机械密封基本知识

一.机械密封基本知识：
1.机械密封的基本概念：
机械密封是指由至少一对垂直于旋转轴线的端面在流体压力和补偿机构弹力（或磁力）的作用下以及辅助密封的配合下保持贴合并相对滑动而构成的防止流体泄漏的装置。

补偿环的辅助密封为金属波纹管的称为波纹管机械密封。

2.机械密封的组成：
主要有以下四类部件。

a.主要密封件：动环和静环。

b.辅助密封件：密封圈。

c.压紧件：弹簧、推环。

d.传动件：弹箕座及键或固定螺钉
二. 机封工作应注意问题：
1.安装时注意事项
a.要十分注意避免安装中所产生的安装偏差，（1）上紧压盖应在联轴器找正后进行，螺
栓应均匀上支，防止压盖端面偏斜，用塞尺检查各点，其误差不大于0.05毫米。

（2）检查压盖与轴或轴套外径的配合间隙（即同心度），四周要均匀，用塞尺检查各点允差不大于0.01毫米。

b.弹簧压缩量要按规定进行，不允许有过大或过小现象，要求误差2.00毫米。

过大会
增加端面比压，另速端面磨损。

过小会造成比压不足而不能起到密封作用。

c.动环安装后髯保证能在轴上灵活移动，将动环压向弹簧后应能自动弹回来。

2.拆卸时注意事项
a.在拆卸机械密封时要仔细，严禁动用手锤和扁铲，以免损坏密封元件。

可做一对钢丝
勾子，在对自负盈亏方向伸入传动座缺口处，将密封装置拉出。

如果结垢拆卸不下时，应清洗干净后再进行拆卸。

b.如果在泵两端都用机械密封时，在装配，拆卸过程中互相照顾，防止顾此失彼。

c.对运行过的机械密封，凡有压盖松动使密封发生移动的情况，则动静环零件必须更换，
不应重新上紧继续使用。

因为在之样楹动后，摩擦副原来运转轨迹会发生变动，接触面的密封性就很容易遭到破坏。

三. 机封正常运行和维护问题：
1. 启动前的准备工作及注意事项
a.全面检查机械密封，以及附属装置和管线安装是否齐全，是否符合技术要求。

b.机械密封启动前进行静压试验，检查机械密封是否有泄漏现象。

若泄漏较多，应查清
原因设法消除。

如仍无效，则应拆卸检查并重新安装。

一般静压试验压力用2~3公斤/平方厘米。

c.按泵旋向盘车，检查是否轻快均匀。

如盘车吃力或不动时，则应检查装配尺寸是否错
误，安装是否合理。

2.安装与停运
a.启动前应保持密封腔内充满液体。

对于输送凝固的介质时，应用蒸气将密封腔加热使
介质熔化。

启动前必须盘车，以防止突然启动而造成软环碎裂。

b.对于利用泵外封油系统的机械密封，应先启动封油系统。

停车后最后停止封油系统。

c.热油泵停运后不能马上停止封油腔及端面密封的冷却水，应待端面密封处油温降到80
度以下时，才可以停止冷却水，以免损坏密封零件。

3.运转
a.泵启动后若有轻微泄漏现象，应观察一段时间。

如连续运行4小时，泄漏量仍不减小，
则应停泵检查。

b.泵的操作压力应平稳，压力波动不大于1公斤/平方厘米。

c.泵在运转中，应避免发生抽空现象，以免造成密封面干摩擦及密封破坏。

d.密封情况要经常检查。

运转中，当其泄漏超过标准时，重质油不大于5滴/分，轻质油
不大于10/分，如2-3日内仍无好转趋势，则应停泵栓查密封装置。

聚丙烯装置A301机械密封的改造
中原石化有限责任公司陈永忠
密封装置是机器和设备的重要组成部分，密封的性能对机器的工作效率和可靠性有很大影响。

中原乙烯聚丙烯装置是引进MONTAIL环管法生产技术，A301是位于丙烯闪蒸罐顶部的动力分离器，其作用是脱除闪蒸后丙烯气中夹带的聚丙烯粉末，它是聚丙烯工艺流程中的关键设备之一，该设备一旦出现故障，将造成整个装置停车。

中原A301是意大利ZUCCHETTI公司出产的，1996年投入使用，前6个月运行一直不好，经常因为机封泄漏而停车检修，严重威胁着装置的平稳运行。

我们通过对该设备进行进行系统地分析和核算，找出了故障的主要原因，使问题得到解决，现介绍如下。

1密封系统简介
A301密封采用双端面机械密封，用白油作为封液。

机械密封型号为909B(平衡型双端面机封，辅助密封圈是四氟楔型圈)。

操作参数和密封系统如图1。

图1A301密封系统示意图
有关操作参数：
A301转速1480r／min
闪蒸罐操作压力1.8MPa(G)，操作温度80℃
机封密封腔压力2.1MPa(G)，要求温度30℃
密封液冷却水进水压力0.45MPa(G),温度32℃
冷却水流量0.5m3／h
2存在的问题及原因分析
在1996年的前后9次检修中，检查发现机封大气端动环磨损严重，因此造成机封失效的主要原因是大气端动环磨损太快，平均寿命为8天。

期间虽检查了轴的直线度，更换了轴承，并多次调整机封轴套的装置，改变上下机封的压缩量，调整密封系统，仍未能使问题得到解决，严重影响了装置长周期运行。

造成机封端面很快磨损的原因很多，主要有：①密封端面间侵入外来杂质；②密封端面润滑不良；③机封动静环端面间做轴向开闭运动；④动环制造质量不好；⑤密封液量不够或者冷却效果不好，造成密封件温度过高；⑥大气端机封弹簧压缩量过大；⑦端面比压过大。

我们根据多次开车和使用的情况，结合机封的设计、安装等各方面进行分析认为前四种原因的可能性比较小，因此对后三种原因进行分析。

(1)密封液循环量不够或者冷却效果不好，造成密封温度过高。

工艺设计要求的冷却水进水压力0.45MPa(G)，而实际上，由于A301安装高度为32m，其密封液冷却的进水压力只有
约0.15MPa(G)，说明实际的冷却水循环量不可能达到设计的0.5m3／h，就可能引起密封液温度过高，密封端面的摩擦热散热差，导致端面磨损过快。

针对这一情况，这们检查了密封液的循环温度：密封液进口温度45℃，出口温度49℃，密封腔壁温度72℃(闪蒸罐操作温度80℃，导热所致)。

实际测量的温度对所选用的密封环材料来说并不算高(动环为石墨，静环为碳化硅)，密封件温度过高的因素可以排除。

(2)大气端机封弹簧压缩过大。

从A301的结构上看，机封轴套应该位于密封腔的正中部位，但可以通过少量调整机封轴套与密封腔的相对位置来改变大气端机封和介质端机封的弹簧压缩量。

为此在检修中我们试着多次检查调整轴套位置，使大气弹簧压缩量不同程度的减少，但大气端机封仍然磨损较快，最长运行时间为12天，并且调整后介质端机封较大磨损。

因此这个原因也不是根本原因。

(3)端面比压过大。

根据接触式端面密封的磨损理论，在机封设计合理的情况下，端面的磨损量与端面比压或成正比关系，如果端面比压过大，冷却效果又不好，还会导致密封间的摩擦热散不掉，进而导致密封面间液膜间歇汽化，增加密封面上的热应力，使端面磨损加剧。

测量原机封的相关结构尺寸如下(两端相同)：
动环端面外径D2＝82．5mm
动环端面内径D1＝70mm
平衡直径D0＝73mm
弹簧个数1
有效圈数12.5
弹簧尺寸D=6.5mm
d=0.9mm
已知密封腔压力P腔=2.1MPa(G)
弹簧安装后的总压缩量x＝16.7mm
弹簧材质为碳钢，取弹性模量G=75000N/m2
密封液为油，根据设计手册推荐值取液膜反压系数λ=0.33～0.5
下面进行端面比压的计算。

动环端面面积S=15cm2
弹簧刚度k1＝Gd4／8nD3＝0．182kgf/mm
单个弹簧工作负荷F弹＝K1x＝3kgf
总的弹簧力F总＝F弹×12＝36kgf
弹簧比压P弹＝F总/S＝2．4kgf/cm2
载荷系数k＝(D22-D02)/(D22-D21)＝0．775
大气端介质作用压差P大＝P腔-P外＝21kgf/cm2
介质端介质作用压差P介＝P腔-P介＝3kgf/cm2
大气端机封端面比压P大比＝P端+P介(k-λ)＝8．175～11．7 45kgf/cm2
介质端机封端面比压P介比＝P弹+P介(k-λ)＝3．225～3．735 kgf/cm2
通过端面比压的计算可以发现，大气机封的端面比压远大于通常的端面比压范围3～5kgf/ cm2，而密封介质端的端面比压则在正常值的范围内。

这说明厂商在选择机封时重点考虑了介质端密封，忽视了密封腔压力对大气端密封的影响。

因此大气端机封端面比压过大应是A301机封大气端磨损严重的主要原因。

3 改造措施
针对A301机封大气端端面比压过大而磨损严重的问题，可以有多种改造方案，例如机封动静环采用更耐磨的材料、缩短大气端机封环座的轴向尺寸、缩短中间泵环的轴向尺寸、改变弹簧的尺寸、改变动环的端面尺寸并使载荷系数降低等，都是可以的。

但是每种方案也都有不利的一面，如动静环采用更耐磨的材料并没有减少摩擦热；缩短大气端机封动环座的轴向尺寸可能给安装造成不便。

上述不同的改造方案各有利弊，为此我们同四川密封技术研究所共同研究分析，决定采用只改变环端面尺寸(两端一样)，使载荷系数降低的方案，并由四川密封技术研究所制造加工。

这一改造方案有如下优点：
(1)动环是易损件，改变结构最经济，也较容易。

(2)保持两端动环尺寸一样以减少安装失误，降低载荷系数后，可使大气端密封的端面比压接近正常值。

(3)缩小动环的端面尺寸更利于动环与轴之间同心旋转，并对摩擦的传导有利。

经过多次试算和比较，并结合机封轴套、机封座等部件的结构尺寸，最终确定动环的端面尺寸为：外径79.5cm，内径68.3cm。

现核算如下：
动环端面面积S=12.8cm2
弹簧比压P弹＝F总/S＝2.8kgf/cm2
载荷系数k＝(D22-D02)／(D22-D21)＝0.599
大气端机封端面比压P大比＝P弹＋P介(k-λ)＝4.85～ 8.4kgf/cm2
介质端机封端面比压P介比＝P弹＋P介(k-λ)＝3.09～-3.6kg f/cm2
通过计算可以看到，改造后机封大气端的端面比压下限进入正常值范围，而介质端的端面比压变动很小，也在正常值范围内。

碱液循环泵机械密封失效分析及改进
天津石化公司乙烯厂庄永福
【关键词】碱液循环泵,机械密封,失效分析,经济效
益
【论文摘要】通过对乙烯装置碱液循环泵机械密封频繁失效的原因进行分析，改进了密封结构和摩擦副材料，取得了良好的密封效果和经济效益。

乙烯装置压缩系统浓碱液循环泵是碱洗塔的塔底循环泵，它将经裂解气碱洗过的碱液输送到塔顶，使碱液循环使用。

该泵在实际运行中，频繁发生泄漏，机械密封在安装运行一周左右开始微漏，1～2个月内泄漏量增大，无法继续使用。

严重影响了装置的环保达标和长期稳定运行。

1 基本情况：
该泵为单吸悬臂卧式离心泵，主要技术参数如下表：
介质成份含胶状、颗粒杂质的20％NaOH液体
介质温度45℃
介质粘度1070CP
流量30m3/h
扬程18m
吸入压力1.078MPa
排出压力1.272MPa
轴功率2.7KW
电机转数2950r/m
将失效后的克兰机械密封解体，其损坏情况如下：
（1）动环和动环座、轴套间的间隙被阻塞
（2）动环和静环有环状磨损痕迹
（3）密封腔内有焦状聚合物、颗粒等杂质和结晶物
（4）弹簧锈蚀严重，被杂质和结晶物卡涩，弹性不足
2 失效分析：
一般造成密封失效的主要原因有端面液膜失效、材料与介质不相容，以及制造和安装问题等。

端面比压是机械密封的重要性能参数，端面比压要在设计的范围之内（内装式机械密封一般为0.2 MPa～0.4 MPa）,以保证机械密封端面良好配合，使密封面间形成有效液膜。

Fb(端面受力)= Ft（弹簧力）+Fp(介质作用压力)-Fm(液膜作用压力),端面比压的计算公式为：
Pb＝Pt ＋Pp－Pm
Pb＝Pt ＋（K-λ）P
其中: d2＝50mm d1＝32mm d2＝38mm
弹簧比压Pt ＝Ft（弹簧力）／［π／4（d22－d02）］＝0.3MPa(厂家设计值)
载荷系数K ＝（d22－d02）／（d22－d12）＝0.715
膜压系数λ=0.742
介质压力P＝0.45 MPa
可以计算出原8B1-P型机械密封端面比压Pb 为0.28 MPa,是符合设计规范的, 在正常工作条件下是能够满足生产要求的。

这和实际情况相吻合,在使用初期机械密封并不泄漏,那导致其失效的原因又是什么呢?这就必须从机械密封的工作环境入手,进行综合分析。

由于该泵处于碱洗塔底部，管道和设备的锈蚀物以及裂解气中的杂质和重组份聚合物都沉积在塔底，同时塔内NaOH与H2S和CO2组分发生反应，生成的Na2S、Na2CO3会产生结晶物。

泵入口滤网原为40目，在实际生产中经常堵塞，使泵抽空，我们把滤网改为20目,基本解决了入口堵塞问题,这同时也造成进入泵体内的碱液含有大量的杂质和结晶物，由于采用自身冲洗方式，这些杂质和结晶物不可避免地沉积于密封腔内。

使动环和动环座、轴套间的间隙被阻塞，导致动环在轴向的动作不灵活甚至被卡死，弹簧被腐蚀卡涩，弹性不足，不能提供原设计0.28 MPa的端面比压，导致密封面不能良好地贴和,液膜平衡被破坏,这时密封就会出现微漏，随着结晶物和杂质颗粒进入摩擦副端面，密封面逐渐被磨损，再加上动环轴向补偿不灵，造成密封泄漏量增加，最终导致密封彻底失效。

3 改进措施
根据密封的失效原因，我们有针对性地从以下几个方面进行了技术改造：
（1）改变密封结构形式
由于介质是含有杂质的碱液，从密封结构上来看采用静环补偿比原设计的动环补偿更为适合。

根据该泵的具体工况条件，我们选用了艾格3055型卡式单端面机械密封（集装式），其主要特点如下:
l 通过自动锁紧环实现精确定心。

l 可调节式压盖可直接配合常用螺栓使用,集装式结构安装方便。

l 静环和轴套的间隙不在介质侧，保证了静环轴向补偿的灵活性。

l 弹簧位于辅助密封圈外侧，与介质完全隔开，避免了弹簧的腐蚀和卡涩。

（2）改变摩擦副材质，去除密封冲洗
卡式密封动环和静环材料均采用碳化钨，碳化钨具有极高的强度和硬度，良好的耐磨性和抗腐蚀性，这就使杂质和结晶物难以对其造成损坏，同时碳化钨摩擦副具有优良的导热性，线性膨胀系数很小，使其能够在较高的温度下保持良好的密封性。

辅助密封环材质我们选用氟橡胶FPM2461，它耐腐蚀、弹性好，最高工作温度为250℃。

由于碱液中含有杂质和结晶物,原机封采用的自身反冲洗形式难以达到预期的目的,生产现
场又无适合作冲洗液的其它介质。

有上述条件作保证，再加上介质工作温度不高（45℃），
3055型卡式机械密封在去除自冲洗的条件下，完全可以正常运行，这既能降低冲洗带来的能耗、物耗损失，又能简化机械密封的日常维护。

E-GA203两台泵自2001年1月开始使用卡式集装式机械密封，从现场情况来看密封效果非常好，运行至今仍没有任何泄漏迹象，使用寿命达到了2年以上。

原8B1-P机封每套价格为960元，两年内仅机封备件费就节约1万余元，原设计E-GA203泵冲洗水流量为
6L/min，通过去除冲洗水每年节约循环水3000余吨,经济效益是显而易见的。

４结束语
通过对碱泵机械密封结构的合理选型，结合选用合适的摩擦副、辅助O型圈材质，提高了机械密封的使用性能，使之在去除密封冲洗的条件下，仍能稳定工作。

降低了设备维护和维修费用，保证了装置的连续稳定生产。

影响泵用机械密封外部条件的研究
信息来源：浙江工业大学
论文摘要：通过对泵用机械密封的实际应用和理论分析，提出了机械密封的实际密封效果不仅与机械密封自身的性能有关，且与其它零部件提供的条件以及密封辅助系统提供的条件有着重要的关系，因此在设计泵机组产品时，要为机械密封的使用提供一个良好的外部条件。

目前机械密封在泵类产品中的应用非常广泛，而随着产品技术水平的提高和节约能源的要求，机械密封的应用前景将更加广泛。

机械密封的密封效果将直接影响整机的运行，尤其是在石油化工领域内，因存在易燃、易爆、易挥发、剧毒等介质，机械密封出现泄漏，将严重影响生产正常进行，严重的还将出现重大安全事故。

人们在分析质量故障原因时，往往习惯在机械密封自身方面查找原因，例如：机械密封的选型是否合适，材料选择是否正确，密封面的比压是否正确，摩擦副的选择是否合理等等。

而很少在机械密封的外部条件方面去查找原因，例如：泵给机械密封创造的条件是否合适，辅助系统的配置是否合适，而这些方面的原因往往是非常重要的。

本文作者从泵用机械密封的外部条件的角度分析了影响密封效果的几种因素和应采取的合理措施。

1机械密封的原理及要求
机械密封是靠一对相对运动的环的端面A (一个固定，另一个与轴一起旋转，见图1) 相互贴合形成的微小轴向间隙起密封作用，这种装置称为机械密封。

机械密封通常由动环、静环、压紧元件和密封元件组成。

其中动环和静环的端面组成一对摩擦副，动环靠密封室中液体的压力使其端面压紧在静环端面上，并在两环端面上产生适当的比压和保持一层极薄的液体膜而达到密封的目的。

压紧元件产生压力，可使泵在不运转状态下，也保持端面贴合，保证密封介质不外漏，并防止杂质进入密封端面。

密封元件起密封动环与轴的间隙B、静环与压盖的间隙C的作用，同时对泵的振动、冲击起缓冲作用。

机械密封在实际运行中不是一个孤立的部件，它是与泵的其它零部件一起组合起来运行的，同时通过其基本原理可以看出，机械密封的正常运行是有条件的，例如：泵轴的窜量不能太大，否则摩擦副端面不能形成正常要求的比压；机械密封处的泵轴不能有太大的挠度，否则端面比压会不均匀等等。

只有满足类似这样的外部条件，再加上良好的机械密封自身性能，才能达到理想的密封效果。

2外部条件影响的原因分析
2.1泵轴的轴向窜量大
机械密封的密封面要有一定的比压，这样才能起到密封作用，这就要求机械密封的弹簧要有一定的压缩量，给密封端面一个推力，旋转起来使密封面产生密封所要求的比压。

为了保证这一个比压，机械密封要求泵轴不能有太大的窜量，一般要保证在0.5 mm以内。

但在实际设计当中，由于设计的不合理，往往泵轴产生很大的窜量，对机械密封的使用是非常不利的。

这种现象往往出现在多级离心泵中，尤其是在泵启动过程中，窜量比较大。

图2 为平衡盘方法平衡轴向力的工作原理。

平衡盘工作时自动改变平衡盘与平衡环之间的轴向间隙b，从而改变平衡盘前后两侧的压差，产生一个与轴向力方向相反的作用力来平衡轴向力。

由于转子窜动的惯性作用和瞬态泵工况的波动，运转的转子不会静止在某一轴向平衡位置。

平衡盘始终处在左右窜动的状态。

平衡盘在正常工作中的轴向窜量只有0105 ～011 mm，满足机械密封的允许轴向窜量015 mm的要求，但平衡盘在泵启动、停机、工况剧变时的轴向窜量可能大大超过机械密封允许的轴向窜量。

泵经过长时间运行后，平衡盘与平衡环摩擦磨损，间隙b随着增大，机械密封轴向窜量不断增加。

由于轴向力的作用，吸入侧的密封面的压紧力增加，密封面磨损加剧，直至密封面损坏，失去密封作用。

吐出侧的机械密封，随着平衡盘的磨损，转子部件的轴向窜量大于密封要求的轴向窜量，密封面的压紧力减小，达不到密封要求，最终使泵两侧的机械密封全部失去密封作用。

2.2轴向力偏大
机械密封在使用过程中是不能够承受轴向力的，若存在轴向力，对机械密封的影响是严重的。

有时由于泵的轴向力平衡机构设计的不合理及制造、安装、使用等方面的原因，造成轴向力没有被平衡掉。

机械密封承受一个轴向力，运转时密封压盖温度将偏高，对于聚丙烯类的介质，在高温下会被熔融，因此泵启动后很快就失去密封效果，泵静止时则密封端面出现间断的喷漏现象。

2.3泵轴的挠度偏大
机械密封又称端面密封，是一种旋转轴向的接触式动密封，它是在流体介质和弹性元件的作用下，两个垂直于轴心线的密封端面紧密贴合、相对旋转，从而达到密封效果，因此要求两个密封之间要受力均匀。

但由于泵产品设计的不合理，泵轴运转时，在机械密封安装处产生的挠度较大，使密封面之间的受力不均匀，导致密封效果不好。

2.4没有辅助冲洗系统或辅助冲洗系统设置不合理
机械密封的辅助冲洗系统是非常重要的，它可以有效地保护密封面，起到冷却、润滑、冲走杂物等作用。

有时设计员没有合理地配置辅助冲洗系统，达不到密封效果；有时虽然设计人员设计了辅助系统，但由于冲洗液中有杂质，冲洗液的流量、压力不够，冲洗口位置设计不合理等原因，也同样达不到密封效果。

2.5振动偏大
机械密封振动偏大，最终导致失去密封效果。

但机械密封振动偏大的原因往往不是机械密封本身的原因，泵的其它零部件是产生振动的根源，如泵轴设计不合理、加工的原因、轴承精度不够、联轴器的平行度差、径向力大等原因。

2.6泵汽蚀的原因
由于装置系统操作不合理以及泵进口汽蚀性能不好、泵的转速偏高，在泵的入口处发生局部汽蚀，汽蚀发生后，水中会有气泡，它一方面会冲击机械密封面的外表面，使其表面出现破损；另一方面会使动静环的吻合面的流动膜中也含有气泡，不能形成稳定的流动膜，造成动静环的吻合面的干摩擦，使机械密封装置损坏。

2.7机械加工精度不够
机械加工精度不够，原因有很多，有的是机械密封本身的加工精度不够，这方面的原因容易引起人们的注意，也容易找到。

但有时是泵其它部件的加工精度不够，这方面的原因，不容易引起人们的注意。

例如：泵轴、轴套、泵体、密封腔体的加大精度不够等原因。

这些原因的存在对机械密封的密封效果是非常不利的。

3应采取的措施
3.1消除泵轴窜量大的措施
合理地设计轴向力的平衡装置，消除轴向窜量。

为了满足这一要求，对于多级离心泵，比较理想的设计方案有两个：一个是平衡盘加轴向止推轴承，由平衡盘平衡轴向力，由轴向止推轴承对泵轴进行轴向限位；另一个是平衡鼓加轴向止推轴承，由平衡鼓平衡掉大部分轴向力，剩余的轴向力由止推轴承承担，同时轴向止推轴承对泵轴进行轴向限位。

第二种方案的关键是合理地设计平衡鼓，使之能够真正平衡掉大部分轴向力。

对于其它单级泵、中开泵等产品，在设计时采取一些措施保证泵轴的窜量在机械密封所要求的范围之内。

3.2消除轴向力偏大的措施
合理地设计轴向力平衡机构，使之能够真正充分地平衡掉轴向力，给机械密封创造一个良好的条件。

对于一些电厂、石油、化工等领域应用的重要产品，在产品出厂之前，必须做到台台试验检测和发现问题和解决问题。

有些重要的泵可以在转子上设计一个轴向测力环，对轴向力的大小进行随时监测，发现问题及时解决。

3.3消除泵轴挠度偏大的措施
这种现象大多存在卧式多级离心泵中，在设计时采取以下措施：
(1) 减少两端轴承之间的距离。

泵叶轮的级数不要太多，在泵总扬程要求较高的情况下，尽量提高每级叶轮的扬程，减少级数。

(2) 增加泵轴的直径。

在设计泵轴直径的时候，不要简单地仅考虑传递功率的大小，而要考虑机械密。