液流引入此处，不仅能起密封作用。同时也能起润滑和冷却作用。填料的种类很多，除了石棉外，其材料还可以是金属、合成橡胶、合成树脂和皮革棉麻等。在安装之前涂上油或石墨等润滑剂。为了防止泄漏，必须将填料压得很紧，因此，填料的磨损较快，功率损耗也较大。常用填料密封结构形式应用图例一般不推荐使用。通常仅用于小型泵，单级扬程很低、泵轴向力很小的场合，或用于叶轮无后密封环及无平衡孔情况带填料环的填料密封，注入液体或循环液体供密封、隔离及冷却等用2应用图例密封液在压力下引到封液环处，密封液在轴向沿着两个方向流动。通常用于泵在负压下操作。当吸入为负压时，密封液的作用为封堵、冷却和润滑，以封堵为主；当吸入压力为正压，输送温度较高时，以冷却为主.用于输送含有不干净或有颗粒介质的密封。封液环在填料箱的底部，通入比输送介质压力高0.05~0.1MPa的密封液进行冲洗，避免不干净或有颗粒介质进入填料，加速轴套的磨损带填料环的填料密封，通常还有喉部衬套注入液体或冷却循环液体用以清洗沉积物等4.1.2机械密封机械密封如图4-1-2，它是靠一对相对运动圆环的端面（一个固定，另一个与轴一起旋转）互相贴合形成微小轴向间隙起密封作用。相对运动的圆环称为静环和动环，其两端面形成摩擦副。动环靠密封室中液体的压力和压紧元件的压力，使动环压紧在静环上。应调节压紧元件的压力，使泵在不转状态也能保证动静环之间的贴合。图4-1-2机械密封1静环2动环3弹簧4传动弹簧座5固定螺钉6、8密封圈7防转销9压盖机械密封的优点是泄漏量极小，寿命长，一般为1~2年。对轴的摩擦小，可自动运行而不需在运行时调正。功率损失小，只有填料密封的1/3~1/10。耐振动性好，使用广泛。目前转速可达17000r/min，压力达到30MPa。缺点是零件多，精度高，安装拆卸要求高，相应造价高。1机械密封分类及适用范围（1）.平衡型和非平衡型机械密封平衡型机械密封端面所受作用力随介质压力的升高而升高的斜率小于1,非平衡型机械密封的升高斜率大于1。也可以直观地理解为,密封腔内动环的有效水力作用面积同密封摩擦副端面面积的比值大于1的为非平衡型机械密封,小于1的则为平衡型机械密封,见图4-1-3。对非平衡型机械密封,在介质压力较高的情况下,3因其端面作用力较大,密封面磨损较快,故不建议用于高压工况,只能用于低压场合,一般最高压力为0.5～0.7MPa。平衡型密封能够降低端面上的磨损,承载能力相对较大,可用于高压场合。（a)平衡型（b)非平衡型图4-1-3平衡性和非平衡性机械密封结构（2）.内装式和外装式机械密封机械密封动环外圆周表面与介质接触的密封形式称为内装式机械密封(图4—1-3),而动环内圆周表面与介质接触的密封形式称为外装式机械密封(图4-1-4)。外装式机械密封弹簧不与介质接触,可以用于强腐蚀、高粘度、易结晶以及含有固体颗粒的介质等工况条件。但其动环端面在介质压力的作用下存在被打开的趋势,因此使用压力比较低,一般应不大于1MPa。内装式机械密封则可以满足较高压力的工况要求。图4-1-4外装式机械密封图4-1-5静止式机械密封结构（3）.内流式机械密封和外流式机械密封介质在密封面上的泄漏方向与离心力方向相反的密封为内流式机械密封,与离心力方向一致的密封为外流式机械密封。显然,图4-1-3属于内流式机械密封,图4-1-4属于外流式机械密封。一般情况下,外流式机械密封泄漏量较大。（4）.旋转式和静止式机械密封弹簧随轴一起旋转的密封为旋转式机械密封(图4-1-3和图4-1-4),弹簧不随轴一起旋转的密封为静止式机械密封(图4-1-5)。旋转式机械密封在高速转动下,由于离心力的作用,弹性元件会发生变形,造成泄漏增大、磨损加速,因此旋转式机械密封适用于线速度小于30m/s的低速工况。静止式机械密封不受离心力的影响,故可应用于高速工况。（5）单弹簧、多弹簧和波纹管型机械密封单弹簧型机械密封(图4-1-6a)通常使用1个大弹簧进行变形补偿,同时传递扭矩,端面受力不均匀,一般用于低速轻载工况。多弹簧型机械密封(图4-1-3～图4-1-5)沿圆周分布3个以上小弹簧作为补偿元件,弹簧不用于传递扭矩,同时端面受力均匀,故可用于高速工况。多弹簧型机械密封在输送含有固体颗粒的介质时,4小弹簧螺距及空间较小,容易堵塞失效,大弹簧则适应性较好。波纹管型机械密封(图4-1-6b)通常使用金属波纹管代替弹簧作为补偿元件,通过焊接的形式与支座和动环座相连接,取消了动、静环上的O形圈,故可用于有机材料难以适用的高温和低温工况。（a)单弹簧（b)波纹管型图4-1-6单弹簧和波纹管型机械密封结构（6）.单端面机械密封和双重机械密封在一个轴封系统中,只使用1对摩擦副的密封为单端面机械密封(图4-1-3～图4-1-6)。使用2对摩擦副的密封为双重机械密封。双重机械密封工作时需配置辅助系统,根据辅助系统中封液压力是否高于密封腔内泵送介质压力,分为有压双重机械密封和无压双重机械密封。有压双重机械密封又分为背靠背组合的配置形式(图4-1-7a,通常简称为双封)和逐级内装串联形式(图4-1-7b,通常简称为串封)。无压双重机械密封通常只有串封(图4-1-7b)形式。（a)双封（b)串封图4-1-7双封和串封结构2.机械密封选用考虑因素（1）.输送介质的物理化学性质对于没有腐蚀性或腐蚀性较弱的介质,可选用内装式机械密封。对于腐蚀性较强的介质,因为弹性元件中弹簧的选择问题不易解决,在压力较低时,可选用外装式机械密封。对于易结晶、存在固体颗粒、高粘度的介质,应采用单弹簧结构。对于易燃、易爆、有毒等禁止外泄的介质,必须考虑双重机械密封,以保证绝对安全。（2）.密封压力密封压力是选用机械密封时需考虑的重要参数之一。一般情况下,当密封压力小于0.7MPa时,平衡型及非平衡型机械密封均可以满足使用要求。密封压力在0.7～12MPa时,考虑使用平衡性机械密封。当密封压力大于12MPa时,则考虑采用串联密封形式(无压双重机械密封),以实现逐级降压。（3）.密封工作转速5密封工作转速是指密封工作面的线速度,它是影响运转稳定性及密封端面磨损的重要因素。线速度大于30m/s时,通常被称为高速密封,应选用静止式机械密封。动、静环端面材料也应作特殊处理,以满足磨损要求。（4）.工作温度工作温度通常指密封腔体内介质的温度。工作温度低于80℃时,一般的机械密封都能适用。对于易汽化介质,应与压力同时考虑,使工作温度比沸点低13.9℃,否则难以保证密封摩擦副间的稳定液膜。介质温度在80～150℃内的机械密封为普通密封,而温度高于150℃的机械密封为高温密封。对于高温密封,通常根据具体的工况条件,使用带有换热器的辅助系统,以使密封腔内的介质温度控制在合理的范围内,确保密封圈以及摩擦副温度不超过具体密封技术条件规定的使用限值。低于20℃使用的机械密封为低温密封。对在低温环境下工作的机械密封,为了避免摩擦副外部空气中的水分发生结冰现象,通常需配置PLAN62系统,使用氮气吹扫驱除水蒸气。对在高温、低温下工作的机械密封,除了选择合适的辅助系统之外,还要充分考虑密封材料和结构。（5）.机械密封辅助系统机械密封端面间存在良好的液膜,保证密封端面不产生干摩擦,各相应的辅助元件在工作条件下不发生溶解、变性和老化等失效是机械密封可靠工作的必要条件。但是在高温、低温、高压以及介质润滑性差等多种恶劣工况条件下,仅仅依靠机械密封自身的形式和材料,是难以满足使用要求的。通常借助机械密封辅助系统,以不同的冲洗的方式达到冷却、润滑和过滤等目的,为机械密封可靠工作创造良好的环境条件。4.1.3常用密封副材料性能1填料密封材料（a）填料密封对材料要求1）有一定的塑性，以保证填料能均匀接触起填缝作用；2）有一定的弹性，当受轴向压紧时能产生较大的径向压紧力，以获得密封；当机器和轴有振动或轴有跳动及偏心时，能有一定的补偿能力；3）有一定的强度，不至于在未磨损前先损坏，为此，可采用组合材料；4）有足够的化学稳定性、不易分解、不污染、不溶胀、不软化，与轴接触不产生电化作用；5）不渗透性，要求材料组织致密，为此填料往往需要浸渍，填充各种润滑剂和填充剂；6）自润滑性好，摩擦因数小且耐磨；7）耐温性，当摩擦发热后能承受一定的高温，且要求材料导热性好，易散热；8）制造简单，装拆方便填料的种类很多，最常用的有以下四类：绞合填料；编织填料；塑性填料；金属填料。（1）绞合填料是把几股石棉线绞合在一起，用各种金属箔卷成束再绞合成填料，涂以石墨，可用于6高温和高压，编织填料以棉、麻以及石棉纤维纺线编织而成，并在其中浸入润滑剂或聚四氟乙烯。由于编织方式不同，可分为：发辫式编织，穿心编织，夹心套层编织。发辫编织：用八个锭子，沿两个轨道运行，在四角和中间没有芯绒，产品断面呈方形。特点是松散，对轴振动和偏心有一定补偿能力，一般只有小断面填料，大断面填料会出现外表花纹粗糙、结构松弛、致密性差等缺点。夹心套层编织：以橡胶或金属为芯子，纤维在外，一层一层编织，层数按需要而定，断面呈圆形。特点是致密性较好，强度高，弯曲性好，但表面磨损后容易脱层，一般用于回转密封，极少用于往复密封穿心编织：用36股线，每股都呈对角线穿过填料断面。(2)塑性填料塑性填料式经模具压制成型的填料，它不像编织填料成卷，而是根据轴径大小制成环状。它有棉状和积层两种形式。(3)金属填料金属填料有半金属填料和全金属填料两种，半金属填料由金属和非金属组合而成，全金属填料则不含非金属。(4)碳纤维填料碳纤维填料是一种新型填料。其优异的自润滑性能、耐高、低温性能和耐化学品性能引起人们的极大的注意，而且作为压缩填料的弹性和柔软性也极为良好，其缺点仅在于有渗透泄露，但侵渍聚四氟乙烯或其他粘接剂之后可以防止。目前其成本较高，但随着碳纤维的发展，其成本定会下降，因此，碳纤维填料是一种最为理想和最有希望的填料。（b）填料的合理装填应按下列步骤进行：1）清理填料腔，检查轴表面是否有划伤、毛刺等现象。2）用百分表检查轴在密封部位的径向跳动量，其公差应在允许范围内。3）填料腔内和轴表面应涂密封剂或与介质想适应的密封剂。4）对成卷包装的填料，使用时应先取一根与轴径同尺寸的木棒，将填料缠绕在其上，再用刀切断，切口最好呈450斜面，对切断后的每一节填料，不应让它松散，更不应将它拉直，而应取与填料同宽度的纸带把每节填料呈圆圈形包扎好，置于洁净处。5）装填时应一圈一圈装填，不得同时装填几圈。6）取一只与填料强同尺寸的木质两半轴套，合于轴上，将填料推入腔的深部，并用压盖对木轴套施加一定的压力，使填料得到预压缩。7）最后一圈填料装填完毕后，应用压盖压紧，但压紧力不宜过大。72机械密封摩擦副材料机械密封摩擦副摩擦材料应具备下列条件：1）机械强度高，能耐压和耐压力变形；2）具有耐干磨性，耐高载荷性，自润滑性好；3）配对材料的磨合性好，无过大的磨损和对偶腐蚀；耐磨性好，寿命长；4）导热性和散热性好，耐高温性好，抗热裂性好，耐腐蚀性强；5）线膨胀系数小，能耐热变形和尺寸稳定性好；6）切削加工性好，成型性能好；常用摩擦副材料主要有以下几类（1）石墨浸渍材料：具有良好的自润滑和导热性，，摩擦系数低。热膨胀系数小。良好的耐腐蚀性，除强氧化性酸，如浓硫酸，硝酸外，耐各种浓度的酸，碱盐及有机化合物的腐蚀，具有良好的热稳定