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1、过程装备密封技术Sealing Technology of Process Equipments,过程装备密封技术,过程机械的动密封,接触密封(1)软填料密封(2)往复轴密封(3)旋转轴弹性密封(4)机械密封非接触转轴密封(1)间隙密封(2)迷宫密封,过程机械的动密封,(3)气膜密封(4)液膜密封(5)离心密封(6)螺旋密封(7)停车密封(8)磁流体密封全封闭密封,过程机械的动密封,4.1 接触密封4.1.1 软填料密封4.1.1.1 引言,软填料密封：压盖填料（Gland Packing)密封、盘根（Packing)密封。,应用场合 旋转运动：离心泵、真空泵、搅拌机、反应釜。往复运动：往复泵
2、、往复压缩机的柱塞或活塞杆。螺旋运动：阀门的阀杆与阀座。,(1)基本结构(图4-1),(2)软填料的分类、材料和结构,分类和结构,按功能：阀门用填料、离心泵用填料、往复压缩机用填料。按材料：橡胶、天然纤维填料、合成纤维填料和金属填料等。按加工方法：绞合填料、编结填料、叠层填料和模压填料。其中的编结填料按编织方式又分为：夹心套层式编结填料、发辫式编结填料、穿心式编结填料。（图4-3）,过程机械的动密封,(2)软填料的分类、材料和结构,基本材料(表4-1),橡胶：天然橡胶、合成橡胶（NBR、CR、SBR、EPDM）；纤维：矿物类（石棉、柔性石墨）；植物类（棉花、麻）；动物类（皮革、毛发）；合成类（
3、人造丝、各种合成纤维）。辅助材料：金属、润滑剂、防腐蚀剂,4.1.1.2 软填料密封的原理,流体通过软填料密封泄漏的机理分析(1)泄漏根本原因：存在动力：即压力差、浓度差，或沿泄漏方向有相对运动；存在泄漏通道。(2)泄漏途径：通过填料与静止件界面的泄漏 通过填料本身的泄漏（渗透泄漏）通过填料与运动界面之间的泄漏,编结填料结构及常见编结填料,过程机械的动密封,4.1.1.2 软填料密封的原理,(1)应力特征,推导过程,过程机械的动密封,4.1.1.2 软填料密封的原理,(1)应力特征,过程机械的动密封,4.1.1.2 软填料密封的原理,(1)应力特征,图 软填料密封压力分布,为保证密封，理论上，
4、填料底部的径向压力密封介质压力。,过程机械的动密封,4.1.1.2 软填料密封的原理,(2)摩擦力和摩擦力矩,填料轴向微元上的摩擦力dFt为：,填料与轴的总摩擦力Ft为：,摩擦力矩为：,实际应用时，上式可改写为：,对回转轴密封：由Mt产生的功率消耗为：,过程机械的动密封,4.1.1.2 软填料密封的原理,(3)泄漏率,泄漏率计算公式：,允许泄漏率,(4)磨损与润滑,由于填料径向接触应力沿轴向长度分布的不均匀，正常装填的填料在压盖处磨损较大，向内逐渐减小.装填不好，填料和轴在短时间内产生剧烈磨损。润滑剂的作用：润滑，带走摩擦热，减少填料热磨损,(2-43),过程机械的动密封,4.1.1.3 软填
5、料密封结构的设计,(1)软填料密封结构的基本要求,过程机械的动密封,4.1.1.3 软填料密封结构的设计,(1)软填料密封结构的基本要求,过程机械的动密封,4.1.1.3 软填料密封结构的设计,(2)填料函主要结构尺寸,填料函的结构尺寸主要包括填料厚度、填料高度、填料函总高度，以及压盖和底套尺寸等。,设计填料函尺寸方法,(1)相关国家或企业标准(表4-4)；(2)经验公式,过程机械的动密封,4.1.1.4 填料的选择、安装和使用,(1)填料材料的正确选择,选择填料材料要考虑的因素,(1)设备的种类和运动方式；(2)介质的物理和化学性质；(3)工作温度和压力；(4)运动速度,这些因素的数值特征主
6、要是反映磨损和发热程度的工作温度T和压力与线速度的乘积pv值，以及标志介质腐蚀性强弱的pH值。,(2)填料的合理安装,阀杆填料的安装,除去填料函中所有的旧填料，彻底洁净填料函和阀杆，检查阀杆表面的磨损和擦伤情况。测量并记录阀杆直径，填料函深度和内孔直径。把成卷连续的填料切割成当个圆环 用压盖螺栓进行预加载。,过程机械的动密封,4.1.1.4 填料的选择、安装和使用,(2)填料的合理安装,泵用填料的安装,(1)清理旧填料和切割安装填料环同上述安装阀门填料的步骤相同。但如果需要安装封液环，应将它安置在接管丝扣孔处。(2)所有的环都安装完成后，把压盖放置填料上，用手指拧紧压盖螺母。开动 泵，把螺栓拧
7、紧直至渗漏减小到允许的最小泄漏程度为止；重新安装后的填料在设备开动时发生泄漏是允许的。在设备开动后的1h内将压盖螺栓分步拧紧，以减小到允许的滴漏和发热程度，如此做成使填料在以后的长期运行中具有良好的密封性能。,阀门压盖螺栓载荷的确定,两种方法：(1)控制填料压缩量法;(2)控制压盖螺栓转矩法,控制填料压缩量法：即预先确定达到密封必须压缩填料的距离，此对不同的填料材料具有不同的数值，且当系统压力提高时，压缩量要相应增加。控制压盖螺栓转矩法：如下式来估算螺栓预紧转矩：,过程机械的动密封,4.1.1.4 填料的选择、安装和使用,(3)填料密封失效的原因与正确的使用维护,过程机械的动密封,4.1.2
8、往复轴密封,往复密封是指用于过程机械作往复运动机构处的密封，包括液压密封、气动密封、活塞环密封、柱塞泵密封等。,4.1.2.1 液压密封,(1)对液压密封的基本要求,一般的液压密封指液压缸活塞密封和活塞杆密封。当范围更广、要求更严时，还包括防止灰尘或外界液体进入系统的防尘密封。,对液压密封的基本要求如图4-12,(2)弹性体密封的基本原理a.自密封机理,最常见的弹性密封件是橡胶O形圈.弹性体密封的“自动密封”或称“自密封”是依靠弹性体材料的弹性、并存在初始装配过盈量或预紧加载荷来实现的。,过程机械的动密封,4.1.2 往复轴密封,4.1.2.1 液压密封,(2)弹性体密封的基本原理,在操作过程
9、中，流体压力p作用在密封环暴露于介质的表面，使得密封面的接触应力增加到p(图4-14)。密封面的接触应力超过了被密封的流体压力p，从而实现了密封。,接触应力p与介质压力p的关系可通过分析三维应力应变关系获得，其表达式为：,为弹性体材料的泊松比，对弹性体材料，=0.5，则：,表明弹性体密封的接触应力p总比介质压力高0，因此具有自动适应流体压力变化的能力。,过程机械的动密封,4.1.2 往复轴密封,4.1.2.1 液压密封,(2)弹性体密封的基本原理b.液压往复运动用O形密封圈,弹性体O形密封圈用作往复运动密封件时，其预密封作用和自密封作用与用作静密封时一样。但由于活塞杆往复运动时容易将液体带到O
10、形圈和活塞杆之间，导致粘附泄漏，情况比静密封复杂。,往复运动中橡胶O形圈的泄漏如图4-16.,c.活塞杆密封,活塞杆密封是液压设备最关键的元件 首先保证静态密封效果，但静态密封效果好，往复运动时可能发生泄漏。往复运动时，密封是依靠密封件与运动活塞杆之间流体膜的弹性流体动压效果实现。,过程机械的动密封,4.1.2 往复轴密封,4.1.2.1 液压密封,动压密封机理,在外行程过程中，密封件应能将大部分液压流体刮离液压杆表面，但不可避免的有液体的密封“间隙”。弹性体密封件与活塞杆之间的径向接触力，由过盈产生的接触预紧力和介质压力作用而产生的附加接触力构成。活塞杆外行程中的准一维流动的雷诺润滑方程为：
11、,(4)对上式进行微分得：,(5)计算图4-18拐点A处的膜厚：,过程机械的动密封,4.1.2 往复轴密封,4.1.2.1 液压密封,动压密封机理,(6)计算最大液膜压力处的膜厚：,(7)根据质量守恒定律，可得空气侧的膜厚为最大压力处的一半：,(8)粘附于活塞杆表面移动到空气侧的液压液体的体积流量为：,过程机械的动密封,4.1.2 往复轴密封,4.1.2.1 液压密封,动压密封机理,流体通过密封处的量仅决定于流体压力分布曲线的最大斜率。可用如图4-19所示，装满液体的敞口卡车翻越一座小山，最大的斜坡度控制着能被带过小山的液体量。斜坡越陡，所能带过的液体越少。,内行程的液膜压力分布一般不同于其外
12、行程的液膜压力分布，这是因为内行程时腔体液体的压力Pi不同于外行程时的p0，活塞杆的运动速度也可能不同。,内行程带回的液体量取决于两种条件。(1)外行程带到密封外侧的液体量。不管密封如何工作，被带回的液体量不可能超过外行程带出的液体量。(2)压力分布在空气侧拐点E处的最大压力梯度WE=dp/dx。最大回送液膜厚度：,每一往复循环产生的泄漏量,要减少泄漏，活塞杆密封应具有最大压力点靠近液体侧的三角形接触压力分布。,过程机械的动密封,4.1.2 往复轴密封,4.1.2.1 液压密封,典型的活塞杆密封,.O形圈密封件 靠近液体侧的压力梯度小，靠近空气侧的压力梯度大，将液体反向带回的能力弱，使产生和存
13、在泄漏的可能性很大。,(1)端面形状如图4-21所示。其前部倒角a是为了容易 形成润滑液膜，后部倒角B是为了提高密封的耐压能力，一般均有aB,(2)图4-22显示了现代U杯形密封的接触压力分布，并与趋于淘汰的传统U杯形密封圈的压力的接触压力进行了比较.,.Y形圈密封件 具有密封性能好，摩擦阻力小等优点,.U杯形密封件,过程机械的动密封,4.1.2 往复轴密封,4.1.2.1 液压密封,典型的活塞杆密封,.阶梯形密封圈,(1)由一个截面形状为梯形的青铜填充聚四氟乙烯(PTFE)环和O形橡胶密封圈组合形成。O形圈提供足够的密封预紧力，并对PTFE环的磨损起补偿作用。(2)图4-23为其结构和接触压
14、力分布(3)适用于高压液压系统的活塞杆密封，使用压力为060MPa，往复运动线速度为5m/s，温度为-50225C,(4)阶梯形密封圈完全是按弹性流体动压润滑的原理设计的，密封唇边靠近中心平面，并由弹性O形圈加载。,(5)图4-24显示了在不同流体压力下的界面形状和接触压力分布，随着压力的增加，靠近空气侧的浅锲逐渐减小，在高压下可能闭合，其接触压力分布仍维持理想的三角形形状。,过程机械的动密封,4.1.2 往复轴密封,4.1.2.1 液压密封,d 活塞密封,对于单作用活塞，其密封的原理与活塞杆密封并无太大区别，只不过密封唇口在外侧，以实现活塞与液压缸壁的密封。,有孔用密封圈和轴用密封圈两种形式
15、，孔用密封圈的密封唇口在外侧，用于活塞；轴用密封圈的密封唇口在内侧，用于活塞杆的密封。,对于双作用活塞，要求密封结构对径向平面对称，也可以成对采用单作用活塞密封.,图4-26a密封唇边靠近密封的边缘，而靠近中部有一浅锥。利用浅锥的流体动压作用将中间空间的流体泵出。避免中间流体压力的建立而形成较大的液膜厚度，该类密封的流体膜薄，泄漏量小。,图4-26b结构具有两个靠得很近的密封唇边，中间有一个小空腔，浅锥朝向外侧，在中间空腔内会产生足够的流体动压力来减轻密封面的接触压力，从而减小摩擦。,过程机械的动密封,4.1.2 往复轴密封,4.1.2.1 液压密封,e 防尘密封,活塞杆的外伸表面暴露于各种环
16、境条件，在活塞杆的内行程时，粘附于活塞杆表面的灰尘、冰渣、水滴及其他外界杂物必须被除去，因此必须安装防尘密封以避免活塞杆密封被损坏、液压系统被污染。,注：防尘密封接触压力分布的最大斜率应当得到适当控制。图4-27显示了一种防尘密封的典型结构，其防尘唇口的接触压力分布，满足了防尘密封的功能要求。,过程机械的动密封,4.1.2 往复轴密封,4.1.2.2 气动密封,气动是“气动技术”或“气体传动与控制”的简称。该技术是以空气压缩机为动力源，以压缩气体为工作介质，进行能量传递或信号传递的工程技术，是实现各种生产控制、自动控制的重要手段之一。与液压密封相比，气动密封的压力较低；气动密封的寿命，按其滑动
17、距离要求达到500020000km。,气动密封构件：活塞杆密封、活塞密封、防尘密封、冲程终了刹车系统的衬垫密封。,(1)基本要求,图4-29表示了对理想气动密封的基本要求。,对气动密封一般提供独立的润滑方式对气动气缸，摩擦问题是最重要的,过程机械的动密封,4.1.2 往复轴密封,4.1.2.2 气动密封,(2)气动密封典型唇口结构,图4-30为典型弹性体气动密封唇口部位的两种结构，其初始接触应力决定于密封与其耦合密封面的过盈量.密封的接触应力随气体压力的增加而增加，即具有自紧作用，不过这也将导致摩擦力的增加。,气动密封常采用乳化脂作为润滑剂,理想情况下，在接触的中点具有适度的压力峰，而在两侧压
18、力尽可能缓慢下降。,(3)常见气动密封形式及特点,O形圈：与液压往复运动O形圈密封相比，相同断面尺寸的O形圈，气动密封的沟槽尺寸要窄、要深，其目的是减少对密封圈的压缩作用，以降低摩擦阻力，X形圈减少了接触面等，有利于减少摩擦和改善润滑，如图4-31,过程机械的动密封,4.1.2 往复轴密封,4.1.2.2 气动密封,唇形气动密封 方形圈气动密封：由一个截面为方形的填充聚四氟乙烯(PTFE)环和O形橡胶密封圈组合而成，O形圈提供弹性力，形成初始密封，并可对聚四氟乙烯圈的磨损起到补偿作用。,(4)无油润滑气动密封,过程机械的动密封,4.1.2 往复轴密封,4.1.2.3 活塞和活塞杆密封,4.1.
19、2.3.1 活塞密封活塞环,活塞环是依靠阻塞和节流机理工作的接触式动密封,(1)活塞环密封的基本原理,由于环本身所具有的张力，迫使环的开口端向外扩张而使环的外侧贴紧缸壁，形成环外侧与缸壁的一次接触密封，构成第一密封面。,当施加系统压力p后，环被推向泄漏的方向，与活塞环槽的侧面形成二次接触密封，构成第二密封面。如果活塞环处于中间位置，不与槽的侧壁形成第二密封面，则发生泄漏。,当气体压力p起作用时，作用在环外侧的气体压力增强了一次接触密封(图4-40)。,总接触压力包括环的初始接触压力和气体压力产生的接触压力，通常气体压力是形成轴向和径向密封阻力的主要原因。,过程机械的动密封,4.1.2 往复轴密
20、封,4.1.2.3 活塞和活塞杆密封,4.1.2.3.1 活塞密封活塞环,(1)活塞环密封的基本原理,在理想工作状态下，活塞环的第一密封面与第二密封面均处于良好的密封状态，此时气体的唯一泄漏通道是环的开口间隙处。环开口间隙处的形状和间隙大小影响着泄漏量。,当活塞两侧压力差较大时，可以采用多道活塞环使流体经多次阻塞、节流，以达到密封的要求。图4-42给出了气流经几个活塞环时的压力变化情况。,过程机械的动密封,4.1.2 往复轴密封,4.1.2.3 活塞和活塞杆密封,4.1.2.3.1 活塞密封活塞环,(1)活塞环的应用,(a)油润滑活塞环,.油润滑活塞环一般由灰铸铁或合金铸铁制造。.直径小的活塞
21、环或高转速用的活塞环，旋用强度较高的灰铸铁，或合金铸铁。,.除强度外，对铸件的金相组织也有较高的要求，不允许有游离渗碳体存在.活塞环外表面不允许有裂痕，气孔，毛刺等缺陷。.高压级，可对活塞环表面进行多孔性镀鉻，以提高含油及耐摩性。,.刮油环以便把过多的润滑油刮去，还起到分布油的作用。刮油环安装在活塞环组的大气侧,.有时，为了承受活塞的重量或起导向作用，需要设置支撑环。,过程机械的动密封,4.1.2 往复轴密封,4.1.2.3 活塞和活塞杆密封,4.1.2.3.1 活塞密封活塞环,(b)无油润滑活塞环,无油润滑压缩机主要指活塞环、支撑杆、活塞杆密封填料都实现无润滑油润滑。,无油润滑活塞组件一般均
22、配有支撑环。图4-46为常见支撑环结构。,4.1.2.3.2 活塞杆密封硬填料密封,活塞杆密封一般由填料密封来实现，对密封高压气体，一般采用硬填料。,常用的填料有金属、填充硬质材料的塑料或石墨等。为解决硬填料磨损后的补偿问题，往往采用分辨式结构。硬填料密封的原理和活塞环类似，即在填料和活塞杆相互配合面上，利用阻塞和节流作用，达到密封气缸内气体的作用。活塞杆密封用的填料环形式主要分为两类：平面填料环和锥面填料环,过程机械的动密封,4.1.2 往复轴密封,4.1.2.3 活塞和活塞杆密封,(1)平面填料环,应用范围：低压、中压或压力不很高的高压级气缸上,形式：三瓣六瓣形、切向切口三瓣型或其他形式,
23、工作原理：朝向气缸侧的是具有沿径向直切口的三瓣环，它的作用是在遮住六瓣环的径向切口。高压气体由本身的三个径向切口流入填料函的外腔，并作用于填料环的外侧面。,朝向曲轴侧的是六瓣环，由三个鞍形瓣和三个半月形瓣组成。六瓣切口和三瓣环切口错开60度。六瓣环其主要密封作用工作时，沿活塞杆来的高压气体可沿三瓣环的径向切口导入密封室，从而把六瓣环均匀的箍紧在活塞杆上而达到密封作用。气缸内压力越高，六瓣环与活塞杆抱得越紧，自密封作用越强。,过程机械的动密封,4.1.2 往复轴密封,4.1.2.3 活塞和活塞杆密封,(1)平面填料环,过程机械的动密封,4.1.2 往复轴密封,4.1.2.3 活塞和活塞杆密封,(
24、1)平面填料环,如图4-50所示，为活塞环式密封圈。,内圈1、2是密封环，外圈是弹性环，并由弹簧抱紧。装配时，三环的切口错开。,如图4-51所示，为无油润滑压缩机活塞杆的填料密封。甲乙填料均为开口环，而乙填料环的径向切口可用小帽盖住。两填料环结构相同，只是在两填料环外侧增加一围环，克服a结构的不足为O形填料环结构，主填料无切口。结构较复杂，填料环甲乙为不同形状的三瓣结构，丙环使限流环与d相似，仅乙填料环为六瓣结构，以便磨损均匀,过程机械的动密封,4.1.2 往复轴密封,4.1.2.3 活塞和活塞杆密封,(2)锥面填料环,在密封高压力差时，为了降低填料作用在活塞杆上的比压，采用如图4-2的锥面填
25、料环结构。,过程机械的动密封,4.1.3 旋转轴弹性体密封,本节主要介绍旋转轴唇形密封和O形圈密封,用于防止机械润滑油向外泄露的称为“油封”，用于防止外界的灰尘等有害物质进入机械内部，则称之为“防尘密封”。,为了进一步提高保护轴承的效果，防止润滑剂的漏出和灰尘的进入，出现了专门设计的轴承隔离圈。它包含一个静止环和一个旋转环。,4.1.3.1 唇形密封,(1)无压旋转轴唇形密封,a.基本概念,填料本身与旋转轴的接触面积大，摩擦、磨损相当严重，并且对轴的径向跳动补偿能力很弱弹性体浮动环结构，接触宽度减少，情况得到了很大改善 柔性隔膜顶端带唇形密封环结构，隔膜起到了第二密封功能的作用，并有效的，无摩
26、擦的对唇形密封环进行了悬挂支撑。,过程机械的动密封,4.1.3 旋转轴弹性体密封,4.1.3.1 唇形密封,b.密封唇的几何形状,柔性环状隔膜的一端为密封唇口，另一端与金属骨架固联。密封唇口的接触面为0.10.2mm宽的环带。,密封面由两个相交的锥面形成，油侧的接触角a要明显大于空气侧的接触角B。,为使唇形密封获得良好的密封效果，油侧的接触角a=4060，空气侧的接触角B=20-35.弹簧中心与唇口中心要有一轴向偏置量，其值一般为0.40.7mm，弹簧偏向隔膜侧。,c.密封界面特征,主要有密封界面接触载荷、弹性体的初始磨损、轴的表面粗糙度及密封接触面的润滑。,密封界面接触载荷,现代的设计目标已
27、变成在提供足以防止泄露的前提下，尽量减少唇口的接触载荷，这与减少能量损耗的目标是一致的。一般说来，衰减后的接触载荷至少应维持初始接触载荷的50%。经验表明：剩余的接触载荷即使仅有0.05Mpa，也能维持良好的密封，具有流体动压槽的唇形密封更是如此。,过程机械的动密封,4.1.3 旋转轴弹性体密封,弹性体的初始磨损,新密封的弹性体表面很光滑，但经跑合磨损后，表面出现了大量的几微米高的微突体，如果不能形成微突体，将会发生泄漏。微突体起到了微型泵的作用，将可能泄漏的流体返送回油侧。,轴的表面粗糙度,轴表面必须足够光滑，不至于对唇形密封造成过度磨损。另一方面又不能太光滑，以致于无法在唇形密封唇口形成有
28、用微突体。,密封接触面的润滑,在弹性体的微突体出现后，如果密封面接触到润滑油或其他润滑剂，摩擦转矩将会减小。图4-58所示，大量的微突体可以看作是产生流体动压力的微型垫块。油膜的厚度为十分之几微米，大致为可见光的波长范围。因此，唇形密封是依靠微突体和周向剪切流联合作用形成的油膜进行润滑的。,过程机械的动密封,4.1.3 旋转轴弹性体密封,d.动力密封机理,图4-59描述了一种简单实验，它可以揭示，甚至定量的查明弹性体唇形密封的动密封能力。,一般说来，如果唇形密封是近似对称的，或者接触面不能形成必需的微突体或棱脊，那么，唇形密封并不会产生明显的回泵送现象。,由于会泵送的方向与泄漏方向相反，可以认
29、为“回泵送”就是唇形密封的“动力密封机理”，它起源于密封接触界面的流体动压效应。,微观微突体变形模型,当密封安装后，径向载荷使密封唇口的微突体变平与轴接触，由于aB，接触压力分布并不对称，如图4-60，最大接触应力靠近油侧。轴的旋转在密封界面产生周向摩擦剪力，该力使弹性体的表面发生切向变形，变形的大小与接触应力的大小对应。在接触应力峰值的两侧，其变斜的方向相反，这些微观结构起流动导向的作用。,过程机械的动密封,4.1.3 旋转轴弹性体密封,宏观偏斜唇模型,如图4-61，整个密封对轴线有某种倾斜。这些误差将导致在轴旋转时密封唇口产生相对于转轴的轴向小幅度往复运动，具有向压力梯度大一侧泵送液体的能
30、力。,事实上，微观上倾斜的微突体和宏观上整体倾斜的密封唇都对旋转轴唇形密封的密封作用、润滑作用有所贡献。这两种机理共同解释了旋转轴唇形密封的动力密封作用。,e.流体动力型唇形密封,为了进一步提高唇形密封的回流效应，在唇形表面的空气侧特意构造能产生流体动压效应的螺纹、波纹、三角凸块等有规则的花纹，形成了流体动力型旋转轴唇形密封。有单向流体动力型唇形密封和双向流体动力型唇形密封两种形式。见表4-8.,f.带副唇的唇形密封,为了保护唇形密封免受外界流体、灰尘、泥浆等的侵害，有许多措施可供选择，其中最简单的解决方案是在唇形密封的空气侧配置一面向空气的副密封唇。见表4-8.,过程机械的动密封,4.1.3
31、 旋转轴弹性体密封,(2)耐压旋转轴唇形密封,与无压唇形密封相比，耐压唇形密封由于被密封的介质具有较高的压力，将带来许多新问题。图4-62给出了应用耐压唇形密封的基本条件或要求。,过程机械的动密封,4.1.4 机械密封,4.1.4.1 机械密封的基本原理,(1)基本概念,机械密封是一种旋转机械，如离心泵、离心机、反应釜和压缩机等的轴封装置。机械密封，又称端面密封，国家有关标准定义：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)基本结构和工作原理,最常见的机械密封结构如图4-67所示。密封腔内有补偿环1、补偿
32、环辅助密封圈2、弹簧3、弹簧座4、紧定弹簧5，它们随轴一起旋转。其他零件：非补偿环6、非补偿环辅助密封圈7和防转销8，安装在压盖内，压盖与机体用螺栓连接。,旋转环在弹簧力和介质压力的作用下，与非旋转环的端面紧密贴合，并发生相对滑动，阻止了介质沿端面间的径向泄漏，构成了机械密封的主密封。,摩擦副磨损后在弹簧和介质压力的推动下实现补偿，始终保持两密封端面的紧密接触。补偿环辅助密封圈2阻止了介质可能沿补偿环和轴之间间隙的泄漏；而非补偿环辅助密封7阻止了介质可能沿非补偿环与压盖之间间隙的泄漏。,过程机械的动密封,4.1.4 机械密封,4.1.4.1 机械密封的基本原理,(3)力学分析,密封环带面积A：
33、指较窄的密封端面外径d2与内径d1之间的环形区域的面积。,弹簧比压ps：指单位密封面上的弹性力，单位是Mpa。,密封流体压力有效作用面积Ae：指密封流体压力作用在补偿环上，使之对非补偿环趋于闭合的有效作用面积。,密封流体压力作用比压pe：单位密封面上承受的流体压力所施加的使密封端面闭合的力。,载荷系数K：指密封流体压力作用在补偿环上，使之对于非补偿环趋于闭合的有效作用面积Ae与密封环带面积A之比。其物理本质是密封流体压力作用比压与密封流体压力之比。,K1称为非平衡型机械密封，K1称为平衡型机械密封。,过程机械的动密封,4.1.4 机械密封,4.1.4.1 机械密封的基本原理,(3)力学分析,平
34、均流体膜压力pm：指密封端面间流体膜的平均压力。,反压系数：指密封端面间流体膜平均压力pm与密封流体压力p之比,闭合力Fc：指由密封流体压力p和弹簧力Fs等引起的作用于补偿环上使之对于非补偿环趋于闭合的力。,开启力F0：指作用在补偿环上使之对于非补偿环趋于开启的力。,端面比压pc：指作用在密封环带上单位面积上的净闭合力。,过程机械的动密封,4.1.4 机械密封,4.1.4.2 机械密封的分类,按使用密封的工作主机可分为：泵用机械密封、釜用机械密封、压缩机用机械密封等。可按不同的工作参数分类，如表4-9所示。按结构型式分类，如表4-10所示。,4.1.4.3 机械密封的设计,设计中必须特别引起注
35、意的基本问题,通过合理的密封腔设计、密封腔内流体状态(温度、气体含量、汽化情况、固体颗粒含量等)的控制来尽可能提供一个有利于密封良好工作的外部环境；在设计和选择机械密封辅助系统时，应充分考虑到影响密封性能因素的复杂的相互作用关系。,机械密封的设计必须满足的基本要求,必须始终有液体与密封端面入口处保持接触；液体在端面入口处的温度必须低于在该处压力下液体沸点；补偿环必须始终处于自由补偿状态，能进行轴向的自我调节,(1)机械密封的设计原则,过程机械的动密封,4.1.4 机械密封,4.1.4.3 机械密封的设计,(2)机械密封的设计程序,a.获取设计条件；b.确定基本结构；c.确定材料；d.密封端面设
36、计；e.补偿环和非补偿环设计；f.辅助密封设计；g.弹性元件设计；h.密封复杂系统设计；i.主要工作参数计算；j.标准化和工艺审查；k.进行型式试验；L.编制零件表、使用说明书，完善设计技术文件,过程机械的动密封,4.1.4 机械密封,4.1.4.3 机械密封的设计,(3)机械密封设计计算的主要内容,a.弹簧比压的确定：弹簧比压是弹性力作用密封端面上产生的单位面积上的压力，按(4-25)式计算，是一个重要的设计参数。,弹簧力的主要作用：保证主机在启动、停车或介质压力波动时，使密封面能紧密贴合；同时用以克服补偿环辅助密封圈与相关元件表面间的摩擦阻力，使补偿环能追随端面的磨损沿轴向移动。,b.端面
37、比压的计算：密封端面单位面积上的净闭合力即为端面的比压。,内装内流型密封的端面比压：如图4-69，采用公式4-34计算。,外装外流非平衡型密封的端面比压,如图4-70，有效作用面积Ae为：,将Ae与密封环带A之比定义为载荷系数K，则该类密封的端面比压的计算式为：,过程机械的动密封,4.1.4 机械密封,4.1.4.3 机械密封的设计,(3)机械密封设计计算的主要内容,b.端面比压的计算,外装外流平衡型密封的端面比压,其主要特征是闭合力除了弹簧力外，还有介质压力，即：,有效作用面积Ae的计算式为：,端面比压的计算式为：,双端面密封的端面比压,如图4-72所示。对此两种结构，其密封比压的计算式为：
38、,对于介质端，可以看作压力为pf的封液介质向压力为p1环境泄漏的内流单端面密封，其端面比压的计算式为：,过程机械的动密封,4.1.4 机械密封,4.1.4.3 机械密封的设计,(3)机械密封设计计算的主要内容,b.端面比压的计算,波纹管式密封的端面比压,波纹管式机械密封端面比压的计算和弹簧式机械密封完全相同，只是在计算载荷系数K时,当波纹管受内压时产生的轴向力F为:,当波纹管受外压时受到轴向压力为：,波纹管的有效直径,矩形波时：,锯齿形波,U形波：,过程机械的动密封,4.1.4 机械密封,4.1.4.3 机械密封的设计,(3)机械密封设计计算的主要内容,c.pv值的计算,它以端面密封比压pc作
39、为压力基准，即端面比压pc与端面平均线速度v的乘积，表征密封端面实际工作状态。,工作pcv,端面的发热量和摩擦功耗直接与pcv成正比，其值必须小于许用的pcv,许用pcv,许用pcv是极限pcv除以安全系数获得的数值，是密封失效时达到的pcv，它是密封技术发展水平的重要标志。,工况pv值,工况pv值是以密封腔工作压力作为压力的计算基准，是密封腔工作压力与端面平均线速度的乘积。它是密封运行工况的具体表征，密封的工况pv值应小于该密封的最大允许工况pv值。,过程机械的动密封,4.1.4 机械密封,4.1.4.3 机械密封的设计,(3)机械密封设计计算的主要内容,d.摩擦功率的计算,计算方法,摩擦系
40、数f与许多因素有关，正常运转机械密封的摩擦系数见表4-12,过程机械的动密封,4.1.4 机械密封,4.1.4.4 机械密封材料,机械密封材料包括：摩擦副材料、辅助密封材料、加载弹性元件材料和其他结构件材料。,(1)摩擦副材料,a.摩擦副材料的主要性能：物理力学性能、耐腐蚀性能和摩擦学性能,物理力学性能：包括强度、刚度、热性能参数等,强度：强度是保证密封环整体完整、不发生破裂的重要指标。一般说来，强度并不是主要关心的问题。,刚度：刚度决定着密封环抵抗变形的能力。除密封环的结构因素外，材料的弹性模量E是密封环刚度的主要决定因素。当密封含有固体颗粒的介质时，密封端面的硬度是一个关键指标。,热性能参
41、数：主要参数指标有导热系数k和热膨胀系数a,耐腐蚀性能：从耐蚀性的角度考虑，优秀的材料有石墨材料、工程陶瓷材料、填充玻璃纤维聚四氟乙烯材料等。,摩擦学性能：摩擦、磨损和润滑等是评价机械密封端面摩擦副材料的摩擦学性能的重要参数。摩擦系数f、磨损速率反映端面的润滑状态低摩擦系数的获得低磨损率的获得,过程机械的动密封,4.1.4 机械密封,4.1.4.4 机械密封材料,(1)摩擦副材料,b.常用的摩擦副材料:主要有石墨、硬质合金、工程陶瓷和填充聚四氟乙烯等,c.摩擦副材料配对规律,在应用过程中，可靠性比经济性更为重要，在可能的情况下，应优先考虑选择高等级的配对材料。对轻载工况，优先选择一密封环材料为
42、浸树脂石墨，而另一配对密封环材料，可根据不同的介质环境选择。对高速、高压、高温等重载工况，石墨环一般选择浸锑石墨，与之配对材料通常选择导热性能很好的反应烧结或无压烧结碳化硅。对于同时存在磨粒磨损和腐蚀性的工况，端面材料必须均选择硬材料以抵抗磨损。,(2)辅助密封材料,机械密封的辅助密封包括旋转环辅助密封、非旋转环辅助密封，也包括端盖与密封腔体间的密封、轴套与轴的密封。从端面形状看，有O形圈、方形圈、平垫、V形垫、包覆垫、包覆O形圈等。常用材料有：合成橡胶、聚四氟乙烯、柔性石墨、金属材料等.,过程机械的动密封,4.1.4 机械密封,4.1.4.6 机械密封性能与试验,(1)机械密封性能,评价机械
43、密封性能的指标，常用的有：泄漏率、磨损量、寿命、转矩和追随性等。,(2)机械密封试验,根据不同的试验目的，机械密封试验可分为：以验证设计正确性为目的的型式实验；以质量控制为目的的出厂试验；以考核可靠性、寿命为目的的特殊实验；以研究开发为目的的试验研究。,4.1.4.7 机械密封的选择和使用,(1)过程装备的特点；(2)被密封介质的性质：化学性质、物理性质及危险性等(3)操作条件：温度、压力、速度、密封腔体、寿命、泄漏等(4)外部公用工程(5)密封标准(6)其他因素,过程机械的动密封,4.1.4 机械密封,4.1.4.8 机械密封的失效分析,(1)机械密封的失效,密封失效的定义,被密封的介质通过
44、密封部件并造成下列情况之一者，则认为密封失效,从密封系统中泄漏出大量介质；密封系统的压力大幅度降低；封液大量进入密封系统(如双端面机械密封),密封失效的外部特征(1)密封持续泄漏(2)密封泄漏和密封环结冰(3)密封在工作时发出爆鸣声；(4)密封工作时尖叫(5)石墨粉聚集在密封面的外侧(6)密封寿命短,过程机械的动密封,4.1.4 机械密封,4.1.4.8 机械密封的失效分析,密封失效的具体表现形式,(1)磨损失效；(2)腐蚀失效：全面腐蚀与局部腐蚀，应力腐蚀，磨损腐蚀，间隙腐蚀；(3)热损伤失效,过程机械的动密封,4.2 非接触转轴密封,4.2.1 间隙密封,间隙密封：间隙密封一般为流阻型非接
45、触动密封，系统流体沿着微小环形间隙利用粘性摩擦的耗损进行节流而达到密封的目的。有固定环密封、浮动环密封等多种形式，即可用于液体环境，也可用于气体环境。,间隙密封的原理,间隙一般为1020um，当径向间隙小于30um，流体通过的间隙一般为层流，其体积泄漏率Q为：,过程机械的动密封,4.2.1 间隙密封,如果浮动环与轴的径向间隙沿压力降方向逐渐先减小，形成一锥形环隙，则由压力差引起的泄漏率Q为:,如果考虑浮动环与轴不同心，则相应的泄漏率为：,如果沿轴向的间隙高度为：,则根据薄膜润滑的雷诺方程，流体沿轴向的压力分布为：,间隙密封的摩擦功耗,(1)由节流产生压降而导致的功率损耗为：,(2)由于轴旋转引
46、起流体周向剪切流而导致的摩擦功耗为：,(3)总功耗为：,最佳间隙：,4.2 非接触转轴密封,过程机械的动密封,4.2.2 迷宫密封,迷宫密封是一种由一系列节流齿隙和膨胀空腔构成的非接触密封形式，主要用于密封气体介质,密封机理,迷宫密封的实际结构将导致气体流动为湍流。一个节流齿隙和一个膨胀空腔构成一级迷宫。多级迷宫组成了实际应用的迷宫密封。齿隙的作用是把气体的势能转变成动能，迷宫空腔的作用是通过气体的湍流混合作用尽可能的把气流经齿隙转化的动能转化为热能，而不是在恢复为压力能。因此流体动力学设计必须最大程度的分散经齿隙高速射出的流体动能。,泄漏率的计算：,4.2 非接触转轴密封,过程机械的动密封,
47、4.2.3 气膜密封,气膜密封一般指依靠几微米的气体薄膜润滑的机械密封，也称为干气密封。气膜密封是一种新型的、先进的旋转轴密封，由它来密封旋转机械中的气体或液体介质。与其他密封相比，气膜密封具有泄漏量少、磨损小、寿命长、能耗低，操作简单可靠，被密封的流体不受油污染等特点。,气膜密封的基本原理,气膜机械密封和传统上的液相用机械密封类似，只不过气膜机械密封的两端面被一稳定的薄气膜隔开，成为非接触状态。气膜密封的主要构件和密封机理如图4-101,气膜密封的操作稳定性主要决定于气膜的刚度,4.2 非接触转轴密封,过程机械的动密封,4.2.4 液膜密封,液膜密封是指全液膜润滑非接触机械密封。减少或排除机
48、械密封的泄漏，同时改善密封端面的润滑状况和操作温度性，是密封使用者和研究者追求的目标。,基本原理,上游泵送液膜润滑机械密封，简单说来，就是普通机械密封的端面由一具有低流量、高压力“端面泵”所代替，该“泵”把少量的隔离流体沿着密封端面输送到密封腔。该密封端面的“泵”效应通过在端面开各种流体动压槽来实现，最常见的是螺旋槽。由于密封腔的液体压力比隔离流体的压力高，而隔离流体的流向是从低压的隔离流体腔流向高压的密封腔，故称为“上游”泵送。,4.2 非接触转轴密封,过程机械的动密封,4.2.5 离心密封,4.2 非接触转轴密封,(1)离心密封的结构型式和特点,离心密封是利用回转体带动液体旋转使之产生径向
49、离心压力以克服泄漏的装置。产生的该离心压力，或者抵抗液体的压力、或者形成以液体屏障以密封气体。离心密封的能力来源于机械轴的旋转带动密封元件所做的功，属于一种动力密封。当转速降低或停车时，密封能力丧失，需要配置停车密封。,离心密封有：光滑圆盘密封、背叶片密封、副叶轮密封等多种形式。,过程机械的动密封,离心密封,4.2 非接触转轴密封,(2)离心密封的基本原理,a.旋转液环中产生的径向压力,如图4-118所示，微元体dr产生的向心力为：,利用牛顿第二定律Fi=ma得：,根据上式得：,当流体与轴同步旋转时，积分上式得到流体在外表面与内表面的压差为：,b.密封气体用离心密封,如图4-119，旋转壳罩被
50、静止隔板分成两段，实现液体对两气体空间分隔。轴旋转时在密封腔内有环形漩涡，该涡使流体沿着沿静止壁面向轴心方向运动。压差为：,过程机械的动密封,4.2.5 离心密封,4.2 非接触转轴密封,(2)离心密封的基本原理,b.密封气体用离心密封,图1-120为旋转盘设置有叶片，液体几乎被全部驱动随轴同步旋转，被密封的气体压力为PG，外界气体压力为PA，则内外压差为：,图4-121为一更接近实际应用的结构，其封液罩静止而中间分隔圆盘随轴旋转，旋转圆盘的两侧装有对称的后弯叶片，该结构密封气体最大压力为：,过程机械的动密封,4.2.5 离心密封,4.2 非接触转轴密封,(2)离心密封的基本原理,c.密封液体
