机械密封技术[1]

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2020/11/18
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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
（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。
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（七）内装式和外装式机械密封（图1-3）
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（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）
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对于丁烷等(粘度小、易汽化介质)，压力分布成凸抛物线状1。
对于水等(中等粘度介质)，压力分布成直线性2。
对于润滑油等(高粘度介质)，压力分布成凹抛物线状3。
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在d2处，端面间液膜压力等于P介。在d1处，端面间液膜压力近似 为零。对于中间分布情况，人们通过大量试验发现，各点的压力分布 与介质性质有关，还与端面中的相态和摩擦状态有关。
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（六）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）
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（八）内流式和外流式机械密封 （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）
（九）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。
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轴 径 ≤16
≤35
≤55
≤70
≤100 ≤120
宽系列 2.5
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
中系列 2.0
2.5
3.0
4.0
5.0
5.0
窄系列 1.5
2.0
2.0
2.5
3.0
3.0
❖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）。
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（四）密封环的主要技术要求
（１）平面度0.0009，硬质Ｒａ≤0.2，软质Ｒａ≤0.4，表 面不应有裂纹、划伤、气孔、疏松等缺陷。
=0.3～0.4（高粘度）。
它是一个平均值，表示液膜压力占介质压力的比例，
并不表示压力的分布情况。该公式为端面比压的计算
提供了方便。
S：端面面积S=π（d22－d12）/4
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（四）易汽化介质中密封端面间的液膜压力分布 易汽化介质（如液态烃等）的机械密封一直是石化行
对于丁烷等(粘度小、易汽化介质)，压力分布成凸抛物线状1。
对于水等(中等粘度介质)，压力分布成直线性2。
对于润滑油等(高粘度介质)，压力分布成凹抛物线状3。
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（三）液膜反力的计算
Fm =λP介 S
（液膜比压Pm=λP介）
λ：膜压系数≈0.5（中粘度），=0.65～0.75（低粘度），
业中较难解决的问题，其原因是膜压系数不稳定，因其在 端面中的相态和摩擦状态不稳定。因此弄清端面间的压力 分布，对于正确计算液膜反力很有必要。
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大家都知道，对于轻烃类介质，端面缝隙中存在气液
两相。rb为汽化半径，此处液膜压力=P饱和（tp）， tp处温度最高。 r2～rb区域，液膜压力成线性分布，液相 rb～r1区域，液膜压力成抛物线分布，气相 对于易汽化介质膜压系数λ，中国石油大学顾永泉教授提 出一个计算公式：
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（十二）双端面机械密封（图1-4）
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。
（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：
（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。
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（十）平衡型和非平衡型机械密封 （1）平衡型：载荷系数K＜1.0 （用于高压场合） （2）非平衡型：载荷系数K≥1.0 （用于普通压力场合）
（十一）补偿机构形式
（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
三、机械密封的计算
（一）补偿环的受力状况 要进行端面比压计算，首先要分析补偿环的受力情况。 如图，补偿环受到的力有：
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（二）密封端面中液膜反力的分布情况
在d2处，端面间液膜压力等于P介。在d1处，端面间液膜压力近似为 零。对于中间分布情况，各点的压力分布与介质性质有关，还与端面中 的相态和摩擦状态有关。
轴或轴套───紧固螺钉5──弹簧座4──弹簧3─补偿环1 压盖──防转销8─非补偿环6
3、原理
通过一系列零件将径向密封转化为轴向密封，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，使轴 向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。
❖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。
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（十五）集装式机械密封（图1-6）
❖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。
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（七）载荷系数K 介质压力对补偿环的有效作用A面积与端面面积S之比：K=A/S
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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；
当K＜1时，机械密封为平衡型；
平衡系数β=100（1-K）%
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.
2、传动关系
短时间干摩擦，不损伤端面。 （5）易加工，材料成本低
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（二）摩擦副匹配要考虑的因素
（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。
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。
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（三）密封机理 1、4个密封点（亦称4个泄漏点，如图1-1）
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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。）