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机械密封及密封的相关知识 一 机械密封及密封的相关知识1常用的密封形式1 填料密封2 软填料密封3 机械密封4 螺旋密封5 迷宫密封6 浮动环密封 2机泵常用的密封形式泵是各领域使用最广泛的通用机械之一 其品种 规格繁多 绝大多数类型的泵 磁传动泵 屏蔽泵除外 存在一个基本的共性问题 泄漏 壳体 法兰 泄漏属于静密封问题 容易解决 长期以来 人们主要致力于研究解决泵的轴封泄漏问题 3 填料密封主要用于机械行业中的过程机器和设备运动部分等动密封 比如离心泵 压缩机 真空泵 搅拌机 反应釜的转轴密封和往复泵 往复式压缩机的柱塞或活塞杆 以及做螺旋运动阀门的阀杆与固定机体之间的密封填料密封原理填料装入填料腔以后 经压盖对它作轴向压缩 当轴与填料有相对运动时 由于填料的塑性 使它产生径向力 并与轴紧密接触 与此同时 填料中浸渍的润滑剂被挤出 在接触面之间形成油膜 由于接触状态并不是特别均匀的 接触部位便出现 边界润滑 状态 称为 轴承效应 而未接触的凹部形成小油槽 有较厚的油膜 接触部位与非接触部位组成一道不规则的迷宫 起阻止液流泄漏的作用 此称 迷宫效应 这就是填料密封的机理 显然 良好的密封在于维持 轴承效应 和 迷宫效应 也就是说 要保持良好的润滑和适当的压紧 若润滑不良 或压得过紧都会使油膜中断 造成填料与轴之间出现干摩擦 最后导致烧轴和出现严重磨损 填料密封材料特性 有一定的塑性 在压紧力作用下能产生一定的径向力并紧密与轴接触 有足够的化学稳定性 不污染介质 填料不被介质泡胀 填料中的浸渍剂不被介质溶解 填料本身不腐蚀密封面 自润滑性能良好 耐磨 摩擦系数小 轴存在少量偏心的 填料应有足够的浮动弹性 制造简单 装填方便 4 机械密封机械密封又称端面密封 MechanicalSeal 是旋转轴用动密封 机械密封性能可靠 泄露量小 使用寿命长 功耗低 毋须经常维修 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 含固体颗粒介质等苛刻工况的密封要求 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 密封是怎么样工作的 将两密封面分离开 润滑两相对运动的密封面 减小密封面间的摩擦系数 发热量 防止介质泄露到大气中去 密封面研磨得非常平 1到2条光带 密封面形成非常细的液膜 3到5微米 起到下面所叙的作用 动 静环和弹簧 静密封 一条光带 0 294 m 用于输送气体或液体的旋转设备 泵 压缩机 搅拌釜 离心机 减速箱 汽轮机 机械密封应用范围 蒸汽透平机 船艉轴 5 机械密封与软填料密封比较如下 优点 1 密封可靠 在长期运转中密封状态很稳定 泄露量很小 其泄露约为软填料密封的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 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 对旋转轴的振动以及轴对密封腔的偏斜不敏感 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 以及各种腐蚀介质和含磨粒介质的密封 缺点 1 较复杂 对加工要求高 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 机械密封与填料密封的优缺点 机械密封与填料密封的优缺点 完全集装式机械密封对安装要求不高 现场维修也比较容易 完全集装式机械密封对安装要求不高 现场维修也比较容易 6 机械密封的基本零件 典型的机械密封示意图 密封面 7 机械密封的分类 1 机械密封的分类方法很多 按应用的主机分类 大致可以分为泵用机械密封 釜用机械密封 透平压缩机用机械密封 低温制冷机用机械密封等 按机械密封的作用原理和结构分类 1 按密封端面组合分类可分为单端面 双端面 多端面机械密封 其中双端面有轴向双端面和径向双端面两种 2 按密封端面接触与否分类可分为接触式 非接触式机械密封 其中非接触式机械密封又分为流体动压式和流体静压式两种 3 按密封端面承受载荷分类可分为非平衡型 部分平衡型 过平衡型机械密封 机械密封的分类 2 4 按密封是否装在腔体内侧或外侧可分为内装式和外装式机械密封 5 按弹性元件分类可分为单弹簧 多弹簧 金属波纹管机械密封 6 按密封流体在密封端面的流向可分为内流式 外流式机械密封 7 按补偿环是否随轴旋转可分为旋转式 非旋转式机械密封 8 按波纹管材料分类可分为金属波纹管 橡胶波纹管 聚四氟乙烯波纹管机械密封 9 按密封补偿力分类可分为弹性元件和磁性元件机械密封 还有按使用工况 参数分类等等 单端面密封 双端面密封 内装式 外装式 弹簧旋转式 弹簧静止式 内流式 外流式 非平衡型 平衡型 单弹簧 多弹簧 流体静压式 流体动压式 8 常用的机械密封结构型式 目前 国内泵用机械密封主要有两大类 一类是我国自主开发的JB1472标准系列的泵用机械密封 如非平衡型 103 104 105 GX等系列 平衡型 109 110 111 GY等系列 耐酸泵用152 153 154系列机械密封 DBM金属波纹管系列等等 另一类是以引进的 符合ISO3069标准 59U 59B H7N M7N AB等系列机械密封 另外 外装式机械密封主要有WB2 152等系列耐酸泵用机械密封 金属波纹管机械密封主要以丹东克隆为代表DBM系列和以西安永华引进的Sealol公司的600系列金属波纹管机械密封 我国在推行ISO标准过程中 各生产厂家也相继开发了一些符合ISO3069标准 国内标准号GB T6556 的机械密封系列 104型机械密封 8B型机械密封 常用的机械密封基本参数 双层波片工作压力可达到7 0MPa 9 机械密封环常用的材料 碳化硅 SiC 碳化硅属于工程陶瓷 在我国是近十几年发展起来的新型材料 由于其超强的硬度 极好的耐磨性能 导热性能和良好的耐腐蚀性能以及具有一定的自润滑性能 发展迅速 在相当场合 已经取代了硬质合金 氧化铝陶瓷 氮化硅等硬质材料 与碳化硅配对的常用材料主要有碳石墨 硬质合金 碳化硅 填充聚四氟乙烯等 碳化硅主要有三种类型 a 热压烧结碳化硅 b 无压烧结碳化硅 c 反应烧结碳化硅 机械密封环常用的材料 硬质合金 WC 硬质合金作为硬密封环应用极为广泛 常与碳石墨 碳化硅 硬质合金相配对 组成密封摩擦副 密封环常用硬质合金材料主要有钴基硬质合金 如YG6 YG8 和镍基硬质合金 如W7 YN10等 钴基硬质合金与镍基硬质合金相比 硬度要高一些 但是镍基硬质合金的耐腐蚀性能则要好一些 机械密封环常用的材料 碳石墨碳石墨具有良好的自润滑性能 耐腐蚀性能 摩擦系数低 导热性能好 是机械密封端面摩擦副理想的材料之一 应用广泛 常用的碳石墨主要有浸渍树脂碳石墨和浸渍金属碳石墨两类 国外有免浸渍的碳石墨材料 机械密封环常用的材料 氧化铝陶瓷 Al2O3 目前 国内使用的氧化铝陶瓷大致有99瓷和95瓷两种 99瓷纯度高 耐腐蚀性能好 主要用于耐酸泵外装式机械密封 如WB2 152型等 95瓷耐腐蚀性能较差 但制造成本极低 可以大批量生产 主要用于农用泵 汽车冷却泵等轻型机械密封 10 泵性能和结构导致密封失效的原因分析 11 机械密封的选型 据国内的统计资料和国外的资料介绍 在早期失效 寿命极短 的机械密封中 有25 30 是因为安装问题 30 以上的原因是选型 用材 不当造成的 机械密封的选型非常重要 机械密封的选型主要考虑以下几个方面 1 密封的工作参数 如工作压力 介质温度 工作转速 2 密封的介质性质 如介质粘度 润滑性 挥发性 腐蚀性等 3 密封安装空间 如轴向尺寸 径向尺寸 内装 外装等 4 密封的工作条件 如有无冲洗等条件 机械密封的选型 机械密封的选型步骤大致是 1 根据工作压力确定采用平衡型还是非平衡型结构 2 根据密封介质的性质 如易燃 易爆 有毒 贵重等确定选用双端面还是单端面机械密封 3 根据工作转速确定采用补偿环旋转式还是非旋转式 4 根据现场使用条件确定是否需要或选用哪种密封辅助系统 5 根据介质的腐蚀性等确定机械密封使用的材料 11 泵用机械密封的发展趋势 近些年来 在机械密封领域的研究主要主要集中在两个方面 高参数密封高参数密封一直是密封行业的发展方向 如干气密封 超大直径密封 超高压密封等等 主要是随着石化产品的进一步深加工 装置参数越来越高 原子能行业单机功率越来越大 研究这类密封一方面是拓宽机械密封的应用领域 另一方面也是满足这些行业的需要 研究如何提高机械密封的工作可靠性和延长机械密封的使用寿命 集装式机械密封 集装式机械密封就是研究提高机械密封可靠性的产物 所谓集装式机械密封就是通过密封自带轴套和端盖将单 双 端面机械密封组合在一起 为整体安装形式 如图所示 集装式机械密封与普通机械密封的优缺点 集装式机械密封是目前国际上正在大力推广的机械密封结构形式 主要是集装式机械密封的优点非常明显 在美国石油学会API682标准中明确规定必须 只能 使用集装式机械密封 并且建议尽量使用双端面集装式机械密封 集装式机械密封 密封辅助系统 强化密封辅助系统的作用和功能 API标准中 在很多场合 强调合理使用密封辅助系统 改善密封的工作环境 可以极大地延长机械密封的使用寿命 提高机械密封的可靠性 有很多密封辅助系统还带有报警 保护等装置 在一些危险 关键工位 多使用二次应急密封 干气密封干气密封于1979年由JONHCRANE 约翰克兰 公司研制成功 时至今日 干气密封技术在离心式压缩机等高速流体机械上已获得了广泛应用 干气密封在结构上与普通机械密封相比 干气密封的旋转环与静止环密封端面较宽 在旋转环或静止环端面上加工出特殊形状的流体动压槽 如螺旋槽 圆弧槽 T形槽等 槽深一般在10 9m数量级 具有动压槽的环通常采用SiC为材料 不具动压槽的环采用C石墨作为材料 干气密封的原理 螺旋槽干气密封说明干气密封的运行原理 当旋转环高速旋转时 旋转环或静止环端面上的螺旋槽将外径处的高压气体向下泵入密封端面间 气体由外径向中心流动 而密封坝节制气体流向中心 于是气体被压缩引起压力升高 在槽根处形成高压区 端面气膜压力形成开启力 在密封稳定运转时 开启力与由作用在补偿环背面的气体压力和弹簧力形成的闭合力平衡 密封保持非接触 无磨损运转 如果出现某些扰动因素使密封间隙减小 此时由螺旋槽产生的气膜压力将增大 引起开启力增大 而闭合力不变 密封间隙将增大 直到恢复平衡为止 反之 如果出现某些扰动因素使密封间隙增大 此时由螺旋槽产生的气膜压力将减小 引起开启力减小 而闭合力不变 密封间隙将减小 密封将很快再次恢复平衡 干气密封的这种抵抗气膜间隙变化的能力称之为气膜刚度 泵用 干气 密封 泵用 干气 密封 流体动压机械密封 流体动压机械密封的原理上世纪70年代 为了解决锅炉给水泵等高压泵用机械密封问题 E Mayer博士在密封环端面上开有不同形状的槽 形成流体动压效应 解决高压流体密封问题 流体动压机械密封 流体动压机械密封的原理与 干气 密封的原理基本相同 都是利用密封端面不同形状的槽产生流体动压效应 使密封面基本脱离接触 由于流体动压密封液膜相对较厚 因此 泄漏量也相对较大 但是 设计好的流体动压机械密封承受介质压力相比接触式机械密封要大的多 单级密封可以承受25MPa以上 流体动压机械密封 由于流体动压机械密封端面沟槽较深 产生的液膜较厚 泄漏量也相对较大 近来 利用 干气 密封的浅槽原理 英国Crane公司开发的 Laserface 密封利用比 干气 密封的沟槽还要浅的沟槽产生液体动压膜 形成似接触非接触的状态 达到承压能力强 泄漏量极小的密封效果 机械密封生产许可证 在石油化工 原子能 农药等工业生产中 机械密封经常用于输送易燃 易爆 剧毒等高度危险性介质 这些介质一旦泄漏 将危及到工厂的正常生产 环境污染 设备安全甚至人身安全 因此 国家对机械密封件实行生产许可证制度 第一批企业于2004年获得生产许可证 截止到本月 国内 包括在中国生产的外资企业 已有110余家企业获得生产许可证 我国已经颁布了 生产许可证法 机械密封产品的申证单元 范围 二 机械密封的安装1 非集装式机械密封的安装 泵的检查泵 轴承箱 泵的解体 泵壳 叶轮 泵 泵后盖 对泵进行检查 轴的径向跳动检查轴的径向跳动 见密封安装精度 检查泵轴的同心度 见密封安装精度 检查轴的挠度 轴承径向间隙 检查泵 轴套检查轴套的尺寸精度检查轴套的形位公差检查轴套的表面粗糙度 轴套 检查泵 轴窜检查泵轴的窜动 轴承间隙及装配精度 注意前后推动轴时 不要用力太大 检查泵 检查泵联接端面的径向跳动端面跳动允差0 05mm端面跳动过大会引起密封端面与轴不垂直 降低密封性能 非集装式密封安装 非集装式密封的安装 非集装式密封的安装 将轴套套到轴上注意 如果轴套由叶轮来定位 叶轮必须安装到位且锁紧 非集装式密封安装 将密封腔安装到位 注意用螺栓拧紧 非集装式密封安装 安装并拧紧叶轮确保泵后盖与叶轮间隙适宜 非集装式密封安装 沿密封腔端面在轴套的相应位置上划线 不要伤轴套 该线是密封安装的指示线 非集装式密封安装 将泵解体注意不要擦去轴套上划的指示线 非集装式密封安装 认真阅读密封的装配图或密封样本 安装尺寸 非集装式密封的安装 2 062 1 750 非集装式密封的安装 根据密封装配图或安装尺寸及密封腔端面与轴套的相对位置关系 轴套上的线 在轴套上划出密封尾部的位置 再划一条线 将密封尾部与第二条刻痕线对齐 稍拧紧顶丝 不要用力过大 因为用力过大会使轴套变形 非集装式密封安装 非集装式密封安装 将装有密封静环的端盖安装到轴上 非集装式密封安装 将轴套装在轴上小心抬起端盖 使轴套穿过密封静环内孔安装所有的键或驱动螺钉将密封上的顶丝用合适的力矩拧紧 非集装式密封的安装 将泵腔体放在轴承支架上小心不要碰到密封小心地用螺钉将密封腔与轴承支架拧紧 非集装式密封安装 将叶轮装到轴上 锁紧叶轮 非集装式密封安装 抬起密封端盖并穿上双头螺柱或螺栓将密封端盖纫入密封腔子口并与密封腔端面贴合均匀拧紧螺母 用塞尺测量 确保两端面依照图纸要求贴合无间隙 非集装式密封安装 将泵回装至泵体中 用螺钉拧紧到位 联接泵管线和密封辅助系统管路 2 集装式密封的安装 拆泵 了解泵的结构认真阅读密封装配图 密封 密封 集装式密封的安装 先安装轴套 原泵若没有轴套转下序 2 集装式密封的安装 将密封安装在轴或轴套上不要将集装式密封锁紧在轴或轴套上 集装式密封的安装 安装泵后盖 密封腔 将集装式密封与密封腔定位 密封腔不要碰撞密封头 集装式密封的安装 用螺栓将密封端盖和泵后盖 密封腔 拧紧 集装式密封的安装 安装叶轮 锁紧叶轮 进行各方位的调整来保证叶轮和泵的间隙 集装式密封的安装 拧紧顶丝 或螺钉 使密封的驱动环锁紧在泵轴或轴套上 除去定位片 集装式密封的安装 将泵壳安装到位 拧紧螺栓 检查泵是否泄漏