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现代密封技术应用

——使用、维修方法与案例（十二）

第三章 机械密封的使用维修

3.1 机械密封技术概述

机械端面密封是一种应用广泛的旋转轴密封，简称机械密封，又称端面密封。进几十年来，机械密封技术有了很大的发展，在石油、化工、轻工、冶金、机械、航空和原子能等工业中获得了广泛的应用。工业发达国家旋转机械密封装置90%以上采用机械密封。近年来机械密封发展很快，已称为流体密封技术中极其重要的动密封形式。

3.1.1机械密封的基本结构、作用原理和特点

机械密封定义为：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（或磁体）的作用，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。

1. 基本结构与作用原理

机械密封一般主要由四大部分组成：①由静止环（静环）和旋转环（动环）组成的一对密封端面，该密封端面有时也称为摩擦副，是机械密封的核心；②以弹性元件（或磁性元件）为主的补偿缓冲机构；③辅助密封结构；④使动环和轴一起旋转的传动机构。

机械密封的结构多种多样，机械密封安装在旋转轴上，密封腔内有紧定螺钉、弹簧座、弹簧、动环辅助密封圈、动环，他们随轴一起旋转；机械密封的其它零件，包括静环、静环辅助密封圈和防转销安装在端盖内，端盖与密封腔体用螺栓连接。轴通过紧定螺钉、弹簧座、弹簧带动动环旋转，而静环由于防转销的作用而静止与端盖内。动环在弹簧力和介质压力的作用下，与静环的端面紧密贴合，并发生相对滑动，阻止了介质沿端面间的径向泄漏，构成了机械密封的主密封。摩擦副磨损后，在弹簧和密封流体压力的推动下实现补偿，始终保持两密封端面的紧密接触。懂、静环中具有轴向补偿能力的称为补偿环，不具有轴向补偿能力的称为非补偿环。动环辅助密封圈阻止了介质可能沿动环与轴之间间隙的泄漏；而静环辅助密封圈阻止了介质可能沿静环与端盖之间间隙的泄漏。工作时，辅助密封圈无明显相对运动，基本上属于静密封。端盖与密封腔连接处的泄漏点为静密封，常用O型圈或垫片来密封。

从结构上看，机械密封主要是将极易泄漏的轴向密封改为不易泄漏的端面密封。由动环端面与静环端面相互贴合而构成的动密封，是决定机械密封性能和寿命的关键。据统计，机械密封的泄漏大约80%～95%是由于密封端面摩擦副造成的。因此，对动环和静环的接触端面要求很高。我国机械行业标准JB/T 4127.1—1999《机械密封技术条件》中规定：密封端面平面度不大于0.0009mm；金属材料密封端面表面粗糙度R_a值应不大于0.2μm，非金属材料密封端面表面粗糙度R_a值应不大于0.4μm。

2. 主要特点

机械密封与其它形式密封相比，具有以下特点：

1）密封性好。在长期运转中密封状态很稳定，泄漏量很小，据统计约为软填料密封泄漏量的1%以下。

2）使用寿命长。机械密封端面由自润滑性及耐磨性较好的材料组成，还具有磨损补偿机构。因此，密封端面的磨损量在正常工作条件下很小，一般的可连续使用1～2年，特殊的可用到5～10年以上。

3）运转中不用调整。由于机械密封靠弹簧力和流体压力使摩擦副贴合，在运转中及时摩擦副磨损后，密封端面也始终自动地保持贴合。因此，正确安装后，就不需要经常调整，使用方便，适合连续化、自动化生产。

4）功率损耗小。由于机械密封的端面接触面积小，摩擦功率损耗小，一般仅为填料密封的20%～30%。

5）轴或轴套表面不易磨损。由于机械密封与轴或轴套的接触部位几乎没有相对运动，因此对轴或轴套的磨损较小。

6）耐振性强。机械密封由于具有缓冲功能，因此当设备或转轴在一定范围内振动时，扔能保持良好的密封性能。

7）密封参数高，使用范围广。当合理选择摩擦副材料及结构，加上设置适当的冲洗冷却等辅助系统的情况下，机械密封可广泛使用于各种工况，尤其是在高温、低温、强腐蚀、高速等恶劣工况下更显示出其优越性。目前机械密封技术参数可达到如下水平：轴径5～1000mm；使用压力10^-6～42MPa；使用温度-200～1000℃；机器转速可达50000r/min；密封流体压力p与密封端面平均线速度v的乘积pv值可达1000MPa·m/s。

8）结构简单、拆装不便。与其它密封比较，机械密封的零件数目多，要求精密、机构复杂，特别是在装配方面较困难，拆装时要从轴端面抽出密封环，必须把机器部分（联轴器）拆卸或全部拆卸，要求工人有一定的技术水平。这一问题目前已做了某些改进，例如采用拆装方便并可保证装配质量的剖分式和集装式机械密封等。

一些流体具有腐蚀性、可燃性、易爆性及毒性，一旦密封失效，介质泄漏，不仅污染环境，影响人体健康和产品质量，而且还可能导致火灾、爆炸和人身伤亡等重大事故。因此，机械密封是流体机械和动力机械中不可缺少的要素，它对整台机器设备、整套装置，甚至整个工厂的安全生产影响都很大，对设备可靠运转、装置连续生产具有重大意义。

3.1.2机械密封的分类

机械密封可按不同的分类方法进行分类。

1. 按应用的主机分类

按使用密封的工作主机分为：泵用机械密封、釜用机械密封、透平压缩机用机械密封、风机用机械密封、潜水电动机用机械密封、冷却机用机械密封以及其他主机用机械密封。

2. 按使用工况和参数分类

机械密封可按不同的使用工况和参数分类，见表4-1。

表4-1 机械密封按使用工况和参数分类

3. 按参数和轴径分类

按参数和轴径分为重型机械密封、中型机械密封和轻型机械密封。

1）重型机械密封。通常指满足下列参数和轴径之一的机械密封：密封腔压力大于3MPa；密封腔温度小于-20℃或大于150℃；密封端面平均线速度不小于25m/s；密封轴径小于120mm。

2）轻型机械密封。通常指满足下列参数和轴径的机械密封：密封腔压力小于0.5MPa；密封腔温度大于0℃、小于80℃；密封端面平均线速度小于10m/s；密封轴径不大于40mm。

3）中型机械密封。通常指不满足重型和轻型机械密封参数的其他机械密封。

4. 按作用原理和结构分类

机械密封按作用原理和结构不同，有以下几种分类方法：

1）单端面、双端面和多端面机械密封。由一对密封端面组成的为单端面机械密封；由两对密封端面组成的为双端面机械密封；由两对以上密封端面组成的为多端面机械密封。

2）内装式和外装式密封。

3）平衡型和非平衡型密封。

4）单（大）弹簧与多（小）弹簧密封。

5）静止式和旋转式密封。

6）内流型和外流型密封。

不同的场合对机械密封的结构要求是不同的。例如某型尿素泵的机械密封为内装单端面大弹簧平衡型，特点是结构简单，易于制造，安装方便，可用于腐蚀性介质和介质粘度较大，以及介质中含有固体颗粒的场合。这种密封在化工厂应用最为广泛，一般在压力不是很高、介质危险程度不高的情况下使用。冲洗液根据不同情况可选用外部冲洗和自冲洗两种。

在一些高压力、高转速、高温等运行条件下，高参数机械密封提现了它独特的有时。例如某厂使用的HPM3000型高速离心泵，该泵出口压力为16.5MPa，转速1400r/min。为适应这种苛刻条件，机械密封被设计成单端面、多弹簧、静止式、内流型。这种设计的优点是弹簧被放置在静环一侧，可以不受离心力的影响，适合于高速运转场合；同时内流型设计使介质泄漏方向与离心力方向相反，适用于高压力的情况；该泵为两级，其中二级机械密封采用两列相同的机械密封串联，各分担50%的密封压力。由于以上措施的采用，该型泵的机械密封一直运行叫平稳。

随着密封技术的不断发展，机械密封的应用场合也越来越广，所达到的效果越来越好。近年来出现了许多新型技术。例如：密封面开槽的表面改形密封技术、控制平衡比技术、多端面密封技术、弹簧伸缩的波纹管密封技术等。

对于一些毒性强或易燃、易爆的介质，在生产中要严格控制其泄漏量。以某氨厂氨泵为例，该泵为两级机械密封串联，其一级为波纹管密封结构，弹性体为316L不锈钢焊接结构，端面镶嵌石墨作为动环；二级为BW气体机械密封，该气体机械密封利用密封面改形技术，在动环密封面上刻深槽，在平面外缘形成16个锥形体。其工作原理是：由于热变形引起的波浪面形成了锥形块轴承，则更多的流体可以进入锥形块前缘，而由于出口区域较小，离开后援的流体要少，玉石在旋转面和静止面之间形成能使其两者分开的流体压力，这样就达到了密封的目的；动环和静环在桶外部轴承的连接间有足够深的环形槽，以便能有效地隔开密封部位和轴承，而不受温度变化的影响；同时由于抽吸而出现的气体循环，会更有效地冷却机械密封。该密封的第一级用本身介质（液氨）冲洗密封；第二级用第一级泄漏的氨汽化的气体来进行冷却密封，利用BW气封特殊的结构吧气导到泵体外，通过孔板引至安全的地方或回收。由于这种密封的应用，使该泵实现了操作现场的零逸出，大大改善了操作环境；同时由于这种密封非常适用于氨这种汽化的介质，因此该泵机械密封的维修频率远低于其他泵。

3.1.3   机械密封的材料

机械密封依靠密封副超微的高精度密封端面组合和相互滑动摩擦，形成密封面。要确保和维持密封面的精度，在很大程度上依赖于构成密封面材料的特性。一般机械密封的摩擦副是由软硬两种材料构成。

1. 密封面硬材料

在实际应用中，密封面硬材料有以下四种：

1）金属材料，如铸铁和模具钢、轴承钢管。这类材料通常用于低负荷、油类液体，已很少使用。

2）工程陶瓷，如氧化铝（Al₂O₃）整体和氧化铬（Cr₂O₃）覆层。这类材料在中等负荷、有腐蚀性的密封液、海水等密封中使用较多。它的硬度高，耐腐蚀性好，但是耐热冲击能力很低。工业陶瓷在机械密封中使用逐渐被高性能的碳化硅所代替，例如某些酸泵就使用了碳化硅材料作为密封面，收到了良好的效果。

3）硬质合金一直是机械密封中常用的密封面硬材料，因为其韧性和刚性特别大，而且耐腐蚀性很好，所以现代企业大多数机械密封选用硬质合金作为密封材料。

4）新型陶瓷，如碳化硅（SiC）和氮化硅（Si₃N₄）等。碳化硅的硬度接近金刚石，具有突出的耐腐蚀性，除高温下熔融强碱和强氧化气体外，对全浓度硫酸和沸点接近的苛性碱也具有稳定的耐腐蚀性，特别是在很大的温度范围内能保持耐腐蚀性和耐磨性。

2. 密封面软材料

密封面软材料中应用最普遍的是石墨，因为它本身具有良好的自润滑性、化学惰性且成本较低。一般为了改善它的性能，在制造过程中对石墨浸渍热固性树脂（如酚醛树脂）或金属（如锑、铜、铅或巴氏合金），以适应不同场合的需要。

3. 辅助密封

辅助密封包括动、静环的密封圈，大都做成O形圈、V形圈、矩形圈、楔形圈或梯形圈。辅助密封圈的材料主要有弹性体（如橡胶）、塑料（如四氟乙烯）、纤维（如石棉、碳纤维）、无机材料（如膨胀石墨）和金属。辅助密封圈材料的性能要求与密封面材料有关，同时也和介质的化学性质有直接的关系。

（1）合成橡胶   橡胶辅助密封圈是使用最广的一种辅助密封圈。常用的橡胶密封圈材料有丁睛橡胶、氟橡胶、硅橡胶、氯丁橡胶等。

1）丁睛橡胶。丁睛对矿物油、动植物油脂、脂肪烃有优良的耐蚀性，它能耐碱和非氧化性稀酸腐蚀，不耐氧化性酸（如硝酸、铬酸）、芳烃、脂、酮、醚、卤化烃等腐蚀。

2）氟橡胶。它具有耐高温、耐油、耐化学腐蚀等优点。一些热油泵等部位有这种橡胶作为辅助密封。

3）硅橡胶。它的耐高温性和耐低温性都很好，安全使用温度范围为-70～20℃，在一些氨泵等低温部位和锅炉循环泵等高温部位均有使用。

合成橡胶虽然在机械密封中的使用非常广泛，但它最显著的缺点就是在某些有机溶剂中或强腐蚀性介质中，易发生溶胀、裂解等现象。进而影响其使用。往往因为选用不当，这些辅助密封圈成为机械密封不能厂周期使用的主要矛盾。例如PDM3000型告诉离心泵在尿素装置使用时，因静环中的橡胶O形圈不耐介质腐蚀，经常发生肿胀，从而造成静环卡死，失去浮动性，造成机械密封泄漏，或时间一长动静环严重磨损引起严重泄漏。

（2）聚四氟乙烯   聚四氟乙烯的耐化学腐蚀性能非常优良，几乎能耐所有介质在常温下的腐蚀，有较大的使用温度范围（-150～200℃），具有极低的摩擦因数和自润滑性。这些都是机械密封辅助密封圈十分有益的性能；但作为机械密封的辅助密封，它最大的缺点是膨胀系数高、弹性差。因此在使用过程中，人们常将聚四氟乙烯做成V形环、C形环等形状，以利用这种材料的优点，克服其缺点。例如尿素装置中的高速离心泵静环卡死问题的解决办法，就是将四氟乙烯做成C形环，内部用316L不锈钢薄皮做成弹簧骨架，起支撑和保持弹性的作用。用这样一个C形圈代替橡胶圈，完全避免了溶胀等问题，大大延长了机械密封的使用寿命。

机械密封的使用越来越广泛，随着新工艺、新材料的不断出现，在很多苛刻条件下，机械密封都得到了很好的应用，不管是结构形式，还是材料材质，正确选择尤为重要。

3.1.4第三代集装式机械密封

第三代集装式机械密封是把动环、静环、弹簧、辅助密封圈、轴套、压盖静密封垫圈等七个主要零件组合成一起的一个集合体，可称集装式机械密封（Cartridge Seal），有时也称卡式密封。

集装式机械密封因已组装成一个集合体，因此在机体上安装更加方便，快捷，密封可靠，深受国内外用户的欢迎，是国内今后机械密封发展的方向。

集装式机械密封一般都是平衡型机械密封，其结构特点是全部零件组合为一体，弹簧不与物料接触，平衡型、内流、定位块可以调节弹簧压缩量。考虑到当动/静环磨损时可以更容易补偿，设计有动环密封圈。

轴套和压盖是集装式机械密封不可缺少的零件，通过它们可以把所有机械密封零件组合在一起。压盖又可与机体相连，当物料温度过高或过低，需要冲洗时，压盖可以加工成有冲洗孔，以满足工艺需要。

紧定螺钉也是很重要的，它是克服动、静环摩擦力的主要零件。AIG318的紧定螺钉头部刻有螺旋槽，可以防止螺钉与轴打滑、松动。318i为腰形静环压盖，压盖螺栓有两个。原用密封盘根密封，且无需改动原设备。机械密封需要冲洗时，可选用318A带有冲洗孔的压盖，有四个压盖螺栓，并符合API的标准要求。

集装式机械密封在密封生产厂清洁的环境下组装，熟练和正确的组合可保证组装质量；合理的弹簧压缩量和橡胶O形圈的变形量，可以保证密封的可靠性；出厂前进行整体的气密性试验，更加保证了密封的可靠性。

带有滚动轴承的集装式机械密封，轴承的安置可有效地控制轴的径向圆跳动和窜动，也为机械密封提供了良好的工作环境，使机械密封平稳可靠运行。

318B机械密封的结构特点：为便于装拆轴承，增设了轴承套，由孔用卡环，限位轴承外环，内座由固定环定位，压盖内开有注油孔，并装有油封圈，可定期注入油脂、润滑轴承。

318S单弹簧集装式机械密封结构，它与多弹簧结构机械密封相比，在轴的轴向位移较大时不会出现较大地影响弹簧力的现象，可有效避免弹簧力变化较大的缺点，因此某些场合下可采用此结构。单弹簧集装式机械密封的特点：轴向尺寸比318i、318A型长，但符合GB/T 6556-1994《机械密封的型式、主要尺寸、材料和识别标志》中的安装规定。

2318型双端面集装式机械密封，它是由两套单端面机械密封组成。两套机械密封之间装有分液环，通入清洁封液，以阻止内端面物料的外泄和外端面的润滑。该机械密封的特点是由两套单端面组成，轴套较长，这样给加工带来了一些难度。

切斯特公司CHESTERTON155型机械密封。155型的动环为整体式硬环，由轴套上键槽带动；静环为整体软环，弹簧安装与静环尾部，因此是精致型。静环为补偿环，有防转销防止其转动，定位带固绕在轴套上，控制了弹簧压缩量。该机型压盖很有特点，有八个回转翼片用顶簧和卡环定位于座组合体八侧面，以两个翼片为一组可安置一个压盖螺母，只要在回转翼片尺寸范围内，即可放置四个以下不同直径的压盖螺钉。

以上密封均符合GB/T 6556—1994规定。由于标准中规定的径向尺寸必须包含轴套、弹簧、动环等零件，因此弹簧的尺寸受到一定限制，即弹簧外径不能太大，这样会产生较大的弹簧缠绕比（弹簧中经/丝径），对弹簧加工要求较高，且容易产生一定的永久变形。

轴套是将全部机械零件组装为一体的联接件，内孔与轴应是间隙配合；轴套O形环与轴是过盈配合，压缩量8%左右比较合适；内外圆同心度按7级精度要求；轴套另一端的定位孔、紧定孔与固定环螺孔有位置度要求，否则螺钉孔对不准。

动环可以是整体，也可以是镶体结构，主要是根据机械密封结构和加工难易度而定，对318i（318A），采用镶嵌较为合理。弹簧孔加工也有一定要求，否则易钻穿壁厚。

集装式机械密封安装简单，容易被用户接受。它所选用的弹簧压缩量、密封面宽度、平衡度、动静环的配对、O形密封圈的过盈量等，均是长期经验的积累及用户反馈所获得的结果。今后机械密封发展的方向是可以保证集装式机械密封最合理的参数，无人为安装误差、无弹簧堵塞现象、无O形圈磨损等。

（未完，待续）

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