机械密封基础知识简介

机械密封基础知识简介

机械密封几乎触及工业化社会的方方面面。无论旋转轴在哪里移动流体，机械密封在密封流程液体、防止污染物进入或两者兼而有之方面都起着关键作用。

机械密封设计中的一些基本组件和原理，有助于在旋转轴和静止泵/混合器/密封室外壳的界面处实现工作密封。机械密封通常是端面密封或旋转面密封，但在某些设计中，它们可以是圆周密封，甚至是唇形密封的混合密封。无论哪种情况，以下组件对于所有机械密封都是通用的：

1）旋转主密封元件。固定到轴上/由轴驱动，并密封静止主密封元件

2）静止主密封元件。固定在泵、搅拌器或其它设备的静止外壳上，旋转轴穿过该外壳并密封旋转主密封元件

3）提供闭合力的元件（如弹簧、波纹管）。使接触的主密封元件在偏转（挠度）的情况下可以启动密封

4）静态和/或动态辅助密封。机械密封部件与设备轴和外壳之间的密封

1、旋转和静止主密封元件

更常见的端面或旋转面机械密封设计，将配合面作为主密封元件。陶瓷、碳化物、碳或这些材料的复合材料环，在轴向端面上以小于 1 微米的范围内被平坦地搭接。这些搭接面彼此相对、相互摩擦，一个随轴旋转，另一个与设备外壳固定（静止）。

密封的流体在平面之间迁移，并在此界面处形成稳定的液膜。在轴旋转过程中，如果没有润滑液膜，密封面材料会迅速发热、磨损和老化。

在唇形密封的机械密封中，密封流体薄膜还可以润滑密封界面。密封界面不是两个扁平的环，而是一种聚合物材料面对相对偏转的硬质材料。这种材料可以是硬化、涂层或电镀的金属、陶瓷或碳化物表面或衬套。其中一个元件随轴旋转，而另一个元件与设备（静止）外壳固定。

2、闭合力

泄漏是薄膜厚度的数学立方体的函数，因此为了最大限度地减少泄漏，密封界面处的间隙必须保持在最小值。闭合力用于在机械密封的整个工作范围内优化此设计参数。

初始闭合力可确保密封从启动时即可正常工作。在端面或旋转面机械密封设计中，初始闭合力由弹簧组件提供，弹簧组件可以是单个螺旋弹簧、多个螺旋弹簧、适应偏转的波纹管单元（弹性体或金属）或成型弹簧或板簧。初始闭合力也可以通过磁铁、压缩弹性体或在密封元件之间施加闭合力的任何其它方式产生。

在唇形机械密封中，初始闭合力通常来自唇形密封、适应偏转的聚合物或弹性较差的卡紧弹簧。

3、静态/动态辅助密封

密封元件必须固定在被密封设备的旋转轴和静止壳体上。O 形圈、垫圈和其它弹性体密封件可防止这些界面（接口）处的泄漏。

静态辅助密封可防止彼此不相对移动的零部件之间的泄漏，一个例子是轴套和轴之间的界面，两者都会旋转，但不会相对移动。另一方面，动态辅助密封可以防止相对移动的零部件之间的泄漏，一个例子是安装在弹簧上的密封面，在弹簧挠度允许的情况下，密封面可以自由移动，辅助密封将防止密封面和与其弹性安装的组件之间的泄漏。

唇形机械密封可能只需要静态辅助密封，因为唇形密封的挠度会适应设备的运动。所有有效的端面或旋转面机械密封都需要至少一个动态辅助密封。这是因为密封界面的配合面是刚性材料，无法适应任何设备轴/壳体的不对中、热膨胀和轴向间隙。动态辅助密封将适应密封面中的至少一个密封面与其安装的组件之间的相对运动。

提高密封寿命的因素包括密封设计和材料选择、流程和环境控制以及设备优化。

机械密封上许多元件通常显露于许多流程液体中。每种流体都有不同的润滑质量，但密封界面始终需要一层薄薄的润滑膜。太厚的薄膜会增加泄漏，并可能在表面之间出现颗粒，这会增加磨损。薄膜过薄会产生热量并导致材料老化。保持密封界面的凉爽和清洁将有助于延长密封寿命。

4、设计和材料选择

密封设计可以通过平衡密封界面上的闭合力来影响液膜厚度，使得密封界面不会随着流程压力的增加而过载。过高的闭合力将导致密封界面处的液膜过薄，从而产生有害的热量。

影响液膜厚度的另一种方法是在密封界面处设计表面特征，该表面特征促进旋转密封元件和静止密封元件之间的液体产生动力升力。这有助于在密封界面处形成有目的的分离，从而形成更厚的液体膜、提供冷却并减少表面磨损。

主要密封材料的选择也会影响密封寿命。化学或流程兼容性只是一个考虑因素。较硬的材料更能抵抗磨蚀性流程液体，但如果两个密封元件都是硬质材料，则在非磨蚀性应用中的磨损特性可能不太理想。

使用一个由较软材料制成的密封元件和/或一个包含润滑成分（如石墨）的密封元件，可以减少启动和偶然接触的摩擦。复合硬面的使用，可以通过在界面处提供系统流体的微观储层来减少摩擦。

材料的导热性会将热量从密封界面散发出去，从而延长密封寿命。材料韧性也可以在机械密封寿命中发挥主导作用。固有的材料表面纹理也可能在促进理想的液膜厚度方面发挥作用。

请注意，许多密封故障是由于辅助密封的失效导致的，这些辅助密封超过了化学兼容性、压力或温度限制。金属部件必须兼容以避免腐蚀，弹簧和其它硬件必须在使用中保持稳定。

5、流程和环境控制

流程和密封环境控制极大地有助于在密封界面处形成凉爽、清洁的润滑膜。如果流程液体是浆料混合物，则流程压力将驱动含有颗粒的流体进入密封界面，导致磨损和加速磨损。

环境控制，如限制衬套和清洁冲洗，可以将机械密封与苛刻的流程隔离开来，因此密封主要是密封更清洁、更凉爽的冲洗液。在其它情况下，泵送介质可能会结晶，磨损密封界面，并导致过早磨损。通过使用温度控制、急冷密封界面的大气侧或使用带有缓冲液或隔离液的双重密封，可以防止产品结晶。

除磨损外，还有许多流程考虑因素可能会阻止密封界面处形成冷却、清洁的润滑膜。例如，如果密封液的汽化点较低，可能会导致闪蒸。当密封流体在密封界面处从液体变为气体时，就会发生闪蒸，快速膨胀并迫使密封配合面分离，直到压力和温度得到释放，然后密封元件坍塌回到接触状态。在没有建立液膜的情况下，密封接触面的机械损坏会迅速导致密封失效。操作员必须

结合流程控制并确保选择适当的机械密封，以防止此类影响。还有许多其它流程工况需要特别注意，例如固化、有毒、必须保持厌氧、是食物或水供应的一部分或存在其它特定限制的流体。

密封环境控制经常被忽视，导致密封寿命出奇地短。许多这种类型的密封失效发生在冷水应用中。冷水是一种有效的密封液，用于在密封界面处形成稳定的润滑膜，但如果不进行适当的密封环境控制，可能会导致密封失效。

许多冷水应用出现密封过早失效，因为它们是立式的，密封安装在系统中空气被截留的高点。在没有适当地将空气排出密封室区域的情况下，机械密封密封的是空气，而不是冷水。这是一种干运转工况，会产生热量并迅速降解密封界面处的材料。

立式应用中使用的常见环境控制是从密封室到泵吸入口的再循环管线，但在某些情况下，在流体取代密封室中的空气之前，密封干运转时间过长。

6、设备优化

由不良轴承、泵汽蚀、叶轮负载过大和轴不对中引起的设备工况不佳，会导致机械密封过度运动、振动和机械冲击。这些工况会导致更大的应力、更多的热量和固体颗粒进入密封界面的更多机会。