(简)机械密封基础知识讲座

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,机械密封基础知识讲座,2024/9/10,1,序 言,机械密封最早于,1885,年在英国发明并获得专利，首先获得应用是在,20,世纪,20,年代的冷冻机装置上，同时出现了研究和生产机械密封的专业公司（英国的,Crane,公司、德国的,Pacific,公司等）。,我国在,20,世纪,60,年代才相继出现研究和生产机械密封的专业机构（天津克兰），目前已有四十年历史，在普通机械密封领域技术及产品日趋成熟，大部分地方已能替代进口产品，性能接近国外产品。目前国内具有规模的研究、生产厂家已有十余个，并在高参数密封及新技术方面取得一定突破。,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。,2024/9/10,2,目 录,一、,机械密封原理,二、,机械密封的基本零件,三、,机械密封的计算,四、,机械密封用材料,2024/9/10,3,（一）,定义,（二）,组成,（三）,密封机理,（四）,辅助设施,（五）,机械密封的种类,（六）,旋转式和静止式机械密封,（七）,内装式和外装式机械密封,（八）,内流式和外流式机械密封,（九）,多弹簧和单弹簧机械密封,（十）,平衡型和非平衡型机械密封,一、机械密封原理,2024/9/10,4,（十一）,补偿机构形式,（十二）,双端面机械密封,（十三）,串联式机械密封,（十四）,波纹管机械密封,（十五）,集装式机械密封,2024/9/10,5,（一）,对摩擦副密封环的要求,（二）,摩擦副匹配要考虑的因素,（三）,密封端面宽度,（四）,密封环的主要技术要求,（五）,摩擦副端面平面度检测,（六）,密封端面的粗糙度要求,（七）,动环（旋转环）,（八）,静环（不旋转）,（九）,密封环的种类,（十）,整体式密封环,二、机械密封的基本零件,2024/9/10,6,（十一）,组合式,（十二）,热装式密封环,（十三）,热装式密封环的过盈值选择,（十四）,辅助密封圈,（十五）,传动机构的作用,（十六）,静环防转方式,（十七）,机械密封的弹性元件,（十八）,波纹管种类,（十九）,焊接金属波纹管密封,2024/9/10,7,（一）,补偿环的受力状况,（二）,密封端面中液膜反力的分布情况,（三）,液膜反力的计算,（四）,易汽化介质中密封端面间的液膜压力分布,（五）,膜压系数的影响因素,（六）,弹簧比压的计算,（七）,载荷系数,K,（,八）,端面比压,（九）,波纹管的有效作用直径,de,（,十）,PV,值,三、机械密封的计算,2024/9/10,8,（一）,摩擦副材料要求,（二）,制造摩擦副的常用材料,（三）,碳石墨,（四）,硬质合金,WC,（,五）,SiC,陶瓷,（六）,Al,2,O,3,陶瓷及其它陶瓷介绍,（七）,表面堆焊硬质合金,（八）,作摩擦副的金属材料,（九）,填充聚四氟乙烯,（十）,辅助密封圈材料要求,四、机械密封用材料,2024/9/10,9,（十一）,合成橡胶,（十二）,柔性石墨（也称膨胀石墨）,（十三）,弹性元件材料,（十四）,机械密封中基体材料,2024/9/10,10,一、机械密封原理,（一）定义（,图1-1,）,2024/9/10,11,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。,2024/9/10,12,1、,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。（使贴合）,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,2024/9/10,13,1、,4,个密封点（亦称,4,个泄漏点，,如图,1-1,）,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，依靠密封圈的过盈量实现密封； （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，依靠密封圈的过盈量实现密封； （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，依靠密封圈的过盈量实现 密封；（静密封点，密封圈与相配合件之间相对静 止）,（三）密封机理,2024/9/10,14,3、,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。,2、,传动关系,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,6,2024/9/10,15,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,2024/9/10,16,1、,按使用条件分类,（,1,）高速密封（,ZBJ22-001-88,：,线速度,25,100,m/s,）,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,多弹簧、单弹簧密封,旋转式、静止式密封,外装式、内装式密封,外流式、内流式密封,（五）机械密封的种类,2024/9/10,17,（,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,）,2024/9/10,18,2024/9/10,19,（七）内装式和外装式机械密封（图,1-3,）,2024/9/10,20,（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）,2024/9/10,21,（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,2024/9/10,22,（,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,2024/9/10,23,（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）平衡型和非平衡型机械密封,2024/9/10,24,（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,2024/9/10,25,两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。,（十二）双端面机械密封,（图,1-4,）,2024/9/10,26,两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,）,2024/9/10,27,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。,（十四）波纹管机械密封,2024/9/10,28,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。（一般挡块厚度为弹簧压缩量，从外部易于观测）,（十五）集装式机械密封,（图,1-6,）,2024/9/10,29,二、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。,2024/9/10,30,（,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,2024/9/10,31,（,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。,（,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,（,0,40,6,）,以利补偿,静环和轴（轴套）间隙,13,mm,以免摩擦,（二）摩擦副匹配要考虑的因素,2024/9/10,32,（,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：,（三）,密封端面宽度,2024/9/10,33,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）。,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,1.5,2.0,2.0,2.5,3.0,3.0,2024/9/10,34,（）平面度,0.0009,，硬质0.2，软质0.4，表,面不应有裂纹、划伤、气孔、疏松等缺陷。,（）密封环端面与安装辅助密封圈处的平行度、垂直度按,的级精度要求。,（）安装辅助密封圈处粗糙度：3.2，径向尺寸公,差或。,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。,（四）密封环的主要技术要求,2024/9/10,35,平面度,0.0009,，普通量具无法检测，通常利用光波的干,涉效应来检测。,（,1,）光波的干涉效应,根据波动学原理，两波产生干涉的条件是：,（,a,）,两波在相遇点振向一致,；,（,b,）,两波具有相同的频率,；,（,c,）,两波在相遇点有固定的周相差,。（两个同样的钠光灯,不行，只有用同一光源发出的光设法分成两束，才,满足相干条件）,（五）摩擦副端面平面度检测,2024/9/10,36,满足相干条件的两束光的叠加效果是：在波程差为波长,整数倍的地方，光强度加强；在波程差为半个波长的奇数倍,的地方，光强度减至零（变暗）。这就是光的干涉原理。,2024/9/10,37,（,2,）平面度检测原理,设入射角,i=0,，,e,为气膜厚度（即是被检测面上点到平,晶的距离），,为光波波长，,为光的波程差，那么,=2e/2,当,=k,时，,被检测面上点变暗；,=(2k1)/2,，,被检测面上点变亮,；（其中,k=0,1,2,3,4,，,k,为整数）,由以上公式可以得出下面结论：,（）相邻两条光带所对应两点的气膜厚度差（高度差）,为,/2，（,对于钠光灯,=0.589m，/20.3m）,2024/9/10,38,（）,相邻两条光带宽,b=/2Sin，（,为空气膜倾斜角,）,（）当,e=0,时，,=/2（,半波损失），出现暗条纹；,（1）合格光带举例,2024/9/10,39,（2）平面度检测器（图2-3）,平晶：由派利克斯玻璃、熔凝水晶或折射系数为,1.516,的光学玻璃制造。表面平面度,0.1,m(2,级,),，,0.03,m (1,级,),。,光源:钠光灯(,=0.589m),2024/9/10,40,密封端面承载能力与表面粗糙度有很大关系，大约有,如下关系：,（,六,）,密封端面的粗糙度要求,2024/9/10,41,由此可以看出，密封端面粗糙度应在,0.2,以上，否则,，,端面比压比理论值高的多，结果是高点接触，局部压力很,高；由于摩擦副的硬度、刚度的差异，局部高点发热甚至,产生裂纹。石墨环表面磨出细微的环状沟纹。泵的振动和,动、静环的不同心会加剧这种磨损。被磨掉的颗粒存在于,端面中，形成磨粒磨损，磨损加剧，有时在泄漏的介质中,可以看到石墨黑浆。,2024/9/10,42,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。,),（）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。,（）辅助密封圈只受径向力，易产生老化、冷流变形，从,而导致密封失效。,（,）,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。,（七）动环（旋转环）,2024/9/10,43,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。,（八）静环,(,不旋转,),2024/9/10,44,整体式,（,用同一种材料制造,）,、组合式（如镶嵌）、,表面堆焊、表面喷涂,（九）密封环的种类,2024/9/10,45,（十）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、,NiCr,基硬质合金、陶瓷等。,2024/9/10,46,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：,（）热装式,（）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）,（十一）组合式,2024/9/10,47,优点：结构简单，性能优异，价格较低，运用较多。,缺点：（）因过盈接触不均匀，而产生机械变形。,（）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。,（十二）热装式密封环,2024/9/10,48,=D,p（,1,2）,T,式中,：,工作温度时的过盈量,：,常温过盈量,D,p,：,镶嵌直径,1,：,座线胀系数,2,：,环的线胀系数,T=,工作温度常温（20,。,C）,（YG6：4.510,6,1/,。,C 1Cr18Ni9Ti：16.610,6,1/,。,C,3Cr13：11.510,6,1/,。,C）,（,1,）,在满足传递扭矩的情况下，取最小过盈值；,（十三）热装式密封环的过盈值选择,2024/9/10,49,（,2,）由上式，当使用温度为,300,C,时，对,YG6/1Cr18Ni9Ti,，,过盈量为：,= D,p,（16.64.5）10,6,（30020） =3.4,10,3,D,p,（,以便记忆）,（3）长期放置的镶嵌环，使用前要检查平面度；,（4）对大直径、高转速(环座产生离心力)、弹性模量小,的材质(4,J42、,钛合金)，过盈量可相应大一些。,（5）高温200,C,以上少用热装式结构，否则要核算过,盈量。,2024/9/10,50,（,1,）材料要求,（）在工作温度下耐介质腐蚀,（）足够的弹性,（）有一定强度,(,柔性石墨因强度差，使用场合受到限制,),（）耐磨,（）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；,（十四）辅助密封圈,2024/9/10,51,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。,（,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）,（十五）传动机构的作用,2024/9/10,52,（,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,2024/9/10,53,（,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,),（,十六,）,静环防转方式,2024/9/10,54,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,),（,十七,）,机械密封的弹性元件,2024/9/10,55,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,),。,(,十八,),波纹管种类,2024/9/10,56,（1）,制造,采用厚度为,0.1-0.2,mm,的沉淀硬化不锈钢薄带,(,AM350,、,0Cr17Ni17Ti,、,0Cr15Ni17Mo2Al,、,INCONEL-X-750,及,Ti,合金、,Hasterlloy C-276,等,),冲压成截面为,S,形的片状环形件，再焊接成型,(,用微束等离子焊,),。,沉淀硬化不锈钢焊接后须经热时效处理，将奥氏体转变为马氏体，并使马氏体中析出金属化合物，沉淀出硬化相，从而获得高强度、较高的塑性及屈强比（,S,/,D,0.80.9,）。,例：,AM350,热失效：真空炉,850,C,进行淬火处理，再进行,80,C,的低温处理,(,制冷剂,F12),，,以达到增加弹性、稳定尺寸的目的。,（,十九,）,焊接金属波纹管密封,2024/9/10,57,（,2,）特点,焊接金属波纹管密封不用会产生较小滑移的辅助密封圈，使用温度范围广：,200600,C,。,高速下对轴的振动、振摆适应性强，追随性好。,（,3,）弹率,(,即刚度,N/mm),k=Et,3,（d,1,d,2,）/2nB,3,d,2,/d,1,E,：,工作温度下弹性模量（,N/mm,2,）：,AM350,：,1.75,10,6,(315.6,C),、,INCONEL,：,2.14,10,6,(26.7,C),、,1.59,10,6,(649,C),、,17-7PH,：,2.0,10,6,(21.1,C),、,Ti,：,1.31,10,6,(,196,C),、,1.14,10,6,(23.9,C),、,0.70,10,6,(538,C),。,2024/9/10,58,t,：,波片厚度,mm,n,：,波数,d,1,/d,2：,管子内外径,mm,B,：,波纹管片宽（,d,2,d,1,）,/2,公式中未考虑波片断面形状，具有一定误差，实际,生产中用弹簧测力计测弹率。,2024/9/10,59,三、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：,2024/9/10,60,向左的：弹簧力,F,t,、,介质压力所产生的作用力,F,p,向右的：液膜反力,F,m,、,静环作用的端面支承力,F,；,摩擦力,R,，,很小可以忽略；,以上四力平衡，有,F=F,t,F,p,F,m,端面比压,P=F/S,（,S,为端面面积）,上面各项力的计算方法在后面章节再加以叙述。,2024/9/10,61,（二）密封端面中液膜反力的分布情况,2024/9/10,62,在,d,2,处，端面间液膜压力等于,P,介。,在,d,1,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。,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,。,2024/9/10,63,F,m,=P,介,S,（,液膜比压,P,m,=P,介,）,：,膜压系数0.5（中粘度），=0.650.75（低粘度），,=0.30.4（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=,（,d,2,2,d,1,2,）,/4,（三）液膜反力的计算,2024/9/10,64,易汽化介质（如液态烃等）的机械密封一直是石化行,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。,（四）易汽化介质中密封端面间的液膜压力分布,2024/9/10,65,大家都知道，对于轻烃类介质，端面缝隙中存在气液,两相。,r,b,为汽化半径，此处液膜压力,=,P,饱和,（,t,p,），,t,p,处温度最高。,r,2,r,b,区域，液膜压力成线性分布，液相,r,b,r,1,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,，,中国石油大学顾永泉教授提出一个计算公式：,=2/3/P,1,（1/21/6P,f,/P,1,）（r,2,r,b,）/( r,2,r,1,),式中：,P,f,：r,b,处气化压力,P,1,：,介质压力,r,b,：,气化半径,r,2,/r,1,：,端面外半径/内半径,计算值一般在0.70,0.85,之间。,2024/9/10,66,（,1,）端面几何尺寸，由上面公式可以看出。,（,2,）密封结构：前面讲的都是对内流式而言的，对外流式，,还要增大0.2左右，对于中等粘度介质,=0.7,（,3,）,摩擦状态：边界摩擦（端面多个高点直接接触承压。液膜厚度只有几个分子厚，且不连续，几乎不承压，只起润滑作用，,=0,）、,液体摩擦（全液膜，泄漏量大，机械密封一般不采用）、混和摩擦（介于以上两种之间,这是机械密封端面摩擦的主要形式）,（,4,）端面缝隙情况：渐开形，,减小；渐收形，,增大,（,5,）其他因素：转速高，对于内流式,减小，对于外流式,增大。此外端面比压、密封面温度、粗糙度等都有一定影响。,（五）膜压系数的影响因素,2024/9/10,67,P,t,=F,弹,/,S,F,弹,可计算得出，但一般有误差,10%,，这是由于制造厂、,制造工艺、原材料的化学成分、热处理工艺等存在差异的,缘故。,一般,P,t,=0.150.2Mpa(,内装,),，,0.30.6,Mpa(,外装,),，反应釜中，,转速低，轴摆动大，取大值。,（六）弹簧比压的计算,2024/9/10,68,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,（七）载荷系数,K,2024/9/10,69,K=,（,d,2,2,d,0,2,）,/,（,d,2,2,d,1,2,）,d,0,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,=100,（,1-K,）,%,载荷比压：,P,载,=,KP,介,2024/9/10,70,P=P,t,+P,载,P,液膜,=,P,t,+,（,K-,）,P,介,（内装式）,对于双端面机械密封介质侧：,P,液膜,=,P,外,（P,内,P,外,）,P,载,=,K P,内,（,1,K,）,P,外,所以：,P= P,t,K P,内,（,1,K,）,P,外,P,外,（P,内,P,外,）,=,P,t,K P,内,P,外,K P,外,P,外,（P,内,P,外）,=,P,t,K,（,P,内,P,外,）,（P,内,P,外）,=,P,t,（,K,）,（P,内,P,外）,=,P,t,（,K,）,P,（八）端面比压,2024/9/10,71,端面比压的选取原则：,（,1,）必须高于弹簧比压；,（,2,）必须大于介质在端面温度升高时的饱和蒸汽压；,在保证以上条件下，尽量取小值，以防端面发热，破坏液膜，加剧磨损，功率消耗增大，密封使用寿命减短。同时考虑以下原则：,（,1,）对自润滑性好的组对（,M106K/SiC,、,YG6/ SiC,、,M106K/YG6,）,可以取稍大值,(,因液膜不易被破坏，摩擦系数不易增加。)。,（,2,）对于外装式机械密封，可以取稍小值（因介质比压很小，,而,P,t,不可能很大。）。,（,3,）对于高粘度介质，取稍大值（以保持端面贴合）。,（,4,）易挥发介质（饱和蒸汽压高）稍小值（以减少温升）。,2024/9/10,72,推荐的端面比压值,因素,程度,内,装,式,机械密封,外,装,式,机械密封,饱和蒸汽压,接近水比水低,0.51.0,0.30.5,比水高,0.30.5,粘度,比水高,0.51.0,0.30.5,比水低,0.30.5,0.150.25,摩擦副材料,其中一个为塑料,0.20.3,0.150.25,匹配的硬,/,硬,0.71.2,0.40.6,匹配的硬,/,软,0.51.0,0.30.5,2024/9/10,73,端面比压中有一项,K,，,K=A/S,A,：,介质有效作用面积，,A=,（,d,2,2,d,e,2,）,/4,，,d,e,为有效直径。,S,：,密封端面面积,S=,（,d,2,2,d,1,2,）,/4,（九）波纹管的有效作用直径,de,2024/9/10,74,（,1,）金属波纹管,内装内流式：,d,eo,=,（,d,i,d,o,）,/2,Z,外装外流式：,d,ei,=,（,d,i,d,o,）,/2,Z,修正系数,Z=0.671P,介,0.797,（,2,）聚四氟乙烯波纹管,矩形波：,d,e,=,（,d,i,2,d,o,2,）,/2,1/2,锯齿波：,d,e,=,（,d,i,2,d,o,2,d,i,d,o,）,/3,1/2,橡胶波纹管,d,e,无法准确计算，一般由试验获得。,2024/9/10,75,密封端面的摩擦热同时取决于压力和速度。密封端面,的性质要考虑,P,、,V,的乘积，即,PV,值。,PV,值过大：液膜气化，密封失效，端面严重磨损。因,此对一定摩擦系数的端面材料组对，对某种介质有一许用,PV,值。,P,：,端面比压,V=,（,d,1,d,2,）,n/120,10,3,PV,PV,（十）,PV,值,2024/9/10,76,各种组对在非平衡型机械密封中的许用,PV,值,SiC/,石墨,SiC/ SiC,WC/,石墨,WC/WC,WC/,填充,PTFE,WC/,青铜,Al,2,O,3,/,石墨,Cr,2,O,3,喷涂,/,石墨,Stellite/,石墨,180,14.5,715,4.4,5,2,37.5,15,39,2024/9/10,77,四、机械密封用材料,（一）摩擦副材料要求,摩擦副是机械密封的主要零件，其性能好坏在很大程度上决定密封性能，因此对材料有一定的要求：,（,1,）耐蚀性：有良好的化学稳定性，能抵抗介质的腐蚀、磨蚀、溶解和溶胀。,（,2,）物理机械性能：较高的弹性模量（,E=（,应力）/,（,应变），刚度=力/变形,）、强度及许用,PV,值，低的摩擦系数和线膨胀系数，优良的耐磨性、自润滑性以及良好的不渗透性等。,（,3,）热力性能：很好的导热性、耐热性、耐寒性和耐温度的急变性。,（,4,）材料来源方便，易加工，成本低廉。,2024/9/10,78,硬质合金,工程陶瓷（,Al,2,O,3,陶瓷、,Al,2,O,3,金属陶瓷、,Si,3,N,4,陶瓷、铬钢玉,陶瓷、碳化硼陶瓷、喷涂陶瓷、,SiC,、,可切削微晶玻璃）,碳石墨,填充聚四氟乙烯,金属材料：铸铁类及铜合金也有铬钢淬火材料,下面分别予以讨论。,（二）制造摩擦副的常用材料,2024/9/10,79,1,、特点,（,1,）具有较高导热性，,(,碳导热系数为,2040,W/m,k,，,石墨为,40128,W/m,k,，,),是非金属中导热最好的材料，仅次于,银、铜、铝，比,Hasterlloy,好。,（,2,）具有低的线膨胀系数（,26,10,6,/,），是金属的,1/21/4,。,（,3,）具有良好的耐腐蚀性，在空气中,400,以下稳定，除,强氧化性介质（如王水、铬酸、浓硫酸及卤族元素）,外，可耐其它酸、碱、盐及一切有机化合物的腐蚀，,其耐蚀程度随石墨的种类和浸渍剂的不同而异。,（三）碳石墨,2024/9/10,80,（,4,）具有极好的自润滑性和低的摩檫系数，那是因为石墨,和其它材料组对时，石墨转移到其它材料表面，形成,石墨和石墨相对摩檫。石墨和金属摩檫系数为,0.040.05,，在全液润滑条件下，,f=0.0080.01,。,因此它,的组对性能好。,（,5,）石墨的抗拉强度较低，抗压强度较高，属脆性材料。,由于硬度较低，被广泛用作软环，易于加工。,缺点是气孔率大，一般在,18%22%。实际应用石墨都,必须是浸渍过的，以堵塞气孔，提高密封性。,2024/9/10,81,2、石墨的种类,石墨是采用焦炭粉和石墨粉，用沥青作粘结剂，模压成,型，置于高温中焙烧而成。根据所用原料和烧结温度与时间,的不同，可以制成不同物理机械性能的石墨。一种为碳素石,墨，用,M1,表示，一种是电化石墨，用,M2,表示（材料组分不,一样，,M2,还需,24002800,高温石墨化处理）。还有一种是,树脂碳石墨：烧结石墨粉碎后，用树脂作粘结剂，混和后压,制烧结而成（,M3,）。,M1,：,质硬而脆，导热系数低，加工困难。,M2,：,质软，强度低，自润滑性好。,M3,：,PV,值不高，价格便宜，石化行业较少采用。,2024/9/10,82,3,、石墨浸渍剂种类,一般浸渍后，成为不透气制品，对导热性无明显影响，,但强度、硬度有很大提高。常用浸渍剂有：环氧树脂（,H,）、,呋喃树脂（,K,）、,酚醛树脂（,F,）、,巴氏合金（,B,）、,铝合金,（,L,）、,铜合金（,P,）、,锑合金（,D,）、,银合金（,G,）。,F,：,耐酸性好,H,：,耐碱性好,K,：,酸碱都耐,200,浸金属：,耐高温,2024/9/10,83,1、,金属碳化物,WC,熔点非常高，要制成产品，用普通的冶炼方法行不通。通常把它制成粉末，混以熔点较低的金属（,Co,、,Ni,等），压制成型，高温烧结，较低熔点金属熔化，将,WC,粘结成一个整体，制成硬质合金。,2、,硬质合金具有以下优良性能：,（,1,）硬度高,HRA87,94,（,洛氏硬度），耐磨粒磨损，是悬浮颗粒介质的理想摩擦副。,附：布氏硬度,HB,、,洛氏硬度,HRA(,软,),、,HRB(,中,),、,HRC(,硬,),、维氏硬度,HV,比较,HRC,HRA,HRB,HB,HV,20,60.2,99,216,230,（,20,65,）,70,83.6,（,60,100,）,99,137,105,237,检测硬度由大到小,（四）硬质合金,WC,2024/9/10,84,（,2,）抗弯强度高,1400,2000,N/mm,2,。,（,3,）,导热系数高，线膨胀系数小,(5,10,6,/,左右,),，耐高,温,600,。,（,4,）摩擦系数低，组对性能好。,（,5,）较好的耐腐蚀性，牌号不同，耐腐蚀性不同。,3,、种类,（,1,）,Co,基硬质合金：,YG6,、,YG8,、,YG15,，,后面数字为,Co,的,百分含量，,Co,多，硬度略下降。,Co,易氧化，不宜用于酸等,腐蚀性介质，但在一般温度,H,2,SO,4,.,、,沸点以下,NaOH,中可用。,2024/9/10,85,（,2,）耐蚀硬质合金：,WCNi,：,WYN8(8%CrNi),，,强度为,WC-Co,的,70-80%,，硬度,小,0.51,HRA,。,WC-Ni-Cr,：,W7(9%CrNi),，,强度、硬度与,WC-Co,相当。,（,3,）钢结硬质合金,TiC,合金钢：,GT35,、,R5,、,R8,，,耐,HNO,3,、,H,2,SO,4,、,氨水，,不耐强碱、,HCl,、,FeCl,3,液。,烧结成形后可进行机械加工，然后再进行热处理，可制,作复杂零件，硬度稍差,(,HRC,6065),，,比重小，自润滑性好。,2024/9/10,86,SiC,是一种新型陶瓷，由于高密度成形技术的发展，,80,年代开始，国外纷纷用它作高,PV,值的组对材料，是到,目前为止发现的最好的摩擦副材料，具备各种优良性能。,重量轻，为,WC,的,1,5,，比强度高，摩擦系数小，硬度略,高于硬质合金，,HRA9094,，,抗辐射性好，具有一定的自,润滑性，组对性好，化学稳定性、耐热性、热传导性都,很优异。在,500,以下，几乎耐所有的酸和碱，除振动冲,击大，或有颗粒介质场合外，几乎所有的硬质合金都可,用它取代，价格略比,WC,便宜。,缺点：脆性材料，抗机械冲击性稍差。,（五）,SiC,陶瓷,2024/9/10,87,由于制造工艺不同，性能略有差异，目前主要有,4,种类型：,1、,反应烧结,SiC,（,SiC,Si,组成的致密烧结物）,（,-SiC,粉石墨粉助熔剂）混和有机粘结剂压制成型，放入,Si,粉坩锅内，在真空炉加热,16001800,，生成,-SiC,。,这种,SiC,由,-SiC,、,-SiC,、,游离硅组成，由于游离,Si,和孔隙的存在，它不耐强碱和氧化性介质。,优点：收缩率小，耐热冲击性好，成本低，适于批量生产。,2,、常压烧结,SiC,采用超细,SiC,粉（粒度在,0.10.2,m,），,加适当的添加剂、粘结剂压制成型，然后在,20002200,的温度下烧结而成。适用于数量少，规格品种多的密封环。致密度高达,97%,以上。,2024/9/10,88,3,、热压烧结,SiC,粒度,1,m,的,SiC,粉，加上适当的添加剂，装入石墨模具内，在,20002100,的热压炉内加压（,3050,MPa,）,制成。这是,SiC,中化学稳定性最好的一种。（因为在氧化气氛下，表面生成了一种,SiO,2,保护膜，耐腐蚀性最好。）质密度高达,97%,以上。,4,、气相渗透,SiC,（,又叫硅化石墨）,以石墨为基体，按最终产品形状加工好后，导入,Si,源，采用化学气相沉积法在,18002200,的高温下反应生成。，渗透层厚度可达,1.5,mm,，,成,SiC,表层，表层还有,10%,的石墨，具有气体不渗透性，,C,、,Si,之间无明显的边界层。这种,SiC,既具有碳石墨优点，又具有,SiC,特性，是一种很有前途的碳基复合材料。气相渗透,SiC,与常压烧结,SiC,组对，可用于高速场合，即使处于半干摩擦工况条件下也不易产生卡滞与擦伤。,2024/9/10,89,1,、,Al,2,O,3,分为,99,瓷（,99%,Al,2,O,3,、,1%MgO,，,HRA8590,）,和,95,瓷（,94.5%,Al,2,O,3,、,2%SiO,2,、,3%CaCO,3,、,2%Cr,2,O,3,，,HRA7882,）。,具有很好的耐蚀性，可以经受各种酸类、碱类、盐类和各种有机溶剂及强氧化剂腐蚀。硬度高，仅次于金刚石和碳化硼，耐磨性好，机械强度和普通铸铁差不多，材料来源广泛，制造工艺简单。,缺点：质脆，导热性不好，耐热冲击性差。（,Al,2,O,3,/ Al,2,O,3,组对不行，有产生静电的危险。）这种材料多用于外装式耐腐蚀性机械密封中。,2,、,Al,2,O,3,金属陶瓷,在,Al,2,O,3,中添加少量金属元素,Fe,、,Cr,、,Ni,等，以提高导热率，降低脆性，但硬度和耐蚀性有所下降。主要用于批量较大的汽车冷却水泵及潜水泵机械密封上。,（六）,Al2O3,陶瓷及其他陶瓷介绍,2024/9/10,90,3,、,Si,3,N,4,耐蚀性很好，,Si,3,N,4,/,石墨组对性很好，而与填充玻纤,PTFE,组对时,Si,3,N,4,的磨损大。,（,1,）反映烧结,Si,3,N,4,素坯可以机械加工，能制成形状复杂制品，经二次氮化后尺寸变化率小（,0.1%,），抗冲击性好，耐腐蚀。强度、硬度是,Si,3,N,4,中最低的，（因内部有,1015%,封闭气孔）。较厚的制品不易烧结，有时会有“流硅”现象，仅适合,PV,值不高的场合。,（2）热压,Si,3,N,4,是,Si,3,N,4,中性能最佳的材料，硬度高（,HRA9192），,致密性好，接近理论密度3.2,g/cm,3,，,耐磨性、耐蚀性优良。但成本高，难以制作形状复杂零件。,2024/9/10,91,（,3,）常压烧结,Si,3,N,4,性能接近热压,Si,3,N,4,，,成本高，烧结时收缩率大,1520%,，易引起烧结变形。,（,4,）重烧结,Si,3,N,4,性能接近热压,Si,3,N,4,，,制造工艺复杂，成本较反应烧结,Si,3,N,4,高。,4,、铬刚玉陶瓷,在,Al,2,O,3,95,瓷坯料中引入,0.52%,的,Cr,2,O,3,，,经,17001750,高温焙烧而成。（密度,3.463.47,，硬度,HRA8487,）,耐温度急变性能好。（用,48/3556,的环，在,20400,范围内进行,25,次冷循环处理后，用,10,倍显微镜观察未发现裂纹），硬度高，摩擦系数小，化学稳定性好，与填充玻纤,PTFE,组对，用于耐腐蚀机械密封，效果极好。,2024/9/10,92,5,、碳化硼,B,4,C,陶瓷,化学稳定性好，硬度,HRA9496,，,仅次于金刚石，耐磨性能极为优良。主要用于处理高浓度、磨蚀性介质作摩擦副组对材料，特别适用于泥沙介质。,缺点：加工困难（需热压成型工艺），成本高，热抗震性也不太好。,6,、喷涂陶瓷,用等离子技术在密封环端面或轴套表面喷上一层耐磨耐蚀涂层，一般为,Cr,2,O,3,涂层，厚,0.30.5,mm,。,硬度高、耐磨、耐蚀，但涂层内部有,410%,的气孔，还需进行树脂封孔处理（国外用先进的重熔技术进行封孔）。,2024/9/10,93,其组对多为硬度低于,70,HS,的石墨，其使用的,PV,值较,低，使用温度,200,，广泛用于醋酸等介质。从日本进,口的机械密封约有,1/3,采用这种组对。,Al,2,O,3,也可作喷涂材料性能与,Cr,2,O,3,相差不大。,2024/9/10,94,在密封环表面堆焊一层硬质合金，以提高耐磨性、耐蚀性，且价格较低。国外命名为,Stellite,（,司太立特），常用堆焊材料如下：,（,1,）铬基,1,号电焊条,TDCrC-1 HRC48-54,良好的耐汽蚀、耐 腐蚀性。,气焊丝,SDCr-1 HRC48-54,良好的耐汽蚀、耐腐蚀性。,（,2,）钴基,1,号电焊条,TDCoCr-1 HRC40-45,耐酸性好,气焊丝,SDCoCr-1 HRC40-45,耐酸性好,（,3,）钴基,2,号电焊条,TDCoCr-2 HRC4448,耐高温，在高温下保持高硬度,气焊丝,SDCoCr-2 HRC46-50,耐高温，在高温下保持高硬度,（七）表面堆焊硬质合金,2024/9/10,95,以上堆焊虽具有一定的耐蚀性，但不耐强酸、热碱的腐,蚀。硬度不算高且不均匀，抗热裂能力较差，且堆焊工艺要,求较高，不宜用于带颗粒介质的密封和高速机械密封，在泵,用机械密封中已很少采用，但在,PV,值不高的釜用机械密封中,仍然占有重要地位。,2024/9/10,96,1、,铸铁类,（,1,）普通灰口铸铁（,HT200,、,HT250,）：,耐磨性、导热性优于堆焊硬质合金；耐蚀性差，只能用于中性介质和,PV,值不高的场合。,（,2,）球墨铸铁（,QT600-3,、,QT700-2,：）,耐磨性、导热性优于堆焊硬质合金；耐蚀性差，只能用于中性介质和,PV,值不高的场合。,（,3,）高硅耐蚀铸铁：表面有,SiO,2,保护膜，是优良耐酸材料。耐各种浓度,H,2,SO,4,、,HNO,3,、,有机酸、酸性盐，不耐强碱、盐酸、氢氟酸、,FeCl,3,热溶液。,（,4,）高镍铸铁,Ni-Resist,：（,同上）,（八）作摩擦副的金属材料,2024/9/10,97,1、,合金钢（用于弱腐蚀介质）,（,1,）,3,Cr13,、,4Cr13,、,9Cr18,（,2,）,高速工具钢、轴承钢,2、,铜合金,青铜,SQSn6-6-3,、,SQSn10-1,：,具有良好的导热性、耐,磨性、加工性、对硬质材料的相溶性，但质软，耐腐蚀,性差。适用于油、盐类、醇、脂肪酸、海水中介质。不,适用于乙烯、芳烃等介质。,2024/9/10,98,1、,聚四氟乙烯特点（用作辅助密封圈）,（,1,）耐腐蚀性好，几乎能耐所有的强酸、强碱、强氧化 剂的腐蚀。目前发现的只有熔融碱金属（或它的氨溶液）、元素氟及,ClF,3,在高温下与它要起反应。,（,2,）使用温度范围广（,180260,），耐水性、耐老化性、不燃性、韧性及加工性都很好。,（,3,）它是一种极好的减磨、自润滑材料（其分子结构决定了表面分子易滚动和滑动，与其他材料对磨时，分子首先向对磨材料转移，形成,0.020.03,m,的薄膜），摩擦系数低,0.040.12,。,（4）具有奇特的冷流行：即在负荷作用下，发生蠕变。,（5）线膨胀系数大5015010,6,/（20015）,（九）填充聚四氟乙烯,2024/9/10,99,150530,10,6,/,（,1530,）,120590,10,6,/,（,30300,）,（,6,）导热系数小（,0.244,w/m.k,），,与金属相差,300,多倍。,填充聚四氟乙烯的组对,特点,填,20%,玻纤,PTFE/,铬刚玉陶瓷,在稀硫酸中运用最佳,填,20%,玻纤,PTFE/Si,3,N,4,Si,3,N,4,磨损大,填,20%,碳纤维,PTFE/,多种陶瓷,搪瓷釜,212,机封首选材料,填,15%,玻纤、,5%,碳,PTFE/Al,2,O,3,强腐蚀介质,填,15%,聚苯、,3%,碳,PTFE/Al,2,O,3,氯气泵,填,15%,Ti,白粉、,5%,玻纤,PTFE/SiC,硫酸、硝酸介质,填玻纤可运用于医药、食品机械,2024/9/10,100,2,、填充聚四氟乙烯（用作摩擦副）,为了克服聚四氟乙烯的不足，往往在其间加入各种,添加剂，以改善其性能。常常加入,1020%,的石墨、玻纤、,青铜粉、,SiO,2,、,MoS,2,等，可改善导热性，减小线胀系数，,其它性能也得到改善，但耐蚀性略有下降。,2024/9/10,101,1,、良好的弹性，硬度合适且压缩永久变形小。,2,、耐高低温的老化性能好。,3,、耐介质腐蚀、溶解、熔胀、溶缩、硬化。,4,、较小的摩擦系数，耐磨耗，有一定的抗撕裂强度。,5,、来源方便，成本低廉。,（十）辅助密封圈材料要求,2024/9/10,102,1,、丁腈橡胶（,NBR,）（,40120,）,它是丁二烯和丙烯腈的共聚物。常用的丙烯腈含量为,40%,（丁腈,40,），耐油，抗老化性良好，并且又耐热、耐磨、耐一定腐蚀。广泛用于接触汽油及其他油类设备，也耐碱、非氧化性稀酸，不耐氧化性酸（如硝酸、铬酸）、芳烃、酯、酮、醚、卤代烃等。炼油厂凝缩油中由于含有芳烃等介质，故不适用。低温下也不宜采用。,2,、氟橡胶（,FPM,）（,20250,）,它是含氟的高聚合物，目前由三个品种：,FPM2301,（,23,11,）：,具有优异的耐强酸性能。,FPM2602,（,26,41,）：,耐热性能、耐溶剂性能优于,FPM2301,，,但工艺性能较差。,（十一）合成橡胶,2024/9/10,103,FPM2461,（,246,）：,耐热、耐溶剂性能比,FPM2602,还要好。,目前一般都用,FPM2602,，,可以在,250,以下长期使用，,300,以下短期使用。耐蚀性是橡胶中最好的，但低温性能,差，价格贵。不宜在酮类