机械密封基础知识讲座.ppt

2023/8/17,1,机械密封基础知识讲座,广州机械科学研究院有限公司密封研究所,2023/8/17,2,主讲：胡建彪广州机械科学研究院有限公司 密封研究所 技术部,2023/8/17,3,序 言,机械密封最早于1885年在英国发明并获得专利，首先获得应用是在20世纪20年代的冷冻机装置上，同时出现了研究和生产机械密封的专业公司（英国的Crane公司、德国的Pacific公司等）。我国在20世纪60年代才相继出现研究和生产机械密封的专业机构（天津克兰），目前已有四十年历史，在普通机械密封领域技术及产品日趋成熟，大部分地方已能替代进口产品，性能接近国外产品。目前国内具有规模的研究、生产厂家已有十余个，并在高参数密封及新技术方面取得一定突破。机械密封广泛用于石油、化工、冶金、煤炭、食品、医疗、电力、纺织、环保等诸多领域。机械密封具有性能好、使用寿命长、运转可靠等特点，是现代企业流体输送机械应用最广、最有前途的密封形式，对于减少环境污染、节约能源具有重大意义。,2023/8/17,4,目 录,一、机械密封原理二、机械密封的基本零件三、机械密封的计算四、机械密封用材料五、机械密封辅助系统六、机械密封性能的影响因素七、石化行业典型泵的密封八、机械密封的安装和使用九、机械密封故障分析十、补充内容,2023/8/17,5,（一）定义（二）组成（三）密封机理（四）辅助设施（五）机械密封的种类（六）旋转式和静止式机械密封（七）内装式和外装式机械密封（八）内流式和外流式机械密封（九）多弹簧和单弹簧机械密封（十）平衡型和非平衡型机械密封,一、机械密封原理,2023/8/17,6,（十一）补偿机构形式（十二）双端面机械密封（十三）串联式机械密封（十四）波纹管机械密封（十五）集装式机械密封,2023/8/17,7,（一）对摩擦副密封环的要求（二）摩擦副匹配要考虑的因素（三）密封端面宽度（四）密封环的主要技术要求（五）摩擦副端面平面度检测（六）密封端面的粗糙度要求（七）动环（旋转环）（八）静环（不旋转）（九）密封环的种类（十）整体式密封环,二、机械密封的基本零件,2023/8/17,8,（十一）组合式（十二）热装式密封环（十三）热装式密封环的过盈值选择（十四）辅助密封圈（十五）传动机构的作用（十六）静环防转方式（十七）机械密封的弹性元件（十八）波纹管种类（十九）焊接金属波纹管密封,2023/8/17,9,（一）补偿环的受力状况（二）密封端面中液膜反力的分布情况（三）液膜反力的计算（四）易汽化介质中密封端面间的液膜压力分布（五）膜压系数的影响因素（六）弹簧比压的计算（七）载荷系数K（八）端面比压（九）波纹管的有效作用直径de（十）PV值,三、机械密封的计算,2023/8/17,10,（一）摩擦副材料要求（二）制造摩擦副的常用材料（三）碳石墨（四）硬质合金WC（五）SiC陶瓷（六）Al2O3 陶瓷及其它陶瓷介绍（七）表面堆焊硬质合金（八）作摩擦副的金属材料（九）填充聚四氟乙烯（十）辅助密封圈材料要求,四、机械密封用材料,2023/8/17,11,（十一）合成橡胶（十二）柔性石墨（也称膨胀石墨）（十三）弹性元件材料（十四）机械密封中基体材料,2023/8/17,12,（一）为什么机械密封要采用辅助系统（二）什么是辅助系统（三）自冲洗的形式（四）循环冲洗（五）注入式冲洗（六）冲洗液进入密封腔的方式（七）冲洗量的确定（八）冲洗量的控制（九）冲洗压力的确定（十）密封腔中的压力确定,五、机械密封辅助系统,2023/8/17,13,（十一）对冲洗流体的要求（十二）热油泵的冲洗液选择（十三）烷基化装置中浓硫酸的冲洗液的选择（十四）轻烃、轻油泵密封冲洗液的选择（十五）机械密封的冷却方式（十六）辅助设施在何种工况下必须选用,2023/8/17,14,（一）密封性的影响因素（二）机械密封端面的摩擦状态（三）载荷系数对密封性能的影响（四）弹簧比压对密封性能的影响（五）端面粗糙度对密封性能的影响（六）端面间缝隙形状对密封性能的影响（七）产生端面不平行的原因（八）密封端面的机械变形（九）密封端面的热变形（十）影响机械密封性能的其它因素,六、机械密封性能的影响因素,2023/8/17,15,（一）石化行业高温泵（热油泵）密封分析（二）轻烃泵密封分析（三）低温泵密封分析（四）高速机械密封,七、石化行业典型泵的密封,2023/8/17,16,（一）安装机封的泵的技术要求（二）安装密封前要了解泵及介质情况（三）机械密封的安装（四）泵的抽空和汽蚀,八、机械密封的安装和使用,2023/8/17,17,（一）摩擦痕迹大于端面宽度（二）摩擦痕迹小于端面宽度（三）硬环上无摩擦痕迹（四）石墨端面出现均匀的环状沟纹（五）石墨端面中间产生环状深沟（六）石墨内缘磨损（七）石墨环台阶过早全磨掉（八）石墨环外缘出现缺口（九）石墨环断裂（十）石墨环出现蚀坑,九、机械密封故障分析,2023/8/17,18,（十一）硬质合金表面灼伤和裂纹（十二）其它故障简介（十三）泵抽空密封失效现象（十四）密封腔中汽蚀，密封失效现象（十五）密封端面汽化的失效现象（十六）泵振动过大的失效现象（十七）没有冲洗的故障现象（十八）动环选材注意事项,2023/8/17,19,（一）机械密封标准介绍（二）机械密封辅助系统（三）机械密封的安装（四）磁力密封介绍（五）高压机械密封研制,十、补充内容,2023/8/17,20,一、机械密封原理,（一）定义（图1-1）,2023/8/17,21,机械密封是一种用于旋转流体机械的轴封装置。（用于离心泵、离心机、反应釜、压缩机等设备，轴和设备腔体间存在一个圆周间隙，设备介质从中泄漏，因此必须设一道阻漏装置。因机械密封具有泄漏少、寿命长等优点，成为了主要的轴密封方式，又叫端面密封。）在国家有关标准中的定义：由至少一对垂直于旋转轴线的端面组成,在流体压力及补偿机构弹力(或磁力)共同作用下，以及辅助密封圈的配合下，该对端面保持贴合并相对滑动，而构成的防止流体泄漏的装置。,2023/8/17,22,1、密封端面：动环、静环摩擦副2、缓冲补偿机构：由弹性元件（圆柱弹簧、圆锥弹簧、波片弹簧、波纹管等）构成。（使贴合）3、辅助密封圈：包括动环密封圈、静环密封圈等，有各 种形式：如O型圈、V型圈、楔形圈等,（二）组成,2023/8/17,23,1、4个密封点（亦称4个泄漏点，如图1-1）泄漏点1摩擦端面泄漏点，依靠弹力和介质压力保持 贴和；（动密封点,两个摩擦副之间有相对转动）泄漏点2 补偿环密封圈，依靠密封圈的过盈量实现密封；（静密封点，密封圈与轴或轴套之间有微动）泄漏点3 非补偿环密封圈，依靠密封圈的过盈量实现密封；（静密封点，密封圈与相配合件之间相对静止）泄漏点4 压盖与腔体间的密封圈，依靠密封圈的过盈量实现 密封；（静密封点，密封圈与相配合件之间相对静 止）,（三）密封机理,2023/8/17,24,3、原理 通过一系列零件将径向密封转化为轴向密封，在弹簧和介质压力共同作用下，对由于设备运行所造成的轴向磨损可以及时补偿，使轴向密封面始终保持贴合。由于机械密封（轴向密封）在运行中可以对轴向磨损进行补偿，而填料密封（径向密封）不能对径向磨损进行补偿，故机械密封比填料密封寿命长。,2、传动关系轴或轴套紧固螺钉5弹簧座4弹簧3补偿环1压盖防转销8非补偿环6,2023/8/17,25,通过冲洗、冷却、过滤、分离等方式进行冷却和润滑，从而改善密封的工作环境，减少密封的泄漏量，延长使用寿命。应当把它看作机械密封的组成部分。,（四）辅助设施,2023/8/17,26,1、按使用条件分类（1）高速密封（ZBJ22-001-88：线速度25100m/s）和普通密封（2）高压和低压密封（3）高温、常温和低温密封（4）泵用、釜用和压缩机用密封（5）耐腐蚀、抗颗粒机械密封2、通常按结构分类多弹簧、单弹簧密封旋转式、静止式密封外装式、内装式密封外流式、内流式密封,（五）机械密封的种类,2023/8/17,27,（1）旋转式：补偿机构（弹性元件）随轴旋转。（由于安装方便，普通密封大多采用，但易产生不 平衡，而且消耗搅拌功率，所以不能用于高速）（2）静止式：补偿机构（弹性元件）不随轴旋转。（用于高速）,（六）旋转式和静止式机械密封（图1-2）,2023/8/17,28,2023/8/17,29,（七）内装式和外装式机械密封（图1-3）,2023/8/17,30,（1）内装式：静环装在压盖内侧，静环端面面向工作腔。（用于温度、压力较高，腐蚀性不强的场合）（2）外装式：静环装在压盖外侧，静环端面背向工作腔。（用于低压、腐蚀性强的场合）,2023/8/17,31,（一般和内装式、外装式一致）,（1）内流式：泄漏方向朝向轴心。（一般密封都采用这 种结构）（2）外流式：泄漏方向朝向离心力方向。（泄漏量大，只有在压力、温度都不高的腐蚀性介质中用）,（八）内流式和外流式机械密封,2023/8/17,32,（1）多弹簧：（又叫小弹簧，轴向尺寸小，轴向弹力均 匀）宜用于高速，不宜用于腐蚀性介质。（2）单弹簧：（又叫大弹簧，轴向尺寸大，轴向弹力不 均匀）不宜用于高转速的场合。,（九）多弹簧和单弹簧机械密封,2023/8/17,33,（1）平衡型：载荷系数K1.0（用于高压场合）（2）非平衡型：载荷系数K1.0（用于普通压力场合）,（十）平衡型和非平衡型机械密封,2023/8/17,34,（1）磁力：系统压力较低时用（2）波片弹簧、锥形弹簧、螺旋圆柱大弹簧、小弹簧（3）橡胶波纹管、聚四氟乙烯波纹管、金属波纹管,（十一）补偿机构形式,2023/8/17,35,两套密封面对面或背对背安装在一起。用于工作介质有毒、易燃、易爆、易挥发、易结晶、高温、低温，或气体、高真空度等场合。两套密封之间形成一个密封腔，在密封腔中引入封液：堵封、润滑、冷却，选洁净、润滑性好的封液介质。,（十二）双端面机械密封（图1-4）,2023/8/17,36,两套密封沿同一方向布置，密封腔压力逐级降低用于高压场合。,（十三）串联式机械密封（图1-5）,2023/8/17,37,去掉了补偿环密封圈及其摩擦阻力，补偿环密封圈改至弹簧座处，补偿环追随性提高，而且避免了补偿环密封圈因轴串、振动所产生的磨损。金属波纹管用于高温介质，聚四氟乙烯波纹管用于腐蚀性介质。,（十四）波纹管机械密封,2023/8/17,38,将机械密封、轴套、压盖组合成一个整体。安装时只需固定压盖、轴套，取下定位挡块即可。安装方便，排除了安装不良的影响。（一般挡块厚度为弹簧压缩量，从外部易于观测）,（十五）集装式机械密封（图1-6）,2023/8/17,39,二、机械密封的基本零件,（一）对摩擦副密封环的要求,摩擦副密封环是机械密封的主要元件，它在很大程度上决定了机械密封的性能和寿命。因此，对它有一些基本要求。,（1）足够的强度和刚度 保证在工作条件（如压力，温度，滑动速度等）下不损坏，变形小，工作条件波动时影响小。（2）端面有足够的硬度、耐腐蚀性能确保使用寿命。,2023/8/17,40,（3）耐热冲击力 高的导热系数，低的线膨胀系数。（4）较小的摩擦系数，良好的自润滑性，材料与介质有 很好的浸润性短时间干摩擦，不损伤端面。（5）易加工，材料成本低,2023/8/17,41,（1）一般选择一软一硬的材料配对，软环作窄环，如 YG6/M106K，只有介质含固体颗粒、易结晶、粘度高时才选用硬对硬。（2）尽量采用内装、内流式结构，防止机械杂质进入密封 端面，减少泄漏量。（3）选导热性良好材料作动环。以利散热，降低端面温度。（4）环的壁厚不可太薄，以保证整体强度、刚度，也利散 热（导热欠佳的材料，可薄一些）。（5）动环和轴（轴套）间隙A11（0406）以利补偿 静环和轴（轴套）间隙13mm以免摩擦,（二）摩擦副匹配要考虑的因素,2023/8/17,42,（1）主要决定窄环（软环）宽度，宽环外径窄环外径 0.5，宽环内径窄环内径0.5；,（2）泄漏量与摩擦副端面宽度关系不大,（3）窄的端面摩擦热少，温度梯度小，热变形小，磨损均匀；,（4）从受力角度出发，窄的端面整体强度和刚度差，易损坏 或变形。因此应综合考虑。对于普通密封，端面宽度推 荐值如下：,（三）密封端面宽度,2023/8/17,43,宽系列用于组对性能好（如YG6/M106K、SiC/M106K）、工况条件好的场合 窄系列用于组对性能欠佳（如YG6/YG6、YG6/青铜）、饱和蒸气压高、易挥发、颗粒介质，高速机械密封，（对于轻烃介质，在强度够的情况下，取窄系列）。,2023/8/17,44,（）平面度0.0009，硬质0.2，软质0.4，表 面不应有裂纹、划伤、气孔、疏松等缺陷。（）密封环端面与安装辅助密封圈处的平行度、垂直度按 的级精度要求。（）安装辅助密封圈处粗糙度：3.2，径向尺寸公 差或。上述要求是对普通机械密封而言，对转速较低的釜用 机械密封可适当放宽标准，对高速机封要求更高。,（四）密封环的主要技术要求,2023/8/17,45,平面度0.0009，普通量具无法检测，通常利用光波的干涉效应来检测。（1）光波的干涉效应 根据波动学原理，两波产生干涉的条件是：（a）两波在相遇点振向一致；（b）两波具有相同的频率；（c）两波在相遇点有固定的周相差。（两个同样的钠光灯 不行，只有用同一光源发出的光设法分成两束，才 满足相干条件）,（五）摩擦副端面平面度检测,2023/8/17,46,满足相干条件的两束光的叠加效果是：在波程差为波长整数倍的地方，光强度加强；在波程差为半个波长的奇数倍的地方，光强度减至零（变暗）。这就是光的干涉原理。,2023/8/17,47,（2）平面度检测原理 设入射角i=0，e为气膜厚度（即是被检测面上点到平晶的距离），为光波波长，为光的波程差，那么=2e/2当=k时，被检测面上点变暗；=(2k1)/2，被检测面上点变亮；（其中k=0,1,2,3,4,，k为整数）由以上公式可以得出下面结论：（）相邻两条光带所对应两点的气膜厚度差（高度差）为/2，（对于钠光灯=0.589m，/20.3m）,2023/8/17,48,（）相邻两条光带宽b=/2Sin，（为空气膜倾斜角）（）当e=0时，=/2（半波损失），出现暗条纹；,（1）合格光带举例,2023/8/17,49,（2）平面度检测器（图2-3）,平晶：由派利克斯玻璃、熔凝水晶或折射系数为1.516的光学玻璃制造。表面平面度0.1m(2级)，0.03m(1级)。光源:钠光灯(=0.589m),2023/8/17,50,密封端面承载能力与表面粗糙度有很大关系，大约有如下关系：,（六）密封端面的粗糙度要求,2023/8/17,51,由此可以看出，密封端面粗糙度应在0.2以上，否则，端面比压比理论值高的多，结果是高点接触，局部压力很高；由于摩擦副的硬度、刚度的差异，局部高点发热甚至产生裂纹。石墨环表面磨出细微的环状沟纹。泵的振动和动、静环的不同心会加剧这种磨损。被磨掉的颗粒存在于端面中，形成磨粒磨损，磨损加剧，有时在泄漏的介质中可以看到石墨黑浆。,2023/8/17,52,非补偿动环（只旋转，不能补偿，其后无弹性元件。)补偿动环（既旋转，又作轴向补偿，其后有弹性元件。)（）辅助密封圈受轴向力，轴向、径向都起密封作用，这 种密封方式较为可靠。（）辅助密封圈只受径向力，易产生老化、冷流变形，从 而导致密封失效。（）波纹管：无作轴向补偿的辅助密封圈，因此，浮动 性好，密封圈不易失效。,（七）动环（旋转环）,2023/8/17,53,非补偿静环（不旋转不补偿）：主要有三种安装方式：浮装式、托装式、夹固式。补偿静环（不旋转只补偿）：其辅助密封圈情况和补偿动环基本一致。,（八）静环(不旋转),2023/8/17,54,整体式（用同一种材料制造）、组合式（如镶嵌）、表面堆焊、表面喷涂,（九）密封环的种类,2023/8/17,55,（十）整体式密封环,各个部位性能均匀一致，最常用的有：石墨、SiC、钴基硬质合金、镍基硬质合金、NiCr基硬质合金、陶瓷等。,2023/8/17,56,整体环价格高，加工困难，因此出现组合式密封环。组合式包括：（）热装式（）带密封圈式（无组合应力、无应力变形；开槽、打 孔麻烦，多一泄漏点）,（十一）组合式,2023/8/17,57,优点：结构简单，性能优异，价格较低，运用较多。缺点：（）因过盈接触不均匀，而产生机械变形。（）两种材料线膨胀系数不一致，当温度变化 时，过盈量变化，会产生应力变形。,（十二）热装式密封环,2023/8/17,58,=Dp（12）T式中：工作温度时的过盈量：常温过盈量 Dp：镶嵌直径 1：座线胀系数 2：环的线胀系数 T=工作温度常温（20。C）（YG6：4.5106 1/。C 1Cr18Ni9Ti：16.6106 1/。C 3Cr13：11.5106 1/。C）（1）在满足传递扭矩的情况下，取最小过盈值；,（十三）热装式密封环的过盈值选择,2023/8/17,59,（2）由上式，当使用温度为300C时，对 YG6/1Cr18Ni9Ti，过盈量为：=Dp（16.64.5）106（30020）=3.4103 Dp（以便记忆）（3）长期放置的镶嵌环，使用前要检查平面度；（4）对大直径、高转速(环座产生离心力)、弹性模量小 的材质(4J42、钛合金)，过盈量可相应大一些。（5）高温200C以上少用热装式结构，否则要核算过 盈量。,2023/8/17,60,（1）材料要求（）在工作温度下耐介质腐蚀（）足够的弹性（）有一定强度(柔性石墨因强度差，使用场合受到限制)（）耐磨（）易加工、价格低（2）种类（）按材料分：合成橡胶、聚四氟乙烯、柔性石墨等；（）按截面形状分：矩形、V形、楔形、包四氟形等；,（十四）辅助密封圈,2023/8/17,61,把轴或轴套的运动方式(旋转)传递给动环，一般是通过键、紧定螺钉、传动螺钉、销、R槽、拨叉、弹簧、波纹管等的组合来传递运动。（1）紧定螺钉（顶丝）传动：在轴表面划凹坑，否则易打 滑失效，特别当直径较大和温度较高时。（2）键台阶传动（3）拨叉传动（一边开槽一边伸爪）（4）并圈弹簧传动（弹簧旋向必须和轴旋向一致）,（十五）传动机构的作用,2023/8/17,62,（5）销钉传动（6）凸耳传动（7）勾圈弹簧传动（8）波纹管传动（9）螺帽固定,2023/8/17,63,（1）浮装式（可以在轴向、径向设计防转销）（2）托装式(一般小扭矩可不用销，要注意端面垂直度)（3）夹固式(浮动性差，注意端面垂直度)（4）防抽空(前加卡环),（十六）静环防转方式,2023/8/17,64,螺旋压缩弹簧锥形弹簧：轴向尺寸较小碟形弹簧：轴向尺寸小波片弹簧：轴向尺寸小并圈弹簧、带勾弹簧：双功能(弹力、传动)波纹管：三功能(弹力、传动、密封),（十七）机械密封的弹性元件,2023/8/17,65,橡胶波纹管：用于中性介质：水、油，压力、温度都不高 的场合；聚四氟乙烯波纹管：用于腐蚀性介质，酸、碱；金属波纹管：用于高温、高速(追随性好)。,(十八)波纹管种类,2023/8/17,66,（1）制造 采用厚度为mm的沉淀硬化不锈钢薄带(AM350、0Cr17Ni17Ti、0Cr15Ni17Mo2Al、INCONEL-X-750及Ti合金、Hasterlloy C-276等)冲压成截面为S形的片状环形件，再焊接成型(用微束等离子焊)。沉淀硬化不锈钢焊接后须经热时效处理，将奥氏体转变为马氏体，并使马氏体中析出金属化合物，沉淀出硬化相，从而获得高强度、较高的塑性及屈强比（S/D0.80.9）。例：AM350 热失效：真空炉850C进行淬火处理，再进行80C的低温处理(制冷剂F12)，以达到增加弹性、稳定尺寸的目的。,（十九）焊接金属波纹管密封,2023/8/17,67,（2）特点 焊接金属波纹管密封不用会产生较小滑移的辅助密封圈，使用温度范围广：200600C。高速下对轴的振动、振摆适应性强，追随性好。,（3）弹率(即刚度N/mm)k=Et3（d1d2）/2nB3d2/d1,E：工作温度下弹性模量（N/mm2）：,AM350：1.75106(315.6C)、INCONEL：2.14106(26.7C)、1.59106(649C)、17-7PH：2.0106(21.1C)、Ti：1.31106(196C)、1.14106(23.9C)、0.70106(538C)。,2023/8/17,68,t：波片厚度mmn：波数d1/d2：管子内外径mmB：波纹管片宽（d2d1）/2 公式中未考虑波片断面形状，具有一定误差，实际生产中用弹簧测力计测弹率。,2023/8/17,69,三、机械密封的计算,（一）补偿环的受力状况,要进行端面比压计算，首先要分析补偿环的受力情况。如图，补偿环受到的力有：,2023/8/17,70,向左的：弹簧力Ft、介质压力所产生的作用力Fp向右的：液膜反力Fm、静环作用的端面支承力F；摩擦力R，很小可以忽略；以上四力平衡，有F=FtFpFm端面比压P=F/S（S为端面面积）上面各项力的计算方法在后面章节再加以叙述。,2023/8/17,71,（二）密封端面中液膜反力的分布情况,2023/8/17,72,在d2处，端面间液膜压力等于P介。在d1处，端面间液膜压力近似为零。对于中间分布情况，人们通过大量试验发现，各点的压力分布与介质性质有关，还与端面中的相态和摩擦状态有关。对于丁烷等(粘度小、易汽化介质)，压力分布成凸抛物线状1。对于水等(中等粘度介质)，压力分布成直线性2。对于润滑油等(高粘度介质)，压力分布成凹抛物线状3。,2023/8/17,73,Fm=P介 S（液膜比压Pm=P介）：膜压系数0.5（中粘度），=0.650.75（低粘度），=0.30.4（高粘度）。它是一个平均值，表示液膜压力占介质压力的比例，并不表示压力的分布情况。该公式为端面比压的计算提供了方便。S：端面面积S=（d22d12）/4,（三）液膜反力的计算,2023/8/17,74,易汽化介质（如液态烃等）的机械密封一直是石化行业中较难解决的问题，其原因是膜压系数不稳定，因其在端面中的相态和摩擦状态不稳定。因此弄清端面间的压力分布，对于正确计算液膜反力很有必要。,（四）易汽化介质中密封端面间的液膜压力分布,2023/8/17,75,大家都知道，对于轻烃类介质，端面缝隙中存在气液两相。rb为汽化半径，此处液膜压力=P饱和（tp），tp处温度最高。r2rb区域，液膜压力成线性分布，液相rbr1区域，液膜压力成抛物线分布，气相对于易汽化介质膜压系数，中国石油大学顾永泉教授提出一个计算公式：=2/3/P1（1/21/6Pf/P1）（r2rb）/(r2 r1)式中：Pf：rb处气化压力 P1：介质压力 rb：气化半径 r2/r1：端面外半径/内半径计算值一般在0.700.85之间。,2023/8/17,76,（1）端面几何尺寸，由上面公式可以看出。（2）密封结构：前面讲的都是对内流式而言的，对外流式，还要增大0.2左右，对于中等粘度介质=0.7（3）摩擦状态：边界摩擦（端面多个高点直接接触承压。液膜厚度只有几个分子厚，且不连续，几乎不承压，只起润滑作用，=0）、液体摩擦（全液膜，泄漏量大，机械密封一般不采用）、混和摩擦（介于以上两种之间,这是机械密封端面摩擦的主要形式）（4）端面缝隙情况：渐开形，减小；渐收形，增大（5）其他因素：转速高，对于内流式减小，对于外流式增大。此外端面比压、密封面温度、粗糙度等都有一定影响。,（五）膜压系数的影响因素,2023/8/17,77,Pt=F弹/S F弹可计算得出，但一般有误差10%，这是由于制造厂、制造工艺、原材料的化学成分、热处理工艺等存在差异的缘故。一般Pt=0.150.2Mpa(内装)，0.30.6Mpa(外装)，反应釜中，转速低，轴摆动大，取大值。,（六）弹簧比压的计算,2023/8/17,78,介质压力对补偿环的有效作用A面积与端面面积S之比。K=A/S,（七）载荷系数K,2023/8/17,79,K=（d22d02）/（d22d12）d0为介质分界圆直径当K1时，机械密封为非平衡型；当K1时，机械密封为平衡型；平衡系数=100（1-K）%载荷比压：P载=KP介,2023/8/17,80,P=Pt+P载P液膜=Pt+（K-）P介（内装式）对于双端面机械密封介质侧：P液膜=P外（P内P外）P载=K P内（1K）P外所以：P=PtK P内（1K）P外P外（P内P外）=PtK P内P外K P外P外（P内P外）=PtK（P内P外）（P内P外）=Pt（K）（P内P外）=Pt（K）P,（八）端面比压,2023/8/17,81,端面比压的选取原则：（1）必须高于弹簧比压；（2）必须大于介质在端面温度升高时的饱和蒸汽压；在保证以上条件下，尽量取小值，以防端面发热，破坏液膜，加剧磨损，功率消耗增大，密封使用寿命减短。同时考虑以下原则：（1）对自润滑性好的组对（M106K/SiC、YG6/SiC、M106K/YG6）可以取稍大值(因液膜不易被破坏，摩擦系数不易增加。)。（2）对于外装式机械密封，可以取稍小值（因介质比压很小，而Pt不可能很大。）。（3）对于高粘度介质，取稍大值（以保持端面贴合）。（4）易挥发介质（饱和蒸汽压高）稍小值（以减少温升）。,2023/8/17,82,推荐的端面比压值,2023/8/17,83,端面比压中有一项K，K=A/SA：介质有效作用面积，A=（d22de2）/4，de为有效直径。S：密封端面面积 S=（d22d12）/4,（九）波纹管的有效作用直径de,2023/8/17,84,（1）金属波纹管内装内流式：deo=（dido）/2Z外装外流式：dei=（dido）/2Z修正系数Z=0.671P介0.797（2）聚四氟乙烯波纹管矩形波：de=（di2d o2）/21/2锯齿波：de=（d i2d o2d i d o）/31/2橡胶波纹管de无法准确计算，一般由试验获得。,2023/8/17,85,密封端面的摩擦热同时取决于压力和速度。密封端面的性质要考虑P、V的乘积，即PV值。PV值过大：液膜气化，密封失效，端面严重磨损。因此对一定摩擦系数的端面材料组对，对某种介质有一许用PV值。P：端面比压 V=（d1d2）n/120103PVPV,（十）PV值,2023/8/17,86,各种组对在非平衡型机械密封中的许用PV值,2023/8/17,87,四、机械密封用材料,（一）摩擦副材料要求,摩擦副是机械密封的主要零件，其性能好坏在很大程度上决定密封性能，因此对材料有一定的要求：（1）耐蚀性：有良好的化学稳定性，能抵抗介质的腐蚀、磨蚀、溶解和溶胀。（2）物理机械性能：较高的弹性模量（E=（应力）/（应变），刚度=力/变形）、强度及许用PV值，低的摩擦系数和线膨胀系数，优良的耐磨性、自润滑性以及良好的不渗透性等。（3）热力性能：很好的导热性、耐热性、耐寒性和耐温度的急变性。（4）材料来源方便，易加工，成本低廉。,2023/8/17,88,硬质合金工程陶瓷（Al2O3陶瓷、Al2O3金属陶瓷、Si3N4陶瓷、铬钢玉陶瓷、碳化硼陶瓷、喷涂陶瓷、SiC、可切削微晶玻璃）碳石墨填充聚四氟乙烯金属材料：铸铁类及铜合金也有铬钢淬火材料下面分别予以讨论。,（二）制造摩擦副的常用材料,2023/8/17,89,1、特点（1）具有较高导热性，(碳导热系数为2040W/mk，石墨为 40128 W/mk，)是非金属中导热最好的材料，仅次于 银、铜、铝，比Hasterlloy好。（2）具有低的线膨胀系数（26106/），是金属的 1/21/4。（3）具有良好的耐腐蚀性，在空气中400以下稳定，除 强氧化性介质（如王水、铬酸、浓硫酸及卤族元素）外，可耐其它酸、碱、盐及一切有机化合物的腐蚀，其耐蚀程度随石墨的种类和浸渍剂的不同而异。,（三）碳石墨,2023/8/17,90,（4）具有极好的自润滑性和低的摩檫系数，那是因为石墨 和其它材料组对时，石墨转移到其它材料表面，形成 石墨和石墨相对摩檫。石墨和金属摩檫系数为 0.040.05，在全液润滑条件下，f=0.0080.01。因此它 的组对性能好。（5）石墨的抗拉强度较低，抗压强度较高，属脆性材料。由于硬度较低，被广泛用作软环，易于加工。缺点是气孔率大，一般在18%22%。实际应用石墨都必须是浸渍过的，以堵塞气孔，提高密封性。,2023/8/17,91,2、石墨的种类 石墨是采用焦炭粉和石墨粉，用沥青作粘结剂，模压成型，置于高温中焙烧而成。根据所用原料和烧结温度与时间的不同，可以制成不同物理机械性能的石墨。一种为碳素石墨，用M1表示，一种是电化石墨，用M2表示（材料组分不一样，M2还需24002800高温石墨化处理）。还有一种是树脂碳石墨：烧结石墨粉碎后，用树脂作粘结剂，混和后压制烧结而成（M3）。M1：质硬而脆，导热系数低，加工困难。M2：质软，强度低，自润滑性好。M3：PV值不高，价格便宜，石化行业较少采用。,2023/8/17,92,3、石墨浸渍剂种类 一般浸渍后，成为不透气制品，对导热性无明显影响，但强度、硬度有很大提高。常用浸渍剂有：环氧树脂（H）、呋喃树脂（K）、酚醛树脂（F）、巴氏合金（B）、铝合金（L）、铜合金（P）、锑合金（D）、银合金（G）。F：耐酸性好 H：耐碱性好 K：酸碱都耐200 浸金属：耐高温,2023/8/17,93,1、金属碳化物WC熔点非常高，要制成产品，用普通的冶炼方法行不通。通常把它制成粉末，混以熔点较低的金属（Co、Ni等），压制成型，高温烧结，较低熔点金属熔化，将WC粘结成一个整体，制成硬质合金。2、硬质合金具有以下优良性能：（1）硬度高HRA8794（洛氏硬度），耐磨粒磨损，是悬浮颗粒介质的理想摩擦副。,（四）硬质合金WC,2023/8/17,94,（2）抗弯强度高14002000N/mm2。（3）导热系数高，线膨胀系数小(5106/左右)，耐高 温600。（4）摩擦系数低，组对性能好。（5）较好的耐腐蚀性，牌号不同，耐腐蚀性不同。,3、种类,（1）Co基硬质合金：YG6、YG8、YG15，后面数字为Co的百分含量，Co多，硬度略下降。Co易氧化，不宜用于酸等腐蚀性介质，但在一般温度H2SO4.、沸点以下NaOH中可用。,2023/8/17,95,（2）耐蚀硬质合金：WCNi：WYN8(8%CrNi)，强度为WC-Co的70-80%，硬度 小0.51HRA。WC-Ni-Cr：W7(9%CrNi)，强度、硬度与WC-Co相当。（3）钢结硬质合金 TiC合金钢：GT35、R5、R8，耐HNO3、H2SO4、氨水，不耐强碱、HCl、FeCl3液。烧结成形后可进行机械加工，然后再进行热处理，可制作复杂零件，硬度稍差(HRC6065)，比重小，自润滑性好。,2023/8/17,96,SiC是一种新型陶瓷，由于高密度成形技术的发展，80年代开始，国外纷纷用它作高PV值的组对材料，是到目前为止发现的最好的摩擦副材料，具备各种优良性能。重量轻，为WC的15，比强度高，摩擦系数小，硬度略高于硬质合金，HRA9094，抗辐射性好，具有一定的自润滑性，组对性好，化学稳定性、耐热性、热传导性都很优异。在500以下，几乎耐所有的酸和碱，除振动冲击大，或有颗粒介质场合外，几乎所有的硬质合金都可用它取代，价格略比WC便宜。缺点：脆性材料，抗机械冲击性稍差。,（五）SiC陶瓷,2023/8/17,97,由于制造工艺不同，性能略有差异，目前主要有4种类型：1、反应烧结SiC（SiCSi组成的致密烧结物）（-SiC粉石墨粉助熔剂）混和有机粘结剂压制成型，放入Si粉坩锅内，在真空炉加热16001800，生成-SiC。这种SiC由-SiC、-SiC、游离硅组成，由于游离Si和孔隙的存在，它不耐强碱和氧化性介质。优点：收缩率小，耐热冲击性好，成本低，适于批量生产。2、常压烧结SiC 采用超细SiC粉（粒度在0.10.2m），加适当的添加剂、粘结剂压制成型，然后在20002200的温度下烧结而成。适用于数量少，规格品种多的密封环。致密度高达97%以上。,2023/8/17,98,3、热压烧结SiC 粒度1m的SiC粉，加上适当的添加剂，装入石墨模具内，在20002100的热压炉内加压（3050MPa）制成。这是SiC中化学稳定性最好的一种。（因为在氧化气氛下，表面生成了一种SiO2保护膜，耐腐蚀性最好。）质密度高达97%以上。4、气相渗透SiC（又叫硅化石墨）以石墨为基体，按最终产品形状加工好后，导入Si源，采用化学气相沉积法在18002200的高温下反应生成。，渗透层厚度可达1.5mm，成SiC表层，表层还有10%的石墨，具有气体不渗透性，C、Si之间无明显的边界层。这种SiC既具有碳石墨优点，又具有SiC特性，是一种很有前途的碳基复合材料。气相渗透SiC与常压烧结SiC组对，可用于高速场合，即使处于半干摩擦工况条件下也不易产生卡滞与擦伤。,2023/8/17,99,1、Al2O3 分为99瓷（99%Al2O3、1%MgO，HRA8590）和95瓷（94.5%Al2O3、2%SiO2、3%CaCO3、2%Cr2O3，HRA7882）。具有很好的耐蚀性，可以经受各种酸类、碱类、盐类和各种有机溶剂及强氧化剂腐蚀。硬度高，仅次于金刚石和碳化硼，耐磨性好，机械强度和普通铸铁差不多，材料来源广泛，制造工艺简单。缺点：质脆，导热性不好，耐热冲击性差。（Al2O3/Al2O3组对不行，有产生静电的危险。）这种材料多用于外装式耐腐蚀性机械密封中。2、Al2O3金属陶瓷 在Al2O3中添加少量金属元素Fe、Cr、Ni等，以提高导热率，降低脆性，但硬度和耐蚀性有所下降。主要用于批量较大的汽车冷却水泵及潜水泵机械密封上。,（六）Al2O3 陶瓷及其他陶瓷介绍,2023/8/17,100,3、Si3N4 耐蚀性很好，Si3N4/石墨组对性很好，而与填充玻纤PTFE组对时Si3N4的磨损大。（1）反映烧结Si3N4 素坯可以机械加工，能制成形状复杂制品，经二次氮化后尺寸变化率小（0.1%），抗冲击性好，耐腐蚀。强度、硬度是Si3N4中最低的，（因内部有1015%封闭气孔）。较厚的制品不易烧结，有时会有“流硅”现象，仅适合PV值不高的场合。（2）热压Si3N4 是Si3N4中性能最佳的材料，硬度高（HRA9192），致密性好，接近理论密度3.2g/cm3，耐磨性、耐蚀性优良。但成本高，难以制作形状复杂零件。,2023/8/17,101,（3）常压烧结Si3N4性能接近热压Si3N4，成本高，烧结时收缩率大1520%，易引起烧结变形。（4）重烧结Si3N4性能接近热压Si3N4，制造工艺复杂，成本较反应烧结Si3N4高。,4、铬刚玉陶瓷 在Al2O395瓷坯料中引入0.52%的Cr2O3，经17001750高温焙烧而成。（密度3.463.47，硬度HRA8487）耐温度急变性能好。（用48/3556的环，在20400范围内进行25次冷循环处理后，用10倍显微镜观察未发现裂纹），硬度高，摩擦系数小，化学稳定性好，与填充玻纤PTFE组对，用于耐腐蚀机械密封，效果极好。,2023/8/17,102,5、碳化硼B4C陶瓷 化学稳定性好，硬度HRA9496，仅次于金刚石，耐磨性能极为优良。主要用于处理高浓度、磨蚀性介质作摩擦副组对材料，特别适用于泥沙介质。缺点：加工困难（需热压成型工艺），成本高，热抗震性也不太好。6、喷涂陶瓷 用等离子技术在密封环端面或轴套表面喷上一层耐磨耐蚀涂层，一般为Cr2O3涂层，厚0.30.5mm。硬度高、耐磨、耐蚀，但涂层内部有410%的气孔，还需进行树脂封孔处理（国外用先进的重熔技术进行封孔）。,2023/8/17,103,其组对多为硬度低于70HS的石墨，其使用的PV值较低，使用温度200，广泛用于醋酸等介质。从日本进口的机械密封约有1/3采用这种组对。Al2O3也可作喷涂材料性能与Cr2O3相差不大。,2023/8/17,104,在密封环表面堆焊一层硬质合金，以提高耐磨性、耐蚀性，且价格较低。国外命名为Stellite（司太立特），常用堆焊材料如下：（1）铬基1