机械密封基础知识讲课

2020/1/191机械密封基础知识讲课刘星2020/1/192序言机械密封广泛用于石油、化工、冶金、煤炭、食品、医疗、电力、纺织、环保等诸多领域。机械密封具有性能好、使用寿命长、运转可靠等特点，是现代企业流体输送机械应用最广、最有前途的密封形式，对于减少环境污染、节约能源具有重大意义。2020/1/193一、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、机械密封辅助系统五、机械密封性能的影响因素六、机械密封安装和故障分析2020/1/194一、机械密封原理（一）定义（图1-1）2020/1/195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。2020/1/1961、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。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（二）组成2020/1/1971、4个密封点（亦称4个泄漏点，如图1-1）泄漏点1─端面相对旋转的密封点（动密封点,两个摩擦副之间有相对转动）泄漏点2─动环与轴或轴套之间的密封点（静密封点，密封圈与轴或轴套之间有微动）泄漏点3─静环与压盖端面之间的密封点（静密封点，密封圈与相配合件之间相对静止）泄漏点4─压盖与泵壳或其它设备之间的密封点（静密封点，密封圈与相配合件之间相对静止）（三）密封机理2020/1/1982、原理通过一系列零件将轴向密封转化为径向密封，在弹簧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，使垂直于旋转轴线的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。2020/1/199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2020/1/19101、按使用条件分类（1）高速密封和普通密封（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1)旋转式、静止式密封2)内装式、外装式密封3)内流式、外流式密封4)单弹簧、多弹簧密封（五）机械密封的种类2020/1/1911按补偿机构是否随轴旋转分为：（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，而且消耗搅拌功率，所以不能用于高速）（2）静止式：补偿机构（弹性元件）不随轴旋转。（用于高速）（六）旋转式和静止式机械密封（图1-2）2020/1/1912（七）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）2020/1/19142020/1/1915（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）（八）内流式和外流式机械密封2020/1/1916（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。（九）多弹簧和单弹簧机械密封2020/1/1917（1）平衡型：密封流体作用在密封端面上的压力部分卸荷或全部卸荷载荷系数K＜1.0（用于高压场合）（2）非平衡型：密封流体作用在密封端面的压力不卸荷载荷系数K≥1.0（用于普通压力场合）（十）平衡型和非平衡型机械密封2020/1/1918（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（十一）补偿机构形式2020/1/1919两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，在密封腔中引入密封液：堵封、润滑、冷却，选洁净、润滑性好的密封液介质。（十二）双端面机械密封（图1-4）2020/1/19201-弹簧盒组件；2-轴套；3-动环Ⅰ；4-泵端盖；5-静环Ⅰ；6-静环座；7-压盖；8-传动环；9-转动圈；10-泵轴；11-静环Ⅱ；12-动环Ⅱ；13-弹簧；14-泵送环；15-O形圈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）串联密封由机械密封本身和机械密封系统两端部分组成。对于机械密封本身，我们用的是两级密封集装在一起的串联密封。其中一级密封（介质侧）是内密封，二级密封（大气侧）是外密封，起安全环保作用。当一级密封发生泄漏后，由于二级密封的作用，从一级密封泄漏的介质仍然不能泄漏到大气中去，二级密封保护了周围环境不受密封泄漏液的影响，增加了装置和人身安全。从一级密封泄漏的介质，通过密封系统贮油罐上的管道放入气柜回收或放入火炬燃烧，不对现场排放。2020/1/1922（十四）集装式机械密封（图1-6）集装式机械密封是把动环、静环、弹簧、辅助密封圈、轴套、压盖、静密封垫圈等7个主要零件组合成一起的一个集合体，也可称集装式机封．有时也称卡式密封。集装式机械密封一般都是平衡型机封，其结构特点是全部零件组合为一体，弹簧不与物料接触，平衡型、内流、定位块可以调节弹簧压缩量。考虑到当动／静环磨损时可以更容易补偿，设计有动环密封圈。集装式机械密封因已组装成一个集合体．因此在机体上安装更加方便。安装时只需固定压盖、轴套，取下定位挡块即可。（一般挡块厚度为弹簧压缩量，从外部易于观测）安装方便，快捷，密封可靠，排除了安装不良的影响。深受国内外用户的欢迎，是国内今后机械密封发展的方向。1、3、12-O型密封圈2一轴套4一动环座5弹簧6一密封垫7一压盖8、17一定位螺钉9一定位块1O一动环11一静环13一防转销14一同定环l5一传动销16、17一紧定螺钉（十五）波纹管机械密封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，而且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。波纹管机械密封的优点：波纹管机械密封原理与弹簧式机械密封原理基本相同。所不同的是，波纹管机械密封比弹簧式机械密封有更突出的优点，表现为：①结构简单，安装方便，适应性强，静止环具有浮动性；②可以更好的防止抽空；③旋转环易于更换、修复；④结构紧凑，抗震力强，承受作用力均匀，稳定性好；⑤旋转环、静止环法兰连接、动泄漏点少。2020/1/1927二、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。2020/1/1928（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2020/1/1929（1）一般选择一软一硬的材料配对，软环作窄环，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（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2020/1/1930（１）密封端面平面度偏差不大于0.9um，金属材料密封端面粗糙度Ｒａ≤0.2um，非金属材料端面粗糙度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≤3.2um，径向尺寸公差Ｈ８或ｈ８。（4）弹簧内径、外径、自由高度、工作压力、弹簧中心线与端面垂直度等公差值，均按国家有关弹簧的一级精度标准要求。对于多弹簧式机械密封，同一套机封各弹簧之间的自由高度差不大于0.5mm。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。（三）密封环的主要技术要求2020/1/1931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。)（1）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。（2）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。（四）动环（旋转环）2020/1/1932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。（五）静环(不旋转)2020/1/1933整体式（用同一种材料制造）、组合式（如镶嵌）1）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、陶瓷等。2）组合式整体环价格高，加工困难，因此出现组合式密封环。组合式包括：（1）热装式它是靠硬质合金环和环座之间的过盈配合来传递扭矩并实现密封，是目前应用最多的一种密封环。（2）带密封圈式（无组合应力、无应力变形；开槽、打孔麻烦，多一泄漏点）（六）密封环的种类2020/1/1934优点：结构简单，性能优异，价格较低，运用较多。缺点：（ⅰ）因过盈接触不均匀，而产生机械变形。（ⅱ）两种材料线膨胀系数不一致，当温度变化时，过盈量变化，会产生应力变形。a热装式密封环的优缺点2020/1/1935（1）材料要求：（a）在工作温度下耐介质腐蚀（b）足够的弹性（c）有一定强度(柔性石墨因强度差，使用场合受到限制)（d）耐磨（e）易加工、价格低（2）种类按材料分：合成橡胶、聚四氟乙烯、柔性石墨等；按截面形状分：矩形、V形、楔形、包四氟形等；（七）辅助密封圈2020/1/1936把轴或轴套的运动方式(旋转)传递给动环，一般是通过键、紧定螺钉、传动螺钉、销、R槽、拨叉、弹簧、波纹管等的组合来传递运动。传递类型：（1）紧定螺钉（顶丝）传动：在轴表面划凹坑，否则易打滑失效，特别当直径较大和温度较高时。（2）键＋台阶传动（3）拨叉传动（一边开槽一边伸爪）（4）并圈弹簧传动（弹簧旋向必须和轴旋向一致）（八）传动机构的作用2020/1/1937（5）销钉传动（6）凸耳传动（7）勾圈弹簧传动（8）波纹管传动（9）螺帽固定2020/1/1938（1）浮装式（可以在轴向、径向设计防转销）（2）托装式(一般小扭矩可不用销，要注意端面垂直度)（3）夹固式(浮动性差，注意端面垂直度)（4）防抽空(前加卡环)（九）静环防转方式2020/1/1939螺旋压缩弹簧锥形弹簧：轴向尺寸较小碟形弹簧：轴向尺寸小波片弹簧：轴向尺寸小并圈弹簧、带勾弹簧：双功能(弹力、传动)波纹管：三功能(弹力、传动、密封)（十）机械密封的弹性元件2020/1/1940橡胶波纹管：用于中性介质：水、油，压力、温度都不高的场合；聚四氟乙烯波纹管：用于腐蚀性介质，酸、碱；金属波纹管：用于高温、高速(追随性好)。(十一)波纹管