机械密封的基本常识

机械密封基础

     机械密封因其密封性能好，运行稳定、泄漏少，摩擦功耗低，使用周期长，对轴磨损很小，并能满足多种工况要求，因此被广泛应用。但结构较为复杂，制造精度高，价格较贵、维修不便。

原理及其组成 ：

     机械密封又称为端面密封，其至少有一对垂直于旋转轴线的端面，该端面在流体压力及补偿机械外力（或磁力）的作用下，加之辅助密封的配合，与另一端面保持贴合并相对滑动，从而防止流体泄漏。由于端面的紧密贴合，使密封端面之间形成微小间隙，当有介质通过此间隙时，形成极薄的液膜，造成阻力防止泄漏，并且润滑端面，获得长期的密封效果。

基本组成 ：

     静止环及旋转环（动环与静环），通常为研磨面，又称为摩擦副。
     以弹性元件为主的补充缓冲机构。
     辅助密封圈
     使动环和轴一起旋转的传动部件

机械密封的分类

按用途分类：

     按设备可分为泵、釜、离心机、风机、潜水泵电机、冷冻机、内燃机、冷却水泵、船用泵以及其他。 

按作用原理分类： 

     密封端面的对数：单端面，双端面，多端面。其中双端面又分为轴向双端面和径向双端面。
     按照作用于密封端面流体压力为卸载或不卸载可分为：非平衡式、部分平衡式、全平衡式。
     按照静止环装于密封端面的内侧或者外侧，分为内装式和外装式。
     弹簧设置在流体之内为弹簧内置式、反之为弹簧外置式
     按照补偿机构弹簧的数量分为单弹簧式、多弹簧式。
     按照弹性元件是否随轴一起旋转分为旋转式、静止式机械密封。
     密封流体在密封端面间的泄漏方向如果与轴旋转的离心方向一致则为外流式，反之为内流式。
     按照密封端面直接接触与否分为接触式机械密封，反之为非接触式，其又可分为流体静压式及流体动压式。
     按照有否波纹管情况可分为非波纹管式波纹管式，后者又可分为金属波纹管、四氟波纹管、橡胶波纹管等几种。

按照使用工况分类：

     高温机械密封、中温机械密封、常温机械密封及低温机械密封。
-50 ， 80 ， 200 ，为常用的温度分界线。
按密封腔压力分：
     超高压、高压、低压、常压、负压等几种情况。
     0.8 ， 5 ， 15mpa 是常用的分界线。
按照速度可分为：
     超高速、高速、中速、低速等几种情况， 2 ， 10 ， 30 ， 100m/s 是常用的分界。
     按照介质特点，则有特定的专用机械密封。

密封的泄漏标准

参照《化工离心泵   产品质量分等》 JB/T53061-93 ：
1 、机械密封

2 、填料密封在保证填料函温升正常的前提下

密封垫的选用

     密封垫的选用原则是：对于要求不高的场合，可凭经验来选取，不合适时再更换。但对那些要求严格的场合，例如易爆、剧毒和可燃性气体以及强腐蚀的液体设备、反应罐和输送管道系统等，则应根据工作压力、工作温度、密封介质的腐蚀性及结合密封面的形式来选用。

     一般来讲，在常温低压时，选用非金属软密封垫；中压高温时，选用非金属与金属组合密封垫或金属密封垫；在温度、压力有较大波动时，选用弹性好的或自紧式密封垫；在低温、腐蚀性介质或真空条件下应考虑密封垫的特殊性能。这里特别需要说明的是法兰情况对垫片选择的影响。

     （ 1 ）法兰形式的影响
     法兰形式不同，要求使用的垫片也不同。光滑面法兰一般只用于低压，配软质的薄密封垫；在高压下，如果法兰的强度足够，也可以用光滑面法兰，但应该用厚软质垫，或者用带内加强环或外加强环的缠绕密封垫。在这种场合，金属垫片也不适用，因为这时要求的压紧力过大，导致螺栓较大的变形，使法兰不易封严。如果要用金属垫片，则应将光滑面缩小，使其与垫片的接触面积减小。这样，在螺栓张力相同的情况下，缩小后的窄光滑面的压紧应力就会增大。

     （ 2 ）法兰表面粗糙度的影响
     法兰表面粗糙度对密封效果影响很大，特别是当采用非软质垫片时，密封表面粗糙度是造成泄漏的主要原因之一。例如，车削法兰面的刀纹是螺旋线，使用金属垫片时，如果粗糙度值较大，垫片就不能堵死刀纹所形成的这条螺旋槽，在压力作用下，介质就会顺着这条沟槽泄漏出来。软质密封垫对法兰面的光洁程度要求低得多。这是因为它容易变形，能够堵死加工刀纹，从而防止了泄漏。对软质垫片，法兰而过于光滑反而不利，因为此时发生界面泄漏的阻力变小了。所以，垫片不同，所要求的法兰面的粗糙度也不相同。表 29.3-15 列出了各种密封垫所要求的法兰表面粗糙度的经验数据。

     （ 3 ）法兰与垫片的硬度差
     使用垫片的目的在于使垫片产生弹性或塑性变形以填满法兰面微小凸凹不平，阻止泄漏发生。因而应使垫片材料的硬度低于法兰材料的硬度，二者之间相差越大，实现密封就越容易。当使用金属垫片时，为了保证实现密封，应尽可能选用较软的材料，使金属垫片的硬度比法兰硬度低 40HB 以上 为 宜。

润滑槽和液体缓冲垫密封在热水工况的应用

     热水工况采用的传统的机械密封绝对不能用热水直接冲洗密封面，热水必须首先经过冷却，将冲洗液温度降低至 65 ～ 82 ℃ 以下。

     最常用的热水工况的密封冲洗方案有 API plan 23 和 API Plan 21 。其中 API plan 23 方案是将热水从密封腔  ( stuffing box )  引出，经过一个换热器后再冲洗密封面。换热器使热水的温度在重新注入密封腔并冲洗密封面之前降低了。冲洗液循环的动力通常由一个内置的泵送环，也称泵效环（ pump ring ）来提供。

     API plan 21  是将泵送热水从泵出口引出，经过换热器降低温度，然后注入密封腔并冲洗密封面。 API plan 21 总的来说不如 API Plan 23 效率高，因为它需要冷却的是来自工艺管线的较高温度的热水，在同等工况下通常需要更大的换热器，其优点是冲洗液不需要泵送环提供动力。

     此外可以用于热水工况密封的冲洗方案还有 API plan 32 。这个方案 API plan 32 是采用一路外来的温度较低的清洁软水注入密封腔并冲洗密封面，它的冲洗管路简单可靠，但缺点是冲洗水消耗量很大且会稀释或冷却工艺管线的热水，许多用户难以接受。当然还可以采用在密封腔外增加冷却水夹套的方法来降低密封腔的热水温度。  

     以上冲洗方案，均要求将密封腔中热水的温度降低到标准密封设计所能接受的水平，以使密封达到一个可以让人接受的使用寿命；并要求另外提供一路冷却水，这不但带来大量的冷水消耗，而且一旦在操作过程中冷水中断就会迅速导致密封失效。同时，在这些冲洗方案的使用过程中还要面对换热器、夹套腔等处的结垢问题，这就降低了密封系统在实际操作过程中的可靠性。

     以下介绍两种适用于热水工况而又无需冷却水的密封方式：“润滑槽” (Lube Groove) 和“液体缓冲垫” (Hydropad) 机械密封。

“润滑槽” (LUBE GROOVE) 密封：

     在一个标准的机械密封中，两个密封端面之间存在一个很薄的液膜，在产生和形成稳定的液膜过程中，流体的物理特性处于临界状态。在流体流经密封面时，压力降低、温度升高。压力降低是由于密封面内外缘的压力差造成的，温度的升高是由于液膜中流体受到剪力以及密封面之间的机械接触产生的摩擦热引起的。液膜防止了密封端面之间过大的机械接触，从而减少密封端面在运行过程中的摩擦热和端面磨损。如果液膜在接近密封面的边缘处发生汽化，那么该密封副的大部分密封面都会失去密封液膜的支撑，造成密封迅速失效。

     “润滑槽”就是在密封面上沿切线方向刻出窄槽，该槽不能贯通密封面的内外侧边缘。当流体流经密封面时，这些槽能改善流体在密封面上的压力分布。这有助于保持密封面间的液膜稳定并防止流体在液膜处汽化。

     由于热水的汽化压力很高，容易在流经密封端面时引起快速汽化，因此控制密封接触面的压力是解决问题的关键。当密封面相互平行时，液膜中的压力降基本上呈线性分布，由密封端面外侧的密封腔压力逐步降至其内缘的大气压力。当液膜中的流体压力逐步降低至等于液体的汽化压力时，液膜就会发生汽化。通过在密封面上开润滑槽，密封端面上就会形成一个相对的高压区域。该液膜的压力分布是从密封端面外缘  (OD) 呈线性递减直到进入润滑槽。在经过润滑槽时流体压力保持不变，然后再从润滑槽处呈线性递减直到密封面内缘面 (ID) 。压力分布形式的改变，限制了液膜在“润滑槽”所覆盖的环形区域内的汽化。

     以下为“润滑槽”密封在热水工况中的应用：            

推荐的管线方案：      API Plan11 或 API Plan02

注 * ：最低密封腔压力应保持在高于热水的汽化压力 2Bar 以上。

     在通常情况下，为便于加工，“润滑槽”一般刻在较软的密封面上。“润滑槽”的确切数量以及它的长度，深度是由密封端面的尺寸决定的。

液体缓冲垫”（ HYDROPAD ）密封：

     “液体缓冲垫”是在动静环的任一密封面上从外缘沿径向朝里开出凹槽或切口。其深度可以从千分之几到 0.125 英寸 ( 即 3 毫米 )

     在普通密封中，密封面是均匀的圆环形。在密封面上开槽后，就会在圆周方向由机械和温度变化引起变形。在机械方面，由于开槽使密封端面的局部强度削弱了；在热力方面，凹槽使热量沿密封端面的圆周方向散失速率不同。这两个因素造成密封端面发生波状变形。由于液膜很薄，密封面上很小的变形都会对液膜的形成及稳定性产生极大的影响。

     波状变形有助于液膜在密封端面间的延展。液膜厚度沿圆周方向的收缩与扩展产生了一个使密封面分离的流体推开力。这个流体推力减小了密封面间的机械接触，热量产生及密封面磨损。流体推力的大小不仅与密封面的波状变形而且与密封的操作特性和流体的物理特性有关。密封面之间的相对速度也是产生流体推力的一个重要因素。速度越大，流体推力越大。流体的特性，如比重，粘度，蒸汽压，都会对液膜产生很大的影响。流体的比重和粘度越小，流体推力越小。由于以上特性，“液体缓冲垫”可以用于热水，轻烃和氢氟酸等介质。

     在确定是否需要“液体缓冲垫”时应考虑以下因素：

1 ）汽化压力：密封腔的压力低于液体的汽化压力加上 25 Psi ( 即 1.7 Bar) 时，   应同时综合考虑温度的因素。

2 ）压差：密封面内外缘的压差非常低或非常高（大于 250 Psi  即 17 Bar 时），应考虑采用“液体缓冲垫”型式。因为当流体的压力很低时，液体的压力无法克服作用在密封面上的弹簧力，难于在密封面上形成所需液膜。而当流体的压力很高时，密封面上的所受的液体闭合压力也很高，同样难于形成所需液膜。

3 ）液体比重：液体比重小于 0.52 。

     目前，“液体缓冲垫”与“润滑槽”一样，均为集装式密封。

热水工况用机械密封型式比较

     用于热水工况的机械密封型式比较见下表：

注： Pc–密封腔压力； Pv–介质的汽化压力；△ Pc–密封面的内外缘压差。

应用实例

     在上海漕泾 SECCO 公司苯乙烯项目中，有一冷凝水泵的温度是 1170C ，入口压力为 1.6 Bar ，出口压力为  7.2 Bar ，密封腔压力经计算约为 3.2 Bar ，介质的蒸汽压为 1.41 Bar ，比重为 0.951 。

     在原设计中，采用的是 API plan 23  方案。该设计需要一套辅助管路系统、换热器及其所需的 0.7 米 3/ 小时的冷却水消耗。我方与业主经过认真的研究和综合比较后，决定采用“润滑槽” ( QB Lube )  型机械密封，冲洗方案为 API Plan 11 。设备购置费可以节省约 30 ％，运行费可以节省约 6000 元 / 年（仅冷却水消耗）。

     由于“润滑槽”型机械密封不需要冷却水，避免了由于误操作断水而造成密封失效，以及因换热器结垢而降低密封系统可靠性。此类密封型式已在欧洲和中东地区有了近 40 年的使用历史。

     除了在热水工况中有许多的成功运用外，“润滑槽”和“液体缓冲垫”密封已经大量成功地运用于一些特殊的工况，如：液化空气，低温液化气，轻烃，氢氟酸等介质。由于它在以上特殊的工况中部分替代了干气密封的使用，而购置成本与运行成本，操作难度都大大低于干气密封，相信将会有愈来愈广泛的应用。

一、构造
     缠绕式垫片由 “V” 形 ( 或 “W” 形 ) 金属带与非金属带相互重迭，连续缠绕而成，在始、末端用点焊方式将金属带固定。

二、性能及特点
1 、 适用的工况范围宽。能耐高温、高压和适应超低温或真空下的使用条件。通过改变垫片的材料组合，可解决各种介质对垫片的化学腐蚀问题。
2 、应力补偿能力强。在温度、压力波动频繁的工位上，密封性能稳定、可靠。
3 、密封性能优良。
4 、对与垫片接触的法兰密封面的表面精度要求不高。
5 、安装方便，垫片预紧压力较低。
三、垫片种类
1 、 A 、缠绕片垫片分四种形式：基本型、带内环型、带外环型、带内外环型。
B 、热交换器用缠绕式垫片一般分：基本型及带内外环型。
2 、通常使用的材料：
A 、钢带： 08F 、 0Cr18Ni9(304) 、 0Cr18Ni9Ti 、 1Cr18Ni9Ti(321) 、 0Cr17Ni12 、 M02Ti(316) 、 00Cr17Ni14M02Ti(316L)
B 、内外环用 ( 冷轧 ) 钢板：外环：低碳钢、 0Cr13 、 oCr18Ni9 内环：通常与钢带材质相同或协商确定。
C 、非金属带：柔性石墨、特制石棉、聚四氟乙烯、非石棉纸。
四、使用范围
1 、使用温度： -196 ℃ -700 ℃ ( 氧化性介质中不高于 600 ℃ )
2 、使用压力： ≤25MPa
3 、垫片系数： m=2.5-4
4 、最小预紧比压： y=68MPa
5 、最大加工尺寸： -2800mm
基本型                      
垫片厚度： 4.5mm                              

常用骨架油封样式图