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机械密封端面比压的确定

润滑油作业部
许松涛
2007年11月2日

机械密封端面比压的确定

摘要：泵是石油化工企业最主要和常见的机械设备，由于工艺条件的要求，以及人们经济意识和环保意识的提高，近年来泵密封的泄漏越来越受到关注。泵的密封是防止介质从泵轴周围的间隙处泄漏，或空气从间隙处侵入泵体。机械密封作为石化企业泵最常见的密封形式，占重要地位，机械密封的端面比压是影响密封性能和使用寿命的最主要因素之一。文章结合实际工作中机械密封的安装及维修情况，对密封的端面比压在计算、校核中的一些问题进行分析，以便于确定压缩量，能对机械密封的使用情况有所改善。

关键词：机械密封 端面比压 分析

1.机械密封工作原理及常见结构型式
  机械密封是靠一对或数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）作用下保持贴合并配以辅助密封而达到阻漏的轴封装置。

1、静止环（静环）2、旋转环（动环）3、弹性元件4、弹簧座5、紧定螺钉
6、旋转环辅助密封圈7、防转销8、静止环辅助密封圈9、固定压盖
图1——机械密封结构示意图
常用机械密封结构如图1所示。旋转环和静止环往往还可根据它们是否具有轴向补偿能力而称为补偿环或非补偿环。
 机械密封中流体可能泄漏的途径有如图1中的A、B、C、D四个通道。
C、D泄漏通道分别是静止环与压盖、压盖与壳体之间的密封，二者均属静密封。B通道是旋转环与轴之间的密封，当端面摩擦磨损后，它仅仅能追随补偿环沿轴向作微量的移动，实际上仍然是一个相对静密封。因此，这些泄漏通道相对来说比较容易封堵。静密封元件最常用的有橡胶O形圈或聚四氟乙烯V形圈，而作为补偿环的旋转环或静止环辅助密封，有时采用兼备弹性元件功能的橡胶、聚四氟乙烯或金属波纹管的结构。
     A通道则是旋转环与静止环的端面彼此贴合作相对滑动的动密封，它是机械密封装置中的主密封，也是决定机械密封性能和寿命的关键。因此，对密封端面的加工要求很高，同时为了使密封端面间保持必要的润滑液膜，必须严格控制端面上的单位面积压力，压力过大，不易形成稳定的润滑液膜，会加速端面的磨损；压力过小，泄漏量增加。所以，要获得良好的密封性能又有足够寿命，在设计和安装机械密封时，一定要保证端面单位面积压力值即端面比压在最适当的范围。
机械密封的结构型式很多,分类方法也各有差别,通常是根据结构特点进行分类。机械密封的分类主要是根据摩擦副的对数，弹簧与介质接触与否，介质在端面上引起的比压情况，弹簧的个数，弹簧的运转和静止，以及介质的泄漏方向等来加以区别，以便合理的选择机械密封的结构型式，最大限度的发挥其结构特点和工作特性，满足长期稳定、安全、可靠的密封性能。机械密封的结构型式有以下几种：
① 单端面与双端面。单端面系在密封结构中仅有一对摩擦副，双端面即在密封结构中有两对摩擦副，且两对摩擦副处于相同封液压力作用下。双端面适用范围比较广，适用于强腐蚀、高温、带悬浮颗粒及纤维的介质、气体介质、易燃易爆介质、易挥发粘度低的介质、高真空、贵重物料及要求介质与空气隔绝切允许内漏的情况；单端面只适用于一般场合，理论上单端面不可能完全消除介质的泄漏，但单端面与其它辅助装置并用时也能起到良好的密封作用，且其结构简单，在制造和拆装上较容易，因而使用很普遍。
② 内装式与外装式。内装式是弹簧置于工作介质之内；外装式是置于工作介质之外。外装式的特点是机械密封零件不与介质接触且暴露在设备外，便于观察及维修安装。但是由于外装式的介质作用力与弹簧作用力相反，当介质压力有波动时，弹簧力余量可能调节不及时，会出现密封不稳定以致产生泄漏。一般情况下内装式的介质泄漏方向与离心力方向相反，泄漏情况较外装式为好，内装式受力情况较好，端面比压较小，容易形成液膜，切端面比压随介质压力增大而增大，因而增加了密封的可靠性，使用较普遍。
③ 平衡型与非平衡型。根据介质压力在端面上所引起的比压的卸载情况，可将密封分为平衡型与非平衡型，不卸荷的称非平衡型；卸荷的称平衡型。
④ 单弹簧与多弹簧。单弹簧又称大弹簧，即是在密封装置中仅有一个弹簧与轴同心安装；多弹簧又称小弹簧，即是在密封装置中有数个弹簧沿圆周均匀分布。一般负荷轻而且大量生产的密封以采用单弹簧为佳，少量生产且在严格的条件下使用时，则多采用多弹簧。
⑤ 旋转式与静止式。旋转式即是弹簧装置随轴转动；静止式即是弹簧装置不转动。一般的机械密封都采用旋转式，因为弹簧装置及轴的结构简单，径向尺寸小。高转速情况下，弹簧及其它零件产生的离心力很大，动平衡要求高。
⑥ 内流式与外流式。介质沿半径方向从端面外周向内漏者称内流式；介质沿半径方向从端面内周向外泄漏者称外流式。内流式的泄漏方向与离心力方向相反，离心力阻碍着流体的泄漏，因而内流式泄漏量比外流式小。对于有固体颗粒的情况尤其应该采用内流式，这样可防止固体颗粒进入摩擦面。
2.端面比压及计算中的问题
端面比压即密封两端面上单位面积所受到的压力，端面比压是衡量密封性能的重要参数，端面比压过大，将造成摩擦面发热，磨损加剧和功率消耗增加；比压过小，易于泄漏，密封破坏。
对端面比压的要求有：
① 端面比压不能小于端面间液膜的反压力，否则密封面会打开。
② 端面比压不能小于端面间温度升高时的物料或冲洗介质的饱和蒸气压，否则介质开始蒸发。
③ 使液体薄膜在允许泄漏量最小的条件下保持在摩擦面上起润滑作用。
要计算端面比压首先必须分析两端面间介质压力的分布规律，下图是一般内装式密封的压力分布简图：

图2 端面间压力分布图
首先分析液膜形成的推开力R：

——密封面上半径r处的压力。
假设摩擦副内压力按直线分布，则：
代入上式得到：

得到：

令 则

对轴径=50～150毫米，接触面宽度为5毫米算出。
在一定范围内取，产生的误差是不大的。
就有：
其次进行动环受力分析，见下图

图3 内装式（部分）平衡型密封动环受力图
压紧力：

推开力：
辅助密封圈上产生的与动环运动方向相反的摩擦力数值不大，在此计算中忽略不计。所以动环上所受的合力：

所以端面比压：
将各值代入，得到：
令：
为载荷系数，它表示介质产生的比压加到摩擦副上的载荷程度。
当≥1时为非平衡型；
当0＜＜1时为部分平衡型；
当≤0时为全平衡型。
对于平衡型或者部分平衡型密封，要使＜1，必须有，因此当轴在密封安装处没有轴肩时，需要一个尺寸、材质等方面合乎要求的轴套来满足这个条件。
根据以上公式，要计算或者校核密封的端面比压，需要的数据有：
――密封介质的压力，公斤/厘米2；
――弹簧比压，公斤/厘米2；
――密封环接触端面外径，厘米；
――密封环接触端面内径，厘米；
――轴（套）径，厘米；
其中：、、为实际测量数据，即针对具体的泵，可以测量得出。的值可以由厂家提供，不过多弹簧密封时还要考虑弹簧并联时弹性系数的计算。而的数值，对于一般单端面机械密封的离心泵可以认为是泵的入口压力，对于双端面的密封，科研认为是中间密封罐的压力，对于某些采用自体密封的泵，就要根据引出管的位置来确定了，如入口、某级叶轮或者出口压力，一般入口和出口的压力较易得到，当引出管从多级泵的某一级叶轮引出时，情况就比较麻烦，需要实测或者安装压力表来得到具体数值了。
以上是计算或者核算机械密封端面比压的方法，端面比压的重要性每个人都知道，有实际经验显示，如果机械密封安装合适，在较长的使用周期中，不会或者很少泄漏，而正确选择摩擦副材料和比压的机械密封可以使用2～5年，最长有用到9年以上的。但是在实际工作中，可能由于各种原因，一般密封都会在不太理想的周期内出现问题，其中一个重要的原因就是端面比压的确定不准，所以其计算显得尤其重要，而确定端面比压后，另一个重要参数――压缩量就可以得出，对机械密封的安装提供数据参考。

参 考 文 献
[1] 《机械密封》 上海化学工业设计院石油、化工设备设计建设组编
[2] 刘光漆 朱仁杰 机械密封 青岛 青岛市机械研究所
[3] 〔苏〕戈卢别夫 著 梁荣厚 译 端面密封及动力密封 燃料化学工业出版社
[4] 沈锡华 机械密封技术问答 北京 机械工业出版社