機械密封知識

一、機械密封概述

機械密封（端面密封）是一種用來解決旋轉軸與機體之間密封的裝置。它是由至少一對垂直於旋轉軸線的端面的流體壓力和補償機構彈力（或磁力）的作用及輔助密封的配合下保持貼合下並相對滑動而構成防止流體洩漏的裝置，常用於泵、壓縮機、反應攪拌釜等旋轉式流體機械，也用於齒輪箱、船舶尾軸等密封。因此，機械密封是一種通用的軸封裝置。

機械密封結構多種多樣，最常用的機械密封結構是端面密封。端面密封的靜環、動環組成一對摩擦副，摩擦副的作用是防止介質洩漏。它要求靜環、動環，具有良好的耐磨性，動環可以在軸向靈活的移動，自動補償密封面磨損，使之與靜環良好的貼合；靜環具有浮動性，起緩衝作用。為此，密封面要求有良好的加工質量，保證密封副有良好的貼合性能。構成機械密封的基本元件有靜環、動環、壓蓋、推環、彈簧、定位環、軸套、動環密封圈、靜環密封圈軸套密封圈等。

彈性元件（彈簧、波紋管）它主要起預緊、補償和緩衝的作用，要求始終保持足夠的彈性來克服輔助密封和傳動件的摩擦和動環等的慣性，保證端面密封副良好的貼合和動環的追隨性，材料要求耐腐蝕、耐疲勞。

輔助密封（O形圈、V形圈、U 形圈、楔形圈和異形圈等）它主要起靜環和動環的密封作用，同時也起到浮動和緩衝作用。要求靜環的密封元件能保證靜環與壓蓋之間的密封性，靜環有一定的浮動性，動環的密封元件能保證動環與軸或軸套之間的密封性和動環的浮動性。材料要求耐熱等。

1、基本結構

1）端面密封摩擦副

2）緩衝補賞和壓緊機構

3）輔助密封（二級密封撓性元件）

4）傳動機構

2、基本密封點

1）端面主密封點

2）靜環與端蓋輔助密封點

3）動環與軸（軸套）輔助密封點

4）端蓋與泵體連接密封點

二、機械密封的優缺點

1、優點

（1）結構可靠，洩漏量可以限制到很少，只要主密封面的表面粗糙度和平直度能保證達到要求，只要材料耐磨性好，機械密封可以達到很少洩漏量，甚至肉眼看不見洩漏。

（2）壽命長。在機械密封中，主要磨損部分是密封摩擦副端面，因為密封端面的磨損量在正常工作條件下不大，一般可以連續使用1～2年，特殊場合下也有用到5～10年。

（3）運轉中無需調整。由於機械密封靠彈簧力和流體壓力使摩擦副貼合，在運轉中自動保持接觸，裝配後就不用像普通軟填料那樣需調整壓緊。

（4）具有耐耐振性。在轉速為3000r/min下最大振幅不超過 0.05mm使用PV值不斷提高

（5）功率損失小。填料密封是靠盤根的壓緊在軸上或軸套上起作用的。填料密封與軸直接摩擦，填料壓的越緊摩擦力就越大、消耗功率也就越大。而機械密封的摩擦是處於半液摩擦狀態，摩擦係數非常的小，機械密封的功率損失是填料密封的10～50%

（6）波紋管密封軸或軸套不受磨損，對旋轉軸的振擺和軸對殼體的偏斜不敏感。

（7）適用範圍廣。當介質易燃、易爆、有毒有害時，採用機械密封可保證密封。它還適用於高溫、低溫、高壓、真空各種轉速的及腐蝕介質的設備密封。

2、缺點

（1）如結構比填料密封複雜，加工精度要求高，並要求一定的安裝技術等，特別是幹氣密封的安裝要求更高。而且密封技術發展的很快，新技術不斷出現給我們維修帶來了新的課題。

（2）結構複雜、拆裝不便。與其它密封比較，機械端面密封的零件數目多，要求精密，結構複雜。特別是在裝配方面較困難，拆裝時要從軸端抽出密封環，必須把機器部分（聯軸器）或全部拆卸。這一問題目前已作了某些改進，例如採用拆裝方便並可保證裝配質量的剖分式和集裝式機械密封等。

三、機械密封的工作原理

機械密封亦稱端面密封，是靠一對或數對垂直於軸作相對滑動的端面在流體壓力和補償機構的彈力（或磁力）作用下，依賴輔助密封的配合與另一端保持貼合，並相對滑動，從而防止流體洩漏。

四、機械密封常用材料的選用

清水，常溫：（動）9Cr18，1Cr13 堆焊鈷鉻鎢，鑄鐵；（靜）浸樹脂石墨，青銅，酚醛塑料。

河水（含泥沙），常溫：（動）碳化鎢，（靜）碳化鎢。

海水，常溫：（動）碳化鎢，1Cr13 堆焊鈷鉻鎢，鑄鐵；（靜）浸樹脂石墨，碳化鎢，金屬陶瓷。

過熱水 100度：（動）碳化鎢，1Cr13 堆焊鈷鉻鎢，鑄鐵；（靜）浸樹脂石墨，碳化鎢，金屬陶瓷。

汽油，潤滑油，液態烴，常溫：（動）碳化鎢，1Cr13 堆焊鈷鉻鎢，鑄鐵；（靜）浸樹脂或錫銻合金石墨，酚醛塑料。

汽油，潤滑油，液態烴，100度：（動）碳化鎢，1Cr13 堆焊鈷鉻鎢；（靜）浸青銅或樹脂石墨。

汽油，潤滑油，液態烴，含顆粒：（動）碳化鎢；（靜）碳化鎢 。

五、密封材料的種類及用途

密封材料應滿足密封功能的要求。由於被密封的介質不同，以及設備的工作條件不同，要求密封材料的具有不同的適應性。對密封材料的要求一般是：

1） 材料緻密性好，不易洩露介質。

2） 有適當的機械強度和硬度。

3） 壓縮性和回彈性好，永久變形小。

4） 高溫下不軟化，不分解，低溫下不硬化，不脆裂。

5） 抗腐蝕性能好，在酸，鹼，油等介質中能長期工作，其體積和硬度變化小，且不粘附在金屬表面上。

6） 摩擦係數小，耐磨性好。

7） 具有與密封面結合的柔軟性。

8） 耐老化性好，經久耐用。

9） 加工製造方便，價格便宜，取材容易。

六、機械密封安裝、使用技術要領

1）設備轉軸的徑向跳動應≤0.04毫米，軸向竄動量不允許大於0.1毫米；

2）設備的密封部位在安裝時應保持清潔，密封零件應進行清洗，密封端面完好無損，防止雜質和灰塵帶入密封部位；

3）在安裝過程中嚴禁碰擊、敲打，以免使機械密封摩擦副破損而密封失效；

4）安裝時在與密封相接觸的表面應塗一層清潔的機械油，以便能順利安裝；

5）安裝靜環壓蓋時，擰緊螺絲必須受力均勻，保證靜環端面與軸心線的垂直要求；

6）安裝後用手推動動環，能使動環在軸上靈活移動，並有一定彈性；

7）安裝後用手盤動轉軸、轉軸應無輕重感覺；

8）設備在運轉前必須充滿介質，以防止幹摩擦而使密封失效。

七、機械密封在工業方面發展及應用

橡膠是最常用的密封材料。除橡膠外，適合於做密封材料的還有石墨等，聚四氟乙烯以及各種密封膠等。

當前採用新材料和工藝的各種機械密封的新技術，進展較快，有下列的機械密封新技術。密封面開槽密封技術近年來，在機械密封的密封端面上開了各種各樣的流槽，以產生流體靜、動壓效應，現在還在不斷更新。

零洩漏密封技術過去總認為接觸式和非接觸式機械密封不可能達到零洩漏（或無洩漏）。以色列利用開槽密封技術，提出零洩漏非接觸式機械端面密封的新概念，並已用於核電站潤滑油泵中。幹運轉氣體密封技術這類密封是將開槽密封技術用於氣體密封。上游泵送密封技術即利用密封面上開流槽將下游少量洩漏流體泵送回上游。

上述幾類密封的結構特點是：採用淺槽，且膜厚和流槽的深均屬微米級，並採用潤滑槽，徑向密封壩和周向密封堰組成密封和承載部分。也可以說開槽密封是平面密封和開槽軸承的結合。其優點是洩漏量小（甚至無洩漏）、膜厚大，消除接觸摩擦、功耗和發熱量小。熱流體動壓密封技術它是利用各種形狀較深的密封面流槽，造成局部熱變形，以產生流體動力楔效應。這種具有流體動壓承載能力的密封，稱之為熱流體動力楔密封。

波紋管密封技術可分為成型金屬波紋管和焊接金屬波紋管機械密封技術。

多端面密封技術分為雙密封、中間環密封、多密封技術。另外還有平行面密封技術、監控密封技術、組合密封技術等。

八、機械密封沖洗方案及特點

沖洗的目的在於防止雜質集積，防止氣囊形成，保持和改善潤滑等，當沖洗液溫度較低時，兼有冷卻作用。沖洗的方式主要有如下：

（一）內沖洗

1、正沖洗

1）特點：利用工作主機的被密封介質，由泵的出口端通過管路引入密封腔。

2）應用：用於清潔流體， p1稍大於p進，當溫度高或有雜質時，可在管路上設置冷卻器、過濾器等。

2、反衝洗

1）特點：利用工作主機的被密封介質，由泵的出口端引入密封腔，沖洗後通過管路流回泵入口。

2）應用：用於清潔流體，且p進<p1<p出，當溫度高或有雜質時，可在管路上設置冷卻器、過濾器等。

3、全沖洗

1）特點：利用工作主機的被密封介質，由泵的出口端通過管路引入密封腔，沖洗後再經管路流回泵入口。

（二）外沖洗

特點：引入外系統與被密封介質相容的清潔流體至密封腔進行沖洗。

應用：外沖洗液壓力應比被密封介質大0.05--0.1MPa，適用於介質為高溫或固體顆粒的場合。沖洗液的流量應保證帶走熱量，還需滿足沖洗的需要，不會產生對密封件的沖蝕。為此，需控制密封腔的壓力和沖洗的流速，一般清潔沖洗液的流速應小於5m/s；

含有顆粒的漿狀液體須小於3m/s，為達到上述的流速值，沖洗液與密封腔壓力的差值應<0.5MPa，一般取0.05--0.1MPa，對雙端面機械密封可取0.1--0.2MP，沖洗液進入和排出密封腔的孔口位置，應設置在密封端面附近，且應在靠近動環側，為了防止石墨環被沖蝕或因冷卻不均引起溫差變形，以及雜質堆積和結焦等，可採用切向引入或多點沖洗.必要時，沖洗液可以是熱水或蒸汽。

九、機械密封典型失效原因分析

（一）機械密封本身問題

1、鑲裝不到位或不平整。

2、載荷係數太大或端面比壓設計不合理。

3、材質選用不當。

4、密封面不平。

5、密封面太寬或太窄。

（二）輔助系統問題

1、工況條件複雜，但沒有沖洗等輔助設施。

2、沖洗管堵塞。

3、冷卻管結垢。

（三）介質及工作條件問題

1、介質腐蝕性強。

2、介質中有固體顆粒。

3、設備抽空。

4、密封面結晶。

5、介質粘度太大。

（四）泵的問題

1、軸的加工精度不佳、串軸、跳動、安裝間隙過大。

2、泵開啟後振動太大。

3、壓蓋墊環不佳。

4、密封箱不平。

5、機械密封安裝沒有達到應有的壓縮量。

十、常見的滲漏現象

機械密封滲漏的比例佔全部維修泵的50 %以上，機械密封的運行好壞直接影響到水泵的正常運行，現總結分析如下：

1、週期性滲漏

（1）泵轉子軸向竄動量大，輔助密封與軸的過盈量大，動環不能在軸上靈活移動。在泵翻轉，動、靜環磨損後，得不到補償位移。

對策：在裝配機械密封時，軸的軸向竄動量應小於0．1mm ，輔助密封與軸的過盈量應適中，在保證徑向密封的同時，動環裝配後保證能在軸上靈活移動（把動環壓向彈簧能自由地彈回來）。

（2）密封面潤滑油量不足引起幹摩擦或拉毛密封端面。

對策：油室腔內潤滑油麵高度應加到高於動、靜環密封面。

（3）轉子週期性振動。原因是定子與上、下端蓋未對中或葉輪和主軸不平衡，汽蝕或軸承損壞（磨損），這種情況會縮短密封壽命和產生滲漏。

對策：可根據維修標準來糾正上述問題。

2、由於壓力產生的滲漏

（1）高壓和壓力波造成的機械密封滲漏由於彈簧比壓力及總比壓設計過大和密封腔內壓力超過3MPa時，會使密封端面比壓過大，液膜難以形成，密封端面磨損嚴重，發熱量增多，造成密封面熱變形。

對策：在裝配機封時，彈簧壓縮量一定要按規定進行，不允許有過大或過小的現象，高壓條件下的機械密封應採取措施。為使端面受力合理，儘量減小變形，可採用硬質合金、陶瓷等耐壓強度高的材料，並加強冷卻的潤滑措施。

（2）真空狀態運行造成的機械密封滲漏泵在起動、停機過程中，由於泵進口堵塞，抽送介質中含有氣體等原因，有可能使密封腔出現負壓，密封腔內若是負壓，會引起密封端面幹摩擦，內裝式機械密封會產生漏氣（水）現象，真空密封與正壓密封的不同點在於密封對象的方向性差異，而且機械密封也有其某一方向的適應性。

對策：採用雙端面機械密封，這樣有助於改善潤滑條件，提高密封性能。

3、由於介質引起的滲漏

（1）大多數潛汙泵機械密封拆解後，靜環和動環的輔助密封件無彈性，有的已經腐爛，造成了機封的大量滲漏甚至有磨軸的現象。由於高溫、汙水中的弱酸、弱鹼對靜環和動環輔助橡膠密封件的腐蝕作用，造成了機械滲漏過大，動、靜環橡膠密封圈材料為丁腈—40 ，不耐高溫，不耐酸鹼，當汙水為酸性鹼性時易腐蝕。

對策：對腐蝕性介質，橡膠件應選用耐高溫、耐弱酸、弱鹼的氟橡膠。

（2）固體顆粒雜質引起的機械密封滲漏如果固體顆粒進入密封端面，將會劃傷或加快密封端面的磨損，水垢和油汙在軸（套）表面的堆積速度超過摩擦副的磨損速度，致使動環不能補償磨耗位移，硬對硬摩擦副的運轉壽命要比硬對石墨摩擦副的長，因為固體顆粒會嵌入石墨密封環的密封面內。

對策：在固體顆粒容易進入的位置應選用碳化鎢對碳化鎢摩擦副的機械密封。

4、因其他問題引起的機械密封滲漏

機械密封中還存在設計、選擇、安裝等不夠合理的地方。

（1）彈簧壓縮量一定要按規定進行，不允許有過大或過小的現象，誤差±2mm ，壓縮量過大增加端面比壓，摩擦熱量過多，造成密封面熱變形和加速端面磨損，壓縮量過小動靜環端面比壓不足，則不能密封。

（2）安裝動環密封圈的軸（或軸套）端面及安裝靜環密封圈的密封壓蓋（或殼體）的端面應倒角並修光，以免裝配時碰傷動靜環密封圈。

十一、機封正常運行和維護問題

1、啟動前的準備工作及注意事項

a 全面檢查機械密封，以及附屬裝置和管線安裝是否齊全，是否符合技術要求。

b 機械密封啟動前進行靜壓試驗，檢查機械密封是否有洩漏現象。若洩漏較多，應查清原因設法消除。如仍無效，則應拆卸檢查並重新安裝。一般靜壓試驗壓力用2-3公斤/平方釐米。

c 按泵旋向盤車，檢查是否輕快均勻。如盤車吃力或不動時，則應檢查裝配尺寸是否錯誤，安裝是否合理。

2、安裝與停運

a 啟動前應保持密封腔內充滿液體。對於輸送凝固的介質時，應用蒸氣將密封腔加熱使介質熔化。啟動前必須盤車，以防止突然啟動而造成軟環碎裂。

b 對於利用泵外封油系統的機械密封，應先啟動封油系統。停車後最後停止封油系統。

c 熱油泵停運後不能馬上停止封油腔及端面密封的冷卻水，應待端面密封處油溫降到80度以下時，才可以停止冷卻水，以免損壞密封零件。

3、運轉

a 泵啟動後若有輕微洩漏現象，應觀察一段時間。如連續運行4小時，洩漏量仍不減小，則應停泵檢查。

b 泵的操作壓力應平穩，壓力波動不大於1公斤/平方釐米。

c 泵在運轉中，應避免發生抽空現象，以免造成密封面幹摩擦及密封破壞。

機械密封本身是一種要求較高的精密部件，對設計、機械加工、裝配質量都有很高的要求。在使用機械密封時，應分析使用機械密封的各種因素，使機械密封適用於各種泵的技術要求和使用介質要求且有充分的潤滑條件，這樣才能保證密封長期可靠地運轉。