实用机械密封技术问答

第一章机械密封原理。

1、什么是机械密封？

机械密封是一种流体旋转机械的轴封装置。比如离心泵、离心机、反应釜和压缩机等设备。由于传动轴贯穿在设备内外，这样，轴与设备之间存在一个圆周间隙，设备中的介质通过该间隙向外泄漏，如果设备内压力低于大气压，则空气向设备内泄露，因此必须有一个阻止泄露的轴封装置。

轴封的种类很多，由于机械密封具有泄漏量少和寿命长等优点，所以当今世界上机械密封是这些设备最主要的轴封密封方式。机械密封又叫端面密封，在国家有关标准中是这样定义的：“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。

”2、机械密封由哪几部分组成？

机械密封近年来发展很快，根据不同的工况出现了各种各样的结构，但无论哪种结构都由以下四部分组成：

第一部分是由动环和静环组成的密封端面，有时也称为摩擦副。

第二部分是由弹性元件为主要零件组成的缓冲补偿机构，其作用是使密封端面紧密贴合。

第三部分是辅助密封圈，其中有动环和静环密封圈。

第四部分是使动环随轴旋转的传动机构。

3、机械密封是怎样实现密封的？

机械密封的结构如图1所示：

轴通过传动座（6）和推环（4），带动动环（2）旋转，静环（1）固定不动，依靠介质压力和弹簧力使动静环之间的密封端面紧密贴合，阻止了介质的泄漏。摩擦副表面磨损后，在弹簧（5）的推动下实现补偿。为了防止介质通过动环与轴之间泄漏，装有动环密封圈（3）；而静环密封圈（7）则阻止了介质沿静环和压盖（8）之间的泄漏。

4、有人把辅助设施也作为机械密封的组成部分，你认为如何？

长期的实践证明，辅助设施的作用不可忽视。从国外进来的泵，在提供的机械密封图纸上，不仅有密封结构图，而且在这张图上明确地画出了辅助设施的安装图，并注明辅助设施的种类和数量。国内的制造厂有的开始注意这个问题；有的还没认识，这是不应该的。

辅助设施不仅起冷却和润滑作用，还可改善密封的工作环境，从而减少泄漏量和延长使用寿命。因此有人不辅助设施看作是机械密封的组成部分。无疑，这一观点将被越来越多的人接受。

5、机械密封有哪些种类？

机械密封被广泛地应用于各种流体旋转机械的轴封，工况不同，使用的密封也不同。按使用条件和设备可分为高速和普通机械密封；高压和低压机械密封；高温、常温和低温机械密封；泵用、压缩机用和釜用机械密封以及耐腐蚀机械密封和抗颗粒的机械密封等。通常都按机械密封的结构和原理来分类，例如旋转式和静止式机械密封；内流式和外流式机械密封；平衡型和非平衡型机械密封等，下面将分别叙述。

6、何为旋转式和静止式机械密封？各有何特点？

按补偿机构弹性元件的运动状况，可分为旋转式和静止式机械密封。补偿机构随轴旋转的称为旋转式机械密封（图2）;补偿机构不旋转的（安装在压盖内）称为静止式机械密封（图3）。补偿机构旋转时易产生质量不平衡，同时消耗搅拌功率，因此，旋转式密封不能用于高速；而静止式密封可用于高速。

但是旋转式密封安装较方便，所以，普通的机械密封大多采用旋转式结构。

7、内装式和外装式密封有何区别？

按静环的安装位置可分为内装式和外装式机械密封。静环装于密封压盖（或相当于密封压盖的零件）内侧（即面向主机工作腔侧）的机械密封称为内装式机械密封（如图1）；反之，在密封压盖的外侧安装静环时称为外装式机械密封（图4）。

内装式机械密封可用于温度和压力较高，以及介质对动环及弹性元件的腐蚀性不高的工况。外装式机械密封适用于低压(或负压)和介质具有腐蚀性的工况。

8、什么叫内流型和外流型机械密封？

密封流体在密封端面间的泄露方向和离心力方向相反的机械密封称为内流型机械密封；密封流体在密封端面间的泄露方向与离心力方向相同时称为外流型机械密封。一般情况下，内流型机械密封多出现在内装式机械密封中（如图）,而外装式机械密封多属于外流型机械密封（如图4）。由于外流型泄漏方向和离心力方向相同，所以，外流型机械密封泄漏量较大。

因此，石油化工流程泵大都选用内流型机械密封。只有在压力和温度不高的腐蚀性介质中才选用外流型机械密封。

9、多弹簧和单弹簧机械密封有什么区别？

按补偿机构中弹簧的数量可分为多弹簧和单弹簧机械密封。补偿机构中有多个弹簧的密封称为多弹簧机械密封（图5）；补偿机构中只有一个弹簧的机械密封称为单弹簧机械密封（图6）。多弹簧机械密封又称小弹簧机械密封，这种结构轴向尺寸较小，可用改变弹簧数量的方法改变弹性力，轴向力较均匀，适用于高速机械密封，在腐蚀性介质中不宜采用。

单弹簧机械密封又称大弹簧机械密封，密封结构较为简单。有的密封型式还用弹簧传递扭矩。国产密封应用大弹簧较多，但不能用于高速。

10、补偿机构除了用弹簧外，还有什么机构？

补偿机构的作用是使密封端面紧密贴合，为达到此目的，采用的方法有两种，一是弹性力，而是磁力。只有在系统内压力较低时采用磁力机械密封（图7），大多数都用前者。除了用弹簧形成弹性力外还有用波纹管的，称为波纹管式机械密封。

波纹管的材料可用橡胶、聚四氟乙烯（图8a）和焊接的金属薄片等（图8b）。

11、平衡型和非平衡型密封是怎样划分的？

根据密封面上介质载荷的作用情况可分为平衡型和非平衡型密封（图9）。

非平衡型：载荷系数k≥1.0的密封称为非平衡型密封，换言之，由介质压力变化引起端面比压的增量大于或等于介质压力的增量。

平衡型：载荷系统k＜1.0的密封，也就是由介质压力变化引起的端面比压的增量小于介质压力的增量，称为平衡型密封。

12、双端面密封有何特点？

根据密封端面的数量和布置方式可分为单端面、双端面及多端面机械密封。两组密封端面“背靠背”（图10a）或“面对面”（图10b）布置的密封叫双端面机械密封。对于工作介质有毒、易爆、易燃、易挥发、易结晶、高温、低温或工作介质是气体，或对于高真空度的密封，可用双端面密封。

此时双端面之间的密封腔引入封液进行堵封、润滑和冷却。一般情况下封液选用洁净和润滑性好的介质。

13、什么工况采用串联机械密封？

两组或两组以上同向布置的单端面机械密封组成串联机械密封（图11）。这种密封方式使密封腔的压力逐级降低，介质不至外漏。串联密封一般情况下很少采用，只有在压力很高时采用。

14、波纹管式机械密封有何特点？

补偿机构为波纹管，其中一个密封环（动环或静环）和波纹管制成一个整体，中间没有辅助密封圈（见图8），因此减少了一个泄漏点；同时减少了补偿机构的摩擦阻力，改善了追随性；对于焊接金属波纹管密封（图8b）使用温度不受辅助密封圈的限制；对于四氟波纹管密封（图8a）可用于腐蚀性介质中。其缺点是有的波纹管弹力较小，需加辅助弹簧，如（图8a）所示。

15、什么是集装式密封？有何特点？

集装式机械密封是将普通的机械密封、轴套和密封压盖预先组合成一个整体，将其安装在泵上后，不做任何调整（包括弹簧的压缩量），只固定轴套和压盖，再把剖分式卡环取下（图12中的a）即可投入使用。由此可见，卡环的（轴向）宽度等于弹簧的压缩量，并且，从外部就可以知道该值的大小和变化情况。事先组装，容易保证密封的安装质量，可减少因安装不良引起的失效，尤其是对于双端面密封更是如此。

近年来，集装式密封发展很快，因卡环的结构、轴套与轴的传动以及轴与轴套之间的密封等方面的不同，出现了许多种集装式密封。

16、国产104和b104型机械密封简介。

国产104型机械密封为内装、内流、单端面、单弹簧、非平衡型密封，辅助密封圈有v形和o形两种型式（图13）。b104型机械密封中的字母“b”表示平衡型密封，其余结构和104型完全相同。b104型密封相当于旧标准（jb 1472-75）的110型（gy型）。

两种密封型式工作条件基本相同，仅压力不同。密封腔内的温度-20～80℃，转速不大于3000r/min介质为清水、油类及其他弱腐蚀性液体。104型密封腔中的压力为0～0.

8mpa，而b104型适用压力为0.6～3.0mpa。

经过二十多年的实践，证明这两种密封结构简单，使用可靠。因此，在国产离心泵上得到了广泛应用。本书以这两种国产机械密封为主，结合其他结构型式（包括进口的密封），就有关的技术问题和故障分析等，以“问答”的形式加以叙述。

第二章机械密封的基本元件。

17、对机械密封的密封环有哪些要求？

密封环是动环和静环的总称（下同），是构成机械密封最主要的元件。密封环在很大程度上决定了机械密封的使用性能和寿命，因此，对它提出了一些要求。

1）有足够的强度和刚度。在工作条件下（如压力、温度和滑动速度等）不磨损，变形应尽量小，工作条件波动时仍能保持密封性。

2）密封端面应有足够的硬度和耐腐蚀性，以保证工作条件下有满意的使用寿命。

3）密封环应有良好的耐热冲击能力。为此，要求材料有较高的导热系数和较小的线膨胀系数，承受热冲击时不至于开裂。

4）密封环匹配应有较小的摩擦系数和良好的自润滑性，密封环材料与密封流体还要有很好的浸润性。工作中如发生短时间的干摩擦，不损伤密封端面。

5）密封环应力求简单、对称并优先考虑用整体型结构。也可采用组合式（如镶装式）密封环，尽量避免用密封端面喷涂式结构。

6）密封环要容易加工制造，安装和维修要方便，**要低廉。

18、摩擦副匹配要考虑哪些因素？

摩擦副一般都选择一软一硬的配对。目前软环多选用碳-石墨（以下简称石墨），硬环的材质种类很多（见“27”）。只有在特殊情况下，如介质中含有固体颗粒、有结晶析出或高粘度流体中才选用硬对硬的配对。

当选用一软一硬的配对时硬环端面的宽度比软环宽，在硬对硬的材质中可不受此限制。

为减少泄漏量和机械杂质进入密封端面的可能性，尽量采用内装内流式密封结构。

选择导热性良好的材料做动环，以散出较多的热量，降低密封端面的温度。

为保证密封环的整体强度和刚度，环的壁厚不可太薄。对于导热性良好的材料，增加环厚有利散热；对于导热性欠佳的材料厚度可小些。对于所受压力较高的密封环，要从力学角度另行设计，必要时采取加固措施。

环的形状要轴对称，以减少其不对称的机械变形和热变形。

动环做补偿环时，例如国产104和b104型密封环（图13、图14），动环和轴（轴套）的（直径）间隙为0.40～0.60mm,以防止动环在工作中卡住而失去补偿能力；静环内径要比轴（轴套）大1～2mm，避免两者摩擦。

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