機(jī)械密封的基本常識

機(jī)械密封基礎(chǔ)

     機(jī)械密封因其密封性能好，運(yùn)行穩(wěn)定、泄漏少，摩擦功耗低，使用周期長，對軸磨損很小，并能滿足多種工況要求，因此被廣泛應(yīng)用。但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，制造精度高，價格較貴、維修不便。

原理及其組成 ：

     機(jī)械密封又稱為端面密封，其至少有一對垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的端面，該端面在流體壓力及補(bǔ)償機(jī)械外力（或磁力）的作用下，加之輔助密封的配合，與另一端面保持貼合并相對滑動，從而防止流體泄漏。由于端面的緊密貼合，使密封端面之間形成微小間隙，當(dāng)有介質(zhì)通過此間隙時，形成極薄的液膜，造成阻力防止泄漏，并且潤滑端面，獲得長期的密封效果。

基本組成 ：

     靜止環(huán)及旋轉(zhuǎn)環(huán)（動環(huán)與靜環(huán)），通常為研磨面，又稱為摩擦副。
     以彈性元件為主的補(bǔ)充緩沖機(jī)構(gòu)。
     輔助密封圈
     使動環(huán)和軸一起旋轉(zhuǎn)的傳動部件

機(jī)械密封的分類

按用途分類：

     按設(shè)備可分為泵、釜、離心機(jī)、風(fēng)機(jī)、潛水泵電機(jī)、冷凍機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、冷卻水泵、船用泵以及其他。 

按作用原理分類： 

     密封端面的對數(shù)：單端面，雙端面，多端面。其中雙端面又分為軸向雙端面和徑向雙端面。
     按照作用于密封端面流體壓力為卸載或不卸載可分為：非平衡式、部分平衡式、全平衡式。
     按照靜止環(huán)裝于密封端面的內(nèi)側(cè)或者外側(cè)，分為內(nèi)裝式和外裝式。
     彈簧設(shè)置在流體之內(nèi)為彈簧內(nèi)置式、反之為彈簧外置式
     按照補(bǔ)償機(jī)構(gòu)彈簧的數(shù)量分為單彈簧式、多彈簧式。
     按照彈性元件是否隨軸一起旋轉(zhuǎn)分為旋轉(zhuǎn)式、靜止式機(jī)械密封。
     密封流體在密封端面間的泄漏方向如果與軸旋轉(zhuǎn)的離心方向一致則為外流式，反之為內(nèi)流式。
     按照密封端面直接接觸與否分為接觸式機(jī)械密封，反之為非接觸式，其又可分為流體靜壓式及流體動壓式。
     按照有否波紋管情況可分為非波紋管式波紋管式，后者又可分為金屬波紋管、四氟波紋管、橡膠波紋管等幾種。

按照使用工況分類：

     高溫機(jī)械密封、中溫機(jī)械密封、常溫機(jī)械密封及低溫機(jī)械密封。
-50 ， 80 ， 200 ，為常用的溫度分界線。
按密封腔壓力分：
     超高壓、高壓、低壓、常壓、負(fù)壓等幾種情況。
     0.8 ， 5 ， 15mpa 是常用的分界線。
按照速度可分為：
     超高速、高速、中速、低速等幾種情況， 2 ， 10 ， 30 ， 100m/s 是常用的分界。
     按照介質(zhì)特點，則有特定的專用機(jī)械密封。

密封的泄漏標(biāo)準(zhǔn)

參照《化工離心泵   產(chǎn)品質(zhì)量分等》 JB/T53061-93 ：
1 、機(jī)械密封

2 、填料密封在保證填料函溫升正常的前提下

密封墊的選用

     密封墊的選用原則是：對于要求不高的場合，可憑經(jīng)驗來選取，不合適時再更換。但對那些要求嚴(yán)格的場合，例如易爆、劇毒和可燃性氣體以及強(qiáng)腐蝕的液體設(shè)備、反應(yīng)罐和輸送管道系統(tǒng)等，則應(yīng)根據(jù)工作壓力、工作溫度、密封介質(zhì)的腐蝕性及結(jié)合密封面的形式來選用。

     一般來講，在常溫低壓時，選用非金屬軟密封墊；中壓高溫時，選用非金屬與金屬組合密封墊或金屬密封墊；在溫度、壓力有較大波動時，選用彈性好的或自緊式密封墊；在低溫、腐蝕性介質(zhì)或真空條件下應(yīng)考慮密封墊的特殊性能。這里特別需要說明的是法蘭情況對墊片選擇的影響。

     （ 1 ）法蘭形式的影響
     法蘭形式不同，要求使用的墊片也不同。光滑面法蘭一般只用于低壓，配軟質(zhì)的薄密封墊；在高壓下，如果法蘭的強(qiáng)度足夠，也可以用光滑面法蘭，但應(yīng)該用厚軟質(zhì)墊，或者用帶內(nèi)加強(qiáng)環(huán)或外加強(qiáng)環(huán)的纏繞密封墊。在這種場合，金屬墊片也不適用，因為這時要求的壓緊力過大，導(dǎo)致螺栓較大的變形，使法蘭不易封嚴(yán)。如果要用金屬墊片，則應(yīng)將光滑面縮小，使其與墊片的接觸面積減小。這樣，在螺栓張力相同的情況下，縮小后的窄光滑面的壓緊應(yīng)力就會增大。

     （ 2 ）法蘭表面粗糙度的影響
     法蘭表面粗糙度對密封效果影響很大，特別是當(dāng)采用非軟質(zhì)墊片時，密封表面粗糙度是造成泄漏的主要原因之一。例如，車削法蘭面的刀紋是螺旋線，使用金屬墊片時，如果粗糙度值較大，墊片就不能堵死刀紋所形成的這條螺旋槽，在壓力作用下，介質(zhì)就會順著這條溝槽泄漏出來。軟質(zhì)密封墊對法蘭面的光潔程度要求低得多。這是因為它容易變形，能夠堵死加工刀紋，從而防止了泄漏。對軟質(zhì)墊片，法蘭而過于光滑反而不利，因為此時發(fā)生界面泄漏的阻力變小了。所以，墊片不同，所要求的法蘭面的粗糙度也不相同。表 29.3-15 列出了各種密封墊所要求的法蘭表面粗糙度的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

     （ 3 ）法蘭與墊片的硬度差
     使用墊片的目的在于使墊片產(chǎn)生彈性或塑性變形以填滿法蘭面微小凸凹不平，阻止泄漏發(fā)生。因而應(yīng)使墊片材料的硬度低于法蘭材料的硬度，二者之間相差越大，實現(xiàn)密封就越容易。當(dāng)使用金屬墊片時，為了保證實現(xiàn)密封，應(yīng)盡可能選用較軟的材料，使金屬墊片的硬度比法蘭硬度低 40HB 以上 為 宜。

潤滑槽和液體緩沖墊密封在熱水工況的應(yīng)用

     熱水工況采用的傳統(tǒng)的機(jī)械密封絕對不能用熱水直接沖洗密封面，熱水必須首先經(jīng)過冷卻，將沖洗液溫度降低至 65 ～ 82 ℃ 以下。

     最常用的熱水工況的密封沖洗方案有 API plan 23 和 API Plan 21 。其中 API plan 23 方案是將熱水從密封腔  ( stuffing box )  引出，經(jīng)過一個換熱器后再沖洗密封面。換熱器使熱水的溫度在重新注入密封腔并沖洗密封面之前降低了。沖洗液循環(huán)的動力通常由一個內(nèi)置的泵送環(huán)，也稱泵效環(huán)（ pump ring ）來提供。

     API plan 21  是將泵送熱水從泵出口引出，經(jīng)過換熱器降低溫度，然后注入密封腔并沖洗密封面。 API plan 21 總的來說不如 API Plan 23 效率高，因為它需要冷卻的是來自工藝管線的較高溫度的熱水，在同等工況下通常需要更大的換熱器，其優(yōu)點是沖洗液不需要泵送環(huán)提供動力。

     此外可以用于熱水工況密封的沖洗方案還有 API plan 32 。這個方案 API plan 32 是采用一路外來的溫度較低的清潔軟水注入密封腔并沖洗密封面，它的沖洗管路簡單可靠，但缺點是沖洗水消耗量很大且會稀釋或冷卻工藝管線的熱水，許多用戶難以接受。當(dāng)然還可以采用在密封腔外增加冷卻水夾套的方法來降低密封腔的熱水溫度。  

     以上沖洗方案，均要求將密封腔中熱水的溫度降低到標(biāo)準(zhǔn)密封設(shè)計所能接受的水平，以使密封達(dá)到一個可以讓人接受的使用壽命；并要求另外提供一路冷卻水，這不但帶來大量的冷水消耗，而且一旦在操作過程中冷水中斷就會迅速導(dǎo)致密封失效。同時，在這些沖洗方案的使用過程中還要面對換熱器、夾套腔等處的結(jié)垢問題，這就降低了密封系統(tǒng)在實際操作過程中的可靠性。

     以下介紹兩種適用于熱水工況而又無需冷卻水的密封方式：“潤滑槽” (Lube Groove) 和“液體緩沖墊” (Hydropad) 機(jī)械密封。

“潤滑槽” (LUBE GROOVE) 密封：

     在一個標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械密封中，兩個密封端面之間存在一個很薄的液膜，在產(chǎn)生和形成穩(wěn)定的液膜過程中，流體的物理特性處于臨界狀態(tài)。在流體流經(jīng)密封面時，壓力降低、溫度升高。壓力降低是由于密封面內(nèi)外緣的壓力差造成的，溫度的升高是由于液膜中流體受到剪力以及密封面之間的機(jī)械接觸產(chǎn)生的摩擦熱引起的。液膜防止了密封端面之間過大的機(jī)械接觸，從而減少密封端面在運(yùn)行過程中的摩擦熱和端面磨損。如果液膜在接近密封面的邊緣處發(fā)生汽化，那么該密封副的大部分密封面都會失去密封液膜的支撐，造成密封迅速失效。

     “潤滑槽”就是在密封面上沿切線方向刻出窄槽，該槽不能貫通密封面的內(nèi)外側(cè)邊緣。當(dāng)流體流經(jīng)密封面時，這些槽能改善流體在密封面上的壓力分布。這有助于保持密封面間的液膜穩(wěn)定并防止流體在液膜處汽化。

     由于熱水的汽化壓力很高，容易在流經(jīng)密封端面時引起快速汽化，因此控制密封接觸面的壓力是解決問題的關(guān)鍵。當(dāng)密封面相互平行時，液膜中的壓力降基本上呈線性分布，由密封端面外側(cè)的密封腔壓力逐步降至其內(nèi)緣的大氣壓力。當(dāng)液膜中的流體壓力逐步降低至等于液體的汽化壓力時，液膜就會發(fā)生汽化。通過在密封面上開潤滑槽，密封端面上就會形成一個相對的高壓區(qū)域。該液膜的壓力分布是從密封端面外緣  (OD) 呈線性遞減直到進(jìn)入潤滑槽。在經(jīng)過潤滑槽時流體壓力保持不變，然后再從潤滑槽處呈線性遞減直到密封面內(nèi)緣面 (ID) 。壓力分布形式的改變，限制了液膜在“潤滑槽”所覆蓋的環(huán)形區(qū)域內(nèi)的汽化。

     以下為“潤滑槽”密封在熱水工況中的應(yīng)用：            

推薦的管線方案：      API Plan11 或 API Plan02

注 * ：最低密封腔壓力應(yīng)保持在高于熱水的汽化壓力 2Bar 以上。

     在通常情況下，為便于加工，“潤滑槽”一般刻在較軟的密封面上�！皾櫥�槽”的確切數(shù)量以及它的長度，深度是由密封端面的尺寸決定的。

液體緩沖墊”（ HYDROPAD ）密封：

     “液體緩沖墊”是在動靜環(huán)的任一密封面上從外緣沿徑向朝里開出凹槽或切口。其深度可以從千分之幾到 0.125 英寸 ( 即 3 毫米 )

     在普通密封中，密封面是均勻的圓環(huán)形。在密封面上開槽后，就會在圓周方向由機(jī)械和溫度變化引起變形。在機(jī)械方面，由于開槽使密封端面的局部強(qiáng)度削弱了；在熱力方面，凹槽使熱量沿密封端面的圓周方向散失速率不同。這兩個因素造成密封端面發(fā)生波狀變形。由于液膜很薄，密封面上很小的變形都會對液膜的形成及穩(wěn)定性產(chǎn)生極大的影響。

     波狀變形有助于液膜在密封端面間的延展。液膜厚度沿圓周方向的收縮與擴(kuò)展產(chǎn)生了一個使密封面分離的流體推開力。這個流體推力減小了密封面間的機(jī)械接觸，熱量產(chǎn)生及密封面磨損。流體推力的大小不僅與密封面的波狀變形而且與密封的操作特性和流體的物理特性有關(guān)。密封面之間的相對速度也是產(chǎn)生流體推力的一個重要因素。速度越大，流體推力越大。流體的特性，如比重，粘度，蒸汽壓，都會對液膜產(chǎn)生很大的影響。流體的比重和粘度越小，流體推力越小。由于以上特性，“液體緩沖墊”可以用于熱水，輕烴和氫氟酸等介質(zhì)。

     在確定是否需要“液體緩沖墊”時應(yīng)考慮以下因素：

1 ）汽化壓力：密封腔的壓力低于液體的汽化壓力加上 25 Psi ( 即 1.7 Bar) 時，   應(yīng)同時綜合考慮溫度的因素。

2 ）壓差：密封面內(nèi)外緣的壓差非常低或非常高（大于 250 Psi  即 17 Bar 時），應(yīng)考慮采用“液體緩沖墊”型式。因為當(dāng)流體的壓力很低時，液體的壓力無法克服作用在密封面上的彈簧力，難于在密封面上形成所需液膜。而當(dāng)流體的壓力很高時，密封面上的所受的液體閉合壓力也很高，同樣難于形成所需液膜。

3 ）液體比重：液體比重小于 0.52 。

     目前，“液體緩沖墊”與“潤滑槽”一樣，均為集裝式密封。

熱水工況用機(jī)械密封型式比較

     用于熱水工況的機(jī)械密封型式比較見下表：

注： Pc–密封腔壓力； Pv–介質(zhì)的汽化壓力；△ Pc–密封面的內(nèi)外緣壓差。

應(yīng)用實例

     在上海漕涇 SECCO 公司苯乙烯項目中，有一冷凝水泵的溫度是 1170C ，入口壓力為 1.6 Bar ，出口壓力為  7.2 Bar ，密封腔壓力經(jīng)計算約為 3.2 Bar ，介質(zhì)的蒸汽壓為 1.41 Bar ，比重為 0.951 。

     在原設(shè)計中，采用的是 API plan 23  方案。該設(shè)計需要一套輔助管路系統(tǒng)、換熱器及其所需的 0.7 米 3/ 小時的冷卻水消耗。我方與業(yè)主經(jīng)過認(rèn)真的研究和綜合比較后，決定采用“潤滑槽” ( QB Lube )  型機(jī)械密封，沖洗方案為 API Plan 11 。設(shè)備購置費可以節(jié)省約 30 ％，運(yùn)行費可以節(jié)省約 6000 元 / 年（僅冷卻水消耗）。

     由于“潤滑槽”型機(jī)械密封不需要冷卻水，避免了由于誤操作斷水而造成密封失效，以及因換熱器結(jié)垢而降低密封系統(tǒng)可靠性。此類密封型式已在歐洲和中東地區(qū)有了近 40 年的使用歷史。

     除了在熱水工況中有許多的成功運(yùn)用外，“潤滑槽”和“液體緩沖墊”密封已經(jīng)大量成功地運(yùn)用于一些特殊的工況，如：液化空氣，低溫液化氣，輕烴，氫氟酸等介質(zhì)。由于它在以上特殊的工況中部分替代了干氣密封的使用，而購置成本與運(yùn)行成本，操作難度都大大低于干氣密封，相信將會有愈來愈廣泛的應(yīng)用。

一、構(gòu)造
     纏繞式墊片由 “V” 形 ( 或 “W” 形 ) 金屬帶與非金屬帶相互重迭，連續(xù)纏繞而成，在始、末端用點焊方式將金屬帶固定。

二、性能及特點
1 、 適用的工況范圍寬。能耐高溫、高壓和適應(yīng)超低溫或真空下的使用條件。通過改變墊片的材料組合，可解決各種介質(zhì)對墊片的化學(xué)腐蝕問題。
2 、應(yīng)力補(bǔ)償能力強(qiáng)。在溫度、壓力波動頻繁的工位上，密封性能穩(wěn)定、可靠。
3 、密封性能優(yōu)良。
4 、對與墊片接觸的法蘭密封面的表面精度要求不高。
5 、安裝方便，墊片預(yù)緊壓力較低。
三、墊片種類
1 、 A 、纏繞片墊片分四種形式：基本型、帶內(nèi)環(huán)型、帶外環(huán)型、帶內(nèi)外環(huán)型。
B 、熱交換器用纏繞式墊片一般分：基本型及帶內(nèi)外環(huán)型。
2 、通常使用的材料：
A 、鋼帶： 08F 、 0Cr18Ni9(304) 、 0Cr18Ni9Ti 、 1Cr18Ni9Ti(321) 、 0Cr17Ni12 、 M02Ti(316) 、 00Cr17Ni14M02Ti(316L)
B 、內(nèi)外環(huán)用 ( 冷軋 ) 鋼板：外環(huán)：低碳鋼、 0Cr13 、 oCr18Ni9 內(nèi)環(huán)：通常與鋼帶材質(zhì)相同或協(xié)商確定。
C 、非金屬帶：柔性石墨、特制石棉、聚四氟乙烯、非石棉紙。
四、使用范圍
1 、使用溫度： -196 ℃ -700 ℃ ( 氧化性介質(zhì)中不高于 600 ℃ )
2 、使用壓力： ≤25MPa
3 、墊片系數(shù)： m=2.5-4
4 、最小預(yù)緊比壓： y=68MPa
5 、最大加工尺寸： -2800mm
基本型                      
墊片厚度： 4.5mm                              

常用骨架油封樣式圖