机械密封的分类及维护

机械密封的分类及维护机械密封又称端面密封（Mechanical End Face Seal），是旋转轴用动密封。

机械密封性能可靠，泄漏量小，使用寿命大，功耗低，不需经常维修，且能适应于生产过程自动化和高温、低温、高压、真空、高速以及各种强腐蚀性介质等苛刻工况的密封要求。

1机械密封的工作原理机械密封是靠一对或几对垂直于轴作相对滑动的端面在流体压力和补偿机构的弹力（或磁力）作用下保持接合并配以辅助密封而达到的阻漏的轴封装置。

常用的机械密封结构如图1-1所示。

它主要由静止环1、旋转环2、弹性元件3、弹簧座4、紧定螺钉5、辅助密封圈6等组成。

防转销7固定在压盖9上以防止静止环1转动。

旋转环和静止环往往还可以根据它们是否具有轴向补偿能力而称为补偿环或非补偿环。

机械密封中流体可能泄漏的途径有4种，如图1-1中 A、B、C、D四个通道。

其中C、D泄漏通道上分别有静止环与压盖、压盖与壳体之间的密封，二者均属静密封。

B通道上有旋转环与轴之间的密封，当端面磨损时，它仅能追随补偿环沿轴向作微量的移动，实际上它在轴与旋转环间起着静密封作用。

因此，这些泄漏通道相对来说比较容易封堵。

静密封元件最常用的有橡胶O形圈或聚四氟乙烯V形圈，而作为补偿环的旋转环或静止环辅助密封，有时采用兼备弹性元件功能的橡胶，聚四氟乙烯材料及金属波纹管的结构。

A通道则是旋转环与静止环的端面彼此结合构成相对滑动的动密封。

它是机械密封装置中的主密封，也是决定机械密封性能和寿命的关键。

因此，对密封端面的加工要求很高（平面度为0.0009mm，表面粗糙度Ra≤0.1μm，软环Ra≤0.2μm）。

为了使密封端面间保持必要的润滑油膜，必须严格控制端面上的单位面积压紧力，端面上单位压力过大，不易形成稳定的润滑液膜，会加速端面的磨损。

端面上单位压力过小，泄漏量增加。

所以，要获得良好的密封性能又有较长的寿命，在设计和安装机械密封时，一定要保证端面单位压力值在最适当的范围内。

2 与软填料密封相比较机械密封的特点2.1 优点•1）密封可靠，在长期运转中密封状态很稳定，泄漏量很小，其泄漏约为软填料密封的1％；•2）使用寿命长，在油、水介质中一般可达1～2年或更长，在化工介质中一般能工作半年以上；•3）摩擦功率消耗小，其摩擦功率仅为软填料密封的10％～50%；•4）轴或轴套基本上不磨损；•5）维修周期长，端面磨损后可自动补偿，一般情况下不需经常性维修；•6）抗振性好，对旋转轴的振动、偏摆以及轴对密封的偏斜不敏感；•7）适用范围广，机械密封能用于高温、低温、高压、真空、不同旋转频率，以及各种腐蚀介质的场合。

2.2缺点：•1）结构较复杂，对加工制造要求高；•2）安装与更换比较麻烦，要求工人有一定的技术水平；•3）发生偶然性事故时，处理较困难；•4）价高。

3 机械密封的类型机械密封可按工作参数和结构型式分类。

3.1 按工作参数分类机械密封按不同工作参数分类，见表1-1。

按密封腔温度分t＞150℃高温机械密封按密封端面速度分v＞100m/s超高速机械密封80＜t≤150℃中温机械密封25≤v≤100m/s高速机械密封-20≤t≤80℃普温机械密封v＜25m/s一般速度机械密封t＜-20℃低温机械密封按密封腔压力分p＞15MPa超高压机械密封按轴径尺寸分d＞120mm大轴径机械密封3＜p≤15MPa 高压机械密封25≤d≤120mm一般轴径机械密封1＜p≤3MPa中压机械密封d＜25mm小轴径机械密封常压≤p≤1MPa低压机械密封负压真空机械密封表1-13.2按结构型式分类机械密封按结构型式分类，其基本类型有：1）平衡式和非平衡式机械密封能使介质作用在密封端面上的压力卸载的为平衡式机械密封；不能卸载的为非平衡式机械密封。

按卸载程度不同，平衡式机械密封又可分为部分平衡式（部分卸载）和过平衡式（全部卸载）。

平衡式机械密封端面上所受的力随介质压力的升高变化较小，因此适用于高压密封，非平衡式机械密封端面所受的力随介质压力的变化较大，因此只适用于低压机械密封。

图1-2a为平衡式机械密封，图1-2b为非平衡式机械密封。

平衡式机械密封能降低端面上的摩擦和磨损，减小摩擦，承载能力大。

但其结构较复杂，一般需在轴或轴套上加工出台阶，成本较高。

非平衡式结构简单，在介质压力小于0.7MPa时，使用广泛。

2）内置式和外置式机械密封弹簧和动环安装在密封箱内与介质接触的为内置式机械密封（图1-3a）；弹簧和动环安装在密封箱外不与介质接触的为外置式机械密封（图1-3b）。

内置式密封可以利用密封箱内介质压力来密封，密封的元件均处于流体介质中，密封端面的受力状态以及冷却和润滑情况良好，是常用的结构型式。

外置式密封的大多数零件不与介质接触，暴露在设备外，便于观察，安装及维修。

但是，由于外置式结构的介质压力与弹性元件的弹性元件方向相反，当介质压力有波动，而弹簧补偿量又不大时，会导致密封不稳定甚至严重泄漏。

外置式机械密封仅用于强腐蚀、高粘度和易结晶介质以及介质压力较低的场合。

3）内流式和外流式机械密封介质泄漏方向与离心力方向相反的为内流式机械密封；介质泄漏方向与离心方向一致的为外流式机械密封（图1-4）。

由于内流式机械密封中离心力阻止泄漏流体，其泄漏量较外流式的小，密封可靠，适用于高压处。

当转速极高时，为加强端面润滑采用外流式机械密封较合适，但介质压力不宜过高，一般为1～2MPa.4）静止式和旋转式机械密封弹簧若不随轴一起旋转的为静止式机械密封（图1-5）；弹簧随轴一起旋转的为旋转式机械密封。

由于静止式机械密封的弹簧不受离心力影响，常用于高速机械密封中。

旋转式机械密封的弹性元件装置简单，径向尺寸小，是常用的结构，但不宜用于高速。

因为高速情况下的不平衡质量易引起振动和介质被强烈搅动。

因此，线速度大于30m/s时，宜采用静止式机械密封。

5）单弹簧式和多弹簧式机械密封补偿机械中只有一个弹簧的称为单弹簧式机械密封或大弹簧式机械密封（图1-6a）,补偿机构中含有多个弹簧的称为多弹簧机械密封或小弹簧机械密封（图1-6b）。

单弹簧式机械密封端面上的弹簧压力，尤其在轴径较大时分布不均。

多弹簧式机械密封的弹簧压力分布则相对比较均匀。

因此单弹簧式机械密封常用于较小轴径（d≤80～150mm）。

而多弹簧式的弹簧直径小，当有腐蚀或结晶颗粒聚集而引起弹簧失效时，宁可采用单弹簧式机械密封。

6）单端面和双端面机械密封由一对密封端面组成的为单端面机械密封；由二对密封端面组成的为双端面机械密封。

当两对端面沿轴向布置时为轴向双端面机械密封（图1-7）；当两对端面沿径向布置时为径向双端面机械密封（图1-8）。

单端面机械密封结构简单，制造和安装容易，一般用于介质本身润滑性好和允许有微量泄漏的情况，是最常用的机械密封型式。

但当介质有毒、易燃、易爆以及对泄漏量有严格要求时，不宜使用。

双端面机械密封适用于介质本身润滑性差、有毒、易燃、易爆、易挥发、含磨粒及气体等。

径向端面机械密封结构较轴向双端面机械密封紧凑。

轴向双端面机械密封有面对面或背靠背布置的结构。

这种密封工作时如在两对端面间引入高于介质压力0.05～0.15MPa的封液，以改善端面间的润滑及冷却条件，并把介质与外界隔离，有可能实现介质“零泄漏”。

7）单级和双级机械密封使密封介质处于一种压力状态为单级机械密封；处于二种压力状态为双级机械密封（图1-9）。

前者与单端面机械密封相同，后者二级密封串联布置，介质压力依次递减，可用于高压工况。

如介质压力很高，可以将多级密封串联，成为多级机械密封。

8）波纹管型机械密封波纹管型机械密封按所用波纹管材料不同，有金属波纹管机械密封，聚四氟乙烯波纹管机械密封和橡胶波纹管机械密封。

波纹管型密封在轴上没有相对滑动，对轴无磨损，随动性好，适用范围广。

图1-10为波纹管型机械密封。

金属波纹管本身能代替弹性元件，耐蚀性好，可在高、低温下使用。

聚四氟乙烯波纹管机械密封由于聚四氟乙烯耐腐蚀性好，可用于各种腐蚀介质中。

橡胶波纹管机械密封因橡胶价格便宜，使用广泛，使用温度受不同胶料性能的限制。

4 机械密封的维护4.1 机械密封失效泄漏的原因分析1）不管哪种类型的机械密封，最突出的特点即密封面为垂直于旋转轴线的端面，也就是将极易泄漏的轴向密封改为不易泄漏的端面密封。

所以，机械密封失效的主要形式是静、动环之间的磨损失效。

动、静环端面摩擦副通常靠弹簧推力来压紧，阻止泄漏。

动、静环压得越紧越不易泄漏，但其间的摩擦力也随之增大，动、静环接触端面在较大摩擦力的作用下会很快磨损，最后失效泄漏。

2）工艺条件不稳定和安装不良造成的震动、离心泵抽空气化、瞬间断流都会导致机械密封对偶环之间的液膜破坏，使机械密封在无润滑条件下“干态”运行，密封环温度迅速上升，有的直接烧毁，有的则因为泵恢复正常工作状态时被急剧冷却，形成热冲击而碎裂。

冲洗流体和冲洗条件不良也会形成热冲击，导致密封环出现径向裂纹，加剧对偶环的磨损失效。

如当石墨环超过使用温度，其表面会析出晶体，在温度较高的摩擦表面附近发生炭化，其微粒进入摩擦界面时使对偶件急剧磨损而失效。

3）机械密封的密封圈失效也是密封泄漏的主要原因。

动环密封圈装配歪斜或静环装配歪斜；与密封圈相配合的轴或轴套表面光洁度不够，或配合尺寸磨小；密封圈和密封介质发生物理或化学反应，腐蚀变形、老化等均可导致泄漏。

4）在装配机械密封前清洗不彻底，碰划伤元件；装配不到位；弹簧装偏、紧固螺钉没固紧；拆卸时损坏等，都是机械密封提前失效的原因。

5）机械密封用于不同密封介质时，各元件要选择好最佳的材料搭配才能延长其使用寿命。

4.2解决措施根据上述分析，延长机械密封使用寿命应采取以下措施和维修方法。

1）机械密封装配时要正确调节弹簧压缩量，以延长机械密封的使用寿命。

2）严格工艺操作和工艺指标的控制，在流量调节和开停车时，避免发生振动、泵抽空以及冲洗流体断流等现象。

过滤密封介质中的杂质，合理采用自身平衡冲洗方式或外部强制循环冲洗方式，改善冲洗冷却条件，或者调大冲洗系统的限流板孔径，增加冲洗液量，保证冲洗液的供给平衡和充足，使机械密封的润滑和散热状况得到改善，防止机械密封因过热出现烧毁、析出结晶等现象，延长机械密封的使用寿命。

3）装配机械密封动环“O”形圈时，在轴或轴套上涂抹少量润滑剂，使密封圈便于装配，防止“O”形密封圈斜卷。

静环装配要与旋转轴线垂直。

轴或轴套粗糙度要到6.3以下，外径配合尺寸小于最小极限尺寸的要更换。

4）精心细致的装配过程也非常重要。

机械密封装配前要认真清洗各个元件，用洁净细软的棉纱或布擦拭密封元件，在擦拭动、静环端面时，尤其不可有划伤。

检查所有元件是否有损坏；严格检查动、静环摩擦端面，不许有任何细微的磕碰划伤。

装配时，运、静环端面要涂一层清洁的机油。