机械密封培训讲义.概要

2020/1/171机械密封培训讲师：陈哲2020/1/1722020/1/173目录一、机械密封原理二、机械密封的基本零件三、机械密封用材料四、机械密封冷却和冲洗方案五、机械密封的安装和使用六、机械密封故障分析七、番茄行业典型泵的密封2020/1/174（一）机械密封工作原理•机械密封是一种用来解决旋转轴与机体之间密封的装置，主要依靠弹性元件对动、静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实现密封的，又叫做端面机械密封或端面密封。•原理：机械密封依靠弹性元件提供弹力，克服补偿环辅助密封圈与轴之间的摩擦力，使补偿环紧密地贴合在非补偿环的端面，形成密封端面初始闭合力，当主机充满压力介质并开始工作时，可使密封端面产生闭合力，从而使密封端面达到合理的比压，实现流体的密封。2020/1/175二、机械密封原理（一）定义与组成（图1-1）组成:1.密封端面：动环、静环─摩擦副2.缓冲补偿机构：由弹性元件(圆柱弹簧、圆锥弹簧、波片弹簧、波纹管等)构成。—使贴合;3.辅助密封圈：包括动环密封圈、静环密封圈等，有各种形式：如O型圈、V型圈、楔形圈等4.传动机构：使动环随旋转2020/1/176（三）机封主要泄漏途径如图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—压盖与腔体间的密封圈，静密封点，密封圈与相配合件之间相对静止.2020/1/177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）机械密封辅助设施2020/1/178（五）机械密封基本概念1）密封环带：较窄密封端面内外径之间的环形区域；2）弹簧比压：弹性元件施加到密封环带单位面积上的力3）闭合力：由密封流体压力和弹性元件弹力作用于补偿环使之对于非补偿环趋于闭合的力；4）开启力：作用于补偿环使之对于非补偿环趋于开启的力（一般有液膜压力引起）；5）平衡直径:密封流体压力在补偿环辅助密封处的有效作用直径；6）流体膜：机械密封端面之间的薄膜；2020/1/179（五）机械密封基本概念7、端面比压：作用在密封环带上单位面积的闭合力；8、pv值：密封流体压力与密封端面平均滑动速度的乘积；9、干摩擦：在密封端面间无流体润滑膜的摩擦状态；10、边界摩擦：在密封端面间存在一层只有若干分子层厚的不连续极薄的流体膜的摩擦状态；11、流体摩擦：密封端面完全被流体膜所隔开的摩擦状态；12、闪蒸现象：在密封端面液膜突然迅速汽化的一种现象；2020/1/1710介质压力对补偿环的有效作用A面积与密封端面面积S之比：K=A/S13、载荷系数K：K=（d22－d02）/（d22－d12）d0为介质分界圆直径当K≥1时，机械密封为非平衡型；使用压力：小于0.7Mpa当K＜1时，机械密封为平衡型；使用压力：大于（0.6-09）Mpa当K＜0时，机械密封为过平衡型；极少使用；2020/1/1711机械密封端面比压、弹簧比压和载荷系数推荐值密封类型端面比压Mpa弹簧比压Mpa载荷系数K内流式非平衡式0.3-0.60.08-0.31.15-1.30平衡式0.3-0.60.08-0.30.55-0.85外流式非平衡式0.3-0.50.1-0.31.2-1.3平衡式0.3-0.50.1-0.30.65-0.8过平衡式0.2-0.4--------0.35—-0.152020/1/1712密封端面的摩擦热同时取决于压力和速度。密封端面的性质要考虑P、V的乘积，即PV值。PV值过大：液膜气化，密封失效，端面严重磨损。因此对一定摩擦系数的端面材料组对，对某种介质有一许用PV值。P：端面比压V=π（d1＋d2）n/120×10－3PV＜［PV］PV值各种组对在非平衡型机械密封中的许用［PV］值SiC/石墨SiC/SiCWC/石墨WC/WCWC/填充PTFEWC/青铜Al2O3/石墨Cr2O3喷涂/石墨Stellite/石墨18014.57~154.4523~7.5153~92020/1/1713（六）机械密封的优、缺点机械密封优点：1、密封性好，泄漏量一般在3-5ml/h以下；2、工作寿命长，清洁介质可达7000h以上；3、工作时不需经常调整，使用方便；4、轴功率的耗小，一般为填料的10%-50%；5、轴和轴套不磨损；6、对旋转轴的轻微摆动不敏感，耐振动性强；7、使用范围广，适用高温、低温、腐蚀等工况；机械密封缺点：结构复杂、加工要求高、需要一定的安装技术、价格较高等。2020/1/17141、按使用条件分类（1）高速密封（ZBJ22-001-88：线速度25～100m/s）和普通密封小于25m/s（2）高压（3Mpa-15Mpa)和低压密封小于1Mpa（3）高温（大于150℃）、中温（80℃-150度℃）常温（-20℃--80℃)和低温密封（小于-20℃）（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1）多弹簧、单弹簧密封2）旋转式、静止式密封3）外装式、内装式密封4）外流式、内流式密封（七）机械密封的种类℃2020/1/1715（八）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）2020/1/1716（九）内装式和外装式机械密封（图1-3）（1）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）（2）外装式：静环装在压盖外侧，静环端面背向工作腔。（用于低压、腐蚀性强的场合）2020/1/1717（一般和内装式、外装式一致）（1）内流式：泄漏方向朝向轴心。（一般密封都采用这种结构）（2）外流式：泄漏方向朝向离心力方向。（泄漏量大，只有在压力、温度都不高的腐蚀性介质中用）（十）内流式和外流式机械密封（十一）多弹簧和单弹簧机械密封（1）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。（2）单弹簧：（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。2020/1/1718两套密封面对面或背对背安装在一起。用于工作介质有毒、易燃、易爆、易挥发、易结晶、高温、低温，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、润滑、冷却，选洁净、润滑性好的封液介质。（十二）双端面机械密封（图1-4）2020/1/1719两套密封沿同一方向布置，密封腔压力逐级降低,用于高压场合。（十三）串联式机械密封（图1-5）2020/1/1720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.避免了补偿环密封圈因轴串、振动所产生的磨损。金属波纹管用于高温介质聚四氟乙烯波纹管用于腐蚀性介质。（十四）波纹管机械密封2020/1/1721将机械密封、轴套、压盖组合成一个整体。安装时只需固定压盖、轴套，取下定位挡块即可。安装方便，排除了安装不良的影响。（十五）集装式机械密封（图1-6）2020/1/1722二、机械密封的基本零件（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2020/1/1723（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（0·4~0·6）以利补偿静环和轴（轴套）间隙1~3mm以免摩擦（二）摩擦副匹配要考虑的因素2020/1/1724（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）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）密封端面宽度2020/1/1725宽系列用于组对性能好（如YG6/M106K、SiC/M106K）、工况条件好的场合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）。轴径≤16≤35≤55≤70≤100≤120宽系列2.53.04.05.06.07.0中系列2.02.53.04.05.05.0窄系列1.52.02.02.53.03.02020/1/1726（１）平面度0.0009mm，硬质Ｒａ≤0.2um，软质Ｒａ≤0.4um，表面不应有裂纹、划伤、气孔、疏松等缺陷。（２）密封环端面与安装辅助密封圈处的平行度、垂直度按ＧＢ１１８４－８０的７级精度要求。（３）安装辅助密封圈处粗糙度：Ｒａ≤3.2，径向尺寸公差Ｈ８或ｈ８。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2020/1/1727平面度0.0009，普通量具无法检测，通常利用光波的干涉效应来检测。（1）光波的干涉效应根据波动学原理，两波产生干涉的条件是：（a）两波在相遇点振向一致；（b）两波具有相同的频率；（c）两波在相遇点有固定的周相差。（两个同样的钠光灯不行，只有用同一光源发出的光设法分成两束，才满足相干条件）（五）摩擦副端面平面度检测2020/1/1728（ⅱ）相邻两条光带宽b=λ/2Sinθ，（θ为空气膜倾斜角）（ⅲ）当e=0时，δ=λ/2（半波损失），出现暗条纹；（1）合格光带举例2020/1/1729密封端面承载能力与表面粗糙度有很大关系，大约有如下关系：（六）密封端面的粗糙度要求粗糙度3.20.80.40.2承载面积（%）4124095端面比压增加（倍）247.31.50.05由此可以看出，密封端面粗糙度应在0.2以上，否则，端面比压比理论值高的多，结果是高点接触，局部压力很高；由于摩擦副的硬度、刚度的差异，局部高点发热甚至产生裂纹。石墨环表面磨出细微的环状沟纹。泵的振动和动、静环的不同心会加剧这种磨损。被磨掉的颗粒存在于端面中，形成磨粒磨损，磨损加剧，有时在泄漏的介质中可以看到石墨黑浆。2020/1/1730非补偿动环（只旋转，不能补偿，其后无弹性元件。)补偿动环（既旋转，又作轴向补偿，其后有弹性元件。)（ⅰ）辅助密封圈受轴向力，轴向、径向都起密封作用，这种密封方式较为可靠。（ⅱ）辅助密封圈只受径向力，易产生老化、冷流变形，从而导致密封失效。（ⅲ）波纹管：无作轴向补偿的辅助密封圈，因此，浮动性好，密封圈不易失效。（七）动环（旋转环）2020/1/1731非补偿静环（不旋转不补偿）：主要有三种安装方式：浮装式、托装式、夹固式。补偿静环（不旋转只补偿）：其辅助密封圈情况和补偿动环基本一致。（八）静环(不旋转)2020/1/1732整体式（用同一种材料制造）、组合式（如镶嵌）、表面堆焊、表面喷涂（九）密封环的种类2020/1/1733（十）整体式密封环各个部位性能均匀一致，最常用的有：石墨、SiC、钴基硬质合金、镍基硬质合金、NiCr基硬质合金、陶瓷等。2020/1/