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波纹管机械密封应用分析
摘要：机械密封又称端面密封。用于泵、反应釜、压缩机、液压传动及其它类似设备的旋转轴的密封。它是此类机械设备的重要构件，对其正常运转安全生产影响极大，企业中此类设备很多，运行可靠，装置连续生产具有重大意义，并且有着不可替代的作用。密封从大的方面可分为：机械密封和填料密封。很早以前人们采用填料一类的多种密封材料，使液体从液泵壳体沿着主轴的向外泄漏量不断减少。尽管现代工艺流程中采用的液泵，仍然广泛地沿用最古老的密封设计——填料盒，因为其起步费用低，而且又为工厂的工作人员所熟悉。 然而，由于环境问题的关系，采用填料密封的方法已逐渐不能被人们所接受，特别是针对现代工艺流程中比较普遍的、腐蚀性较强的液体而言。而机械密封由于其泄漏量很小，密封可靠，摩擦功耗低，使用周期长，对轴(或轴套)磨损很小，能满足多种工况要求等特点被广泛应用于泵、压缩机、反应釜等旋转设备中，目前大多数的工业用泵配备机械密封。 机械密封的形式很多，分类的方式不相同。按其结构可分为：单端面和双端面；单弹簧和多弹簧；内装式和外装式；旋转式和固定式。按端面上载荷情况可分为非平衡性，部分平衡性和全平衡性等。在这里我就以常用的波纹管式机械密封（DBM-90）为例向大家简单的介绍一下机械密封。 关键词：机械密封 填料密封 波纹管式密封 一、机械密封的原理及材料 1、机械密封的原理：机械密封又称端面密封（Mechanical Seal），是旋转轴用动密封。机械密封性能可靠，泄漏量小，使用寿命长，功耗低，毋须经常维修，且能适应于生产过程自动化和高温、低温、高压、真空、高速以及各种强腐蚀性介质、含固体颗粒介质等苛刻工况的密封要求。 机械密封是靠一对或几对垂直于轴作相对 滑动的端面在流体压力和补偿机构的弹力（或磁力）作用下保持接合并配以辅助密封而达到的阻漏的轴封装置.如下图所示。工业泵常用的机械密封结构如图1所示。它是由动环6（旋转环）、静环10、传动加荷的装置（1弹簧座、3弹簧、4传动销）和动、静密封圈组成。由于一个密封面是动的，另一个密封面是静止不动的，因此将这类机械密封又称为动态密封。

机械密封的虽种类繁多，型号各异，但泄漏点主要有五处：（1）静环与静环座间的密封；（2）密封端盖与泵体的密封；（3）轴套和轴之间的密封； 这三者均属于静密封。（4）动环与轴之间的密封；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。（5）动环与静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在最适当的范围。 2、机械密封的材料 根据统计，机械密封的泄漏大约有80%～95%是由于密封端面、摩擦副造成的。除了要保持密封面平行之外，主要是摩擦副的材料问题。大部分机械密封的设计采用较硬的材料来制作旋转面，使其在较软的静止面上旋转摩擦。现在的旋转面更多选用不锈钢或更硬的材料制作，例如碳化钨或碳化硅；静止面则选用石墨或者聚四氟乙烯。 机械密封摩擦副材料的选择是一个复杂的问题。总体来说应根据工作介质的性质、压力、温度以及旋转速度等加以选择，同时还应考虑摩擦副在启动或液膜破坏时在承受短时间摩擦的能力。综合考虑以上因素，摩擦副的材料应具备下列条件：
(1) 机械强度高，能耐压和耐压力变形； (2) 具有耐干磨性，耐高载荷性，自润滑性好； (3) 配对材料的磨合性好，无过大的磨损和对偶腐蚀； (4) 耐磨性好，寿命长； (5) 导热性和散热性好； (6) 耐高温性好； (7) 抗热裂性好； (8) 耐腐蚀性强； (9) 线膨胀系数小，能耐热变形和尺寸稳定性好； (10) 切削加工性好，成型性能好 (11) 气密性好； (12) 密度小。 但环境不同，选材不同，我们选择机械密封时既要照顾选材的一致性，又要照顾环境腐蚀差异；温度、浓度、压力不同，选材不同；同一介质温度，浓度、压力不同，腐蚀情况各异，要对腐蚀性有所了解，酌情选材；腐蚀形式不同，选材不同。 二、机械密封的优缺点 1、机械密封的优点 机械密封与软填料密封相比优点如下： (1)密封可靠，在长期运转中密封状态很稳定，泄漏量很小，其泄漏约为软填料密封的1%； (2) 使用寿命长，在油、水介质中一般可达1～2年或更长，在化工介质中一般能工作半年以上； (3)摩擦功率消耗小，其摩擦功率仅为软填料 密封的10%～50%； (4) 轴或者轴套基本上不磨损； (5) 维修周期长，端面磨损后可自动补偿，一般情况下不需经常性维修； (6) 抗振动性好，对旋转轴的振动不太“敏感” (7) 适用范围广，机械密封能用于高温、低温、高压、真空、不同旋转频率，以及各种腐蚀介质和含磨粒介质的密封。 2、机械密封的缺点 机械密封与填料密封相比缺点如下： (1)结构复杂，对制造加工要求较高； (2)安装与更换比较麻烦，要求工人有一定的技术水平； (3)发生偶然性事故时，处理较困难； (4)价格高； 3、波纹管机械密封的优点 波纹管机械密封原理与弹簧式机械密封原理基本相同，所不同的是，波纹管机械密封比弹簧式机械密封有更突出的优点，表现为：① 结构简单，安装方便，适应性强，静止环具有浮动性；②可以更好的防止抽空；③旋转环易于更换、修复；④ 结构紧凑，抗震力强，承受作用力均匀，稳定性好；⑤ 旋转环、静止环法兰连接、动泄漏点少。 三、机械密封的安装方法 1、安装前对密封的检查 无论是新换的机械密封，还是修复的密封，在安装前均需仔细检查以下各项：检查所有的部件，部件须干净无垢，尤其是动静环的密封面；检查密封的转动部件，传动销及弹
簧销等均动作自如；检查转动部件的定位螺丝，定位螺丝应松紧自如，旧的应更换；根据密封安装图仔细检查全部辅助密封圈的厚度，厚度不合适将会影响密封的正确定位及施加于密封面上的弹簧载荷；检查所有的旋转部件与轴（或轴套）配合适当；检查动静环密封面，不能有任何刻痕或划伤，任何一点细微的损伤都有可能造成密封面泄漏。 2、安装 机械密封运行的好坏及寿命的长短较大程度上取决于设备自身的条件，因此在安装机械密封时，仔细对设备进行检查将会降低密封失效的可能及维修的费用。安装时一定要注意下面几项： (1)安装机械密封部位的轴或轴套的技术要

求应按下表所规定：
类别 轴径（mm） 径向跳动（mm） 表面粗糙度（Ra） 外径尺寸公差 轴向跳动 (mm) 泵用 10—50 ≤0.04 ≤1.6 h6 ≤

簧销等均动作自如；检查转动部件的定位螺丝，定位螺丝应松紧自如，旧的应更换；根据密封安装图仔细检查全部辅助密封圈的厚度，厚度不合适将会影响密封的正确定位及施加于密封面上的弹簧载荷；检查所有的旋转部件与轴（或轴套）配合适当；检查动静环密封面，不能有任何刻痕或划伤，任何一点细微的损伤都有可能造成密封面泄漏。 2、安装 机械密封运行的好坏及寿命的长短较大程度上取决于设备自身的条件，因此在安装机械密封时，仔细对设备进行检查将会降低密封失效的可能及维修的费用。安装时一定要注意下面几项： (1)安装机械密封部位的轴或轴套的技术要求应按下表所规定：
类别 轴径（mm） 径向跳动（mm） 表面粗糙度（Ra） 外径尺寸公差 轴向跳动 (mm) 泵用 10—50 ≤0.04 ≤1.6 h6 ≤
0.01 >50—120 ≤0.06 (2)安装静环辅助圈的端盖（或壳体）孔的端部及表面粗糙度应按下表及图的规定： (3)壳体与密封端结合的定位端面对轴（或轴套）表面的跳动公差按下表规定： 类别 轴径（mm） 跳动公差（mm） 泵用 16—50 ≤0.04 55—120 ≤0.06 （4）密封零件、轴表面、密封腔体必须清洗干净，并保证密封液管路畅通。 （5）密封安装时，轴表面、磨擦副工作端面应涂以低粘度润滑油。 （6
）机械密封的弹簧旋向
(主要指使用一只大弹簧且承受扭力的情况)应与泵轴的旋转方向相反，以使之越旋越紧 （7）密封压盖拧紧时应对称上紧，防止压盖 类别 轴径（mm） C(mm) α 泵用 10—16 1.5 20 >16-48 2 48—75 2.5 >75-120 3
偏斜，同时保证压盖垫子和泵体的良好接触。 （8）机械密封安装完毕后，用手盘动联轴器看轴转动是否轻松，若盘不动或很吃力，则应检查有关装配尺寸是否正确。 3、安装有机械密封装置的设备的启动、操作和使用 正确的操作和使用对于机械密封的寿命影响也至关重要，一般说来，以下注意事故适用于大多数机械密封的正确使用。 (1) 大多数机械密封设计时都是考虑在液态的环境中工作，因此开车以前密封面就必须浸在液体之中，干运转会严重破坏密封面，影响密封的使用和寿命。当然点动设备确认电机转向不会破坏密封，但全速运转的设备的机械密封必须工作在液体当中。 (2) 与设备相连的管道系统也必须清理干净，该系统的杂物如不及时清理干净，长期运转后，杂物有可能进入密封中，从而影响密封的寿命。新设备密封的提前失效大多数是由于这种原因造成的。因此新设备开车前在进口设置过滤器很有必要。 (3) 打开冷却或冲洗系统，无论设备是否运转，最好不要切断冷却或冲洗系统，尤其是在设备输送的是热的介质或介质冷却后有可能结晶的情况下。 (4) 对于新安装的设备，在第一次运转时，开始有可能发生轻微的泄漏，这是正常现象，随着密封的磨合，泄漏量会减少直至停止泄漏。但如果持续时间的泄漏，说明辅助密封系统有可能损坏或是密封面破坏。 (5) 设备运转的好坏也是影响密封寿命的一 个关键因素。泵的汽蚀不但影响泵的性能，也会对密封产生不利的影响。汽蚀会造成轴的不正常振动和摆动，使轴承损坏，密封腔也会过热，从而破坏密封面之间形成的液膜，最终导致密封失效。 四、机械密封的泄漏分析及检修 1、机械密封的检修 机械密封的检修无须特别的工具和材料，一般来说检修机械密封须备有如下工具和材料： (1)白布和软纸：在机械密封的检修和安装过程中，干净是一个最基本的也是最关键的条件，检修机械密封时，一般不允许带手套作业。 (2)干净的润滑油：为了安装密封的方便，所有与轴或轴套接触的部件，安装时最好也涂上少量的润滑油。 (3)紧固定位螺丝用的内六角扳手。一般机构密封用的定位螺丝均为不锈钢材质，不合适的工具有可能损坏螺丝，从而不能很好地紧固动环，所以必须准备专用工具。 2、泄漏原因分析及判断 随着工业企业流程化、自动化水平的不断提高，设备稳定性、可靠性显得尤为重要。据统计60％机械设备非计划停车事故与密封故障造成泄漏有直接联系，密封性能已成为评定机械产品质量的一个重要指标。机械密封种类繁多，型号各异，但泄漏点主要有五处：（a）轴套与轴间的密封；（b）动环与轴套间的密封；（c）动、静环间密封；（d）对静环与静环座间的密封；（e）密封端盖与泵体间
的密封 一般来说，轴套外伸的轴、密封端盖与泵体间的泄漏比较容易发现和解决，但需细致观察，特别是当工作介质为液化气体或高压、有毒有害气体时，相对困难些。其余的泄漏直观上很难辨别和判断，须在长期管理、维修实践的基础上，对泄漏症状进行观察、分析、研究判断，才能得出正确结论。以下是几种常见故障及其分析： (1) 安装静试时泄漏。机械密封安装调试好后，一般要进行静压试验，观察泄漏量。如泄漏量较小，多为动环或静环密封圈存在问题；泄漏量较大时，则表明动、静环摩擦副间存在问题。在初步观察泄漏量、判断泄漏部位的基础上，再手动盘车观察，若泄漏量无明显变化则静、动环密封圈有问题；如盘车时泄漏量有明显变化则可断定是动、静环摩擦副存在问题；如泄漏介质沿轴向喷射，则动环密封圈存在问题居多，泄漏介质向四周喷射或从水冷却孔中漏出，则多为静环密封圈失效。此外，泄漏通道也可同时存在，但一般有主次区别，只要观察细致，熟悉结构，一定能正确判断。 (2) 试运转时出现的泄漏。泵用机械密封经过静试后，运转时高速旋转产生的离心力，会抑制介质的泄漏。因此，试运转时机械密封泄漏在排除轴间及端盖密封失效后，基本上都是由于动、静环摩擦副受破坏所致。引起摩擦副密封失效的因素主要有： a、操作中，因抽空、气蚀、憋压等异常现象，引起较大的轴向力，使动、静环接触面分离； b、对安装机械密封时压缩量过大，导致摩擦副端面严重磨损、擦伤； c、动环密封圈过紧，弹簧无法调整动环的轴向浮动量； d、静环密封圈过松，当动环轴向浮动时，静环脱离静环座； e、工作介质中有颗粒状物质，运转中进人摩擦副，探伤动、静环密封端面； f、设计选型有误，密封端面比压偏低或密封材质冷缩性较大等。上述现象在试运转中经常出现，有时可以通过适当调整静环座予以消除，但多数需要重新拆装，更换密封。 (3)正常运转中突然泄漏。离心泵在运转中突然泄漏少数是因正常磨损或已达到使用寿命，而大多数是由于工况变化较大或操作、维护不当引起的。 a、抽空、气蚀或较长时间憋压，导致密封破坏； b、对泵实际输出量偏小，大量介质泵内循环，热量积聚，引起介质气化，导致密封失效； c、回流量偏大，导致吸人管侧容器（塔、釜、罐、池）底部沉渣泛起，损坏密封； d、对较长时间停运，重新起动时没有手动盘车，摩擦副因粘连而扯坏密封面； e、介质中腐蚀性、聚合性、结胶性物质增多； f、环境温度急剧变化； g、工况频繁变化或调整； h、突然停电或故障停机等。离心泵在正常运转中突然泄漏，如不能及时发现，往往会酿成较大事故或损失，须予以重视并采取有效措施
机械密封一旦出现故障泄漏时，不能立即停车检修，当设备还在运转时，相关人员就应立即到现场进行检查，仔细观察设备的运转状况，辅助系统的压力流量，泄漏部位以及设备振动情况等各方面因素，以便于分析失效的原因。 五、结束语 机械密封本身是一种较为精密的部件，引起泄漏的元素多，对零件的加工精度及安装质量都有很高的要求。在实际生产中，机械密封泄漏往往是各种因素的集合，因此，要正确分析机械密封失效的原因并非容易的事。这里只是简单介绍了机械密封在使用过程中比较常见的失效原因。从中可以看出，在使用机械密封时，应该详细分析使用机械密封的各种因素，按照规定的使用条件范围选用机械密封，才能保证密封长周期稳定、可靠 地运转。由于接触密封的时间不长，同时限于本人的知识水平和经验有限，文中可能有很多的局限性和不足的地方，欢迎大家指出。 参考文献 【1】胡国桢．化工密封技术[M]．北京：化学工业出版社，l990 【2】顾永泉．流体动密封[M]．东营：石油大学出版社，1990 【3】尹永发。机械密封设计、维修中不可忽略的问题[J]。昆明：化学工业出版社，1995 【4】侯威、刘亚莲。机械密封的理论与实践[J]。抚顺：石油工业出版社，1998 【5】来永斌、陈秀。机械密封失效的原因及装配[J]。淮南：化学工业出版社 2002 【6】胡国桢，石流，阎家宾．化工密封技术[M]．北京：化学工业出版社，1990
1234567890ABCDEFGHIJKLMNabcdefghijklmn!@#$%^&&*()_+.一三五七九贰肆陆扒拾，。青玉案元夕东风夜放花千树更吹落星如雨宝马雕车香满路凤箫声动玉壶光转一夜鱼龙舞蛾儿雪柳黄金缕笑语盈盈暗香去众里寻他千百度暮然回首那人却在灯火阑珊处
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