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机械密封机械密封基础学问讲座基础学问讲座四川日机密封件有限公司四川日机密封件有限公司2022/11/21 主讲：张有华主讲：张有华四川日机密封件有限公司四川日机密封件有限公司副总工程师副总工程师 技术部经理技术部经理2022/11/22序序言言 机械密封最早于1885年在英国独创并获得专利，首先获得应用是在20世纪20年头的冷冻机装置上，同时出现了探讨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年头才相继出现探讨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，在一般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探讨、生产厂家已有十余个，并在高参数密封及新技术方面取得确定突破。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、运用寿命长、运转牢靠等特点，是现代企业流体输送机械应用最广、最有前途的密封形式，对于削减环境污染、节约能源具有重大意义。2022/11/23目目 录录一、机械密封原理一、机械密封原理二、机械密封的基本零件二、机械密封的基本零件三、机械密封的计算三、机械密封的计算四、机械密封用材料四、机械密封用材料五、机械密封协助系统五、机械密封协助系统六、机械密封性能的影响因素六、机械密封性能的影响因素七、石化行业典型泵的密封七、石化行业典型泵的密封八、机械密封的安装和运用八、机械密封的安装和运用九、机械密封故障分析九、机械密封故障分析十、补充内容十、补充内容2022/11/24（一）定义（二）组成（三）密封机理（四）协助设施（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、机械密封原理一、机械密封原理2022/11/25（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）水纹管机械密封（十五）集装式机械密封2022/11/26（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二、机械密封的基本零件2022/11/27（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）协助密封圈（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）水纹管种类（十九）焊接金属水纹管密封2022/11/28（一）补偿环的受力状况（二）密封端面中液膜反力的分布状况（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）水纹管的有效作用直径de（十）PV值三、机械密封的计算三、机械密封的计算2022/11/29（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）协助密封圈材料要求四、机械密封用材料四、机械密封用材料2022/11/210（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2022/11/211（一）为什么机械密封要接受协助系统（二）什么是协助系统（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）冲洗量的限制（九）冲洗压力的确定（十）密封腔中的压力确定五、机械密封协助系统五、机械密封协助系统2022/11/212（十一）对冲洗流体的要求（十二）热油泵的冲洗液选择（十三）烷基扮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）协助设施在何种工况下必需选用2022/11/213（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）端面间缝隙形态对密封性能的影响（七）产生端面不平行的缘由（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六、机械密封性能的影响因素2022/11/214（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七、石化行业典型泵的密封2022/11/215（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状况（三）机械密封的安装（四）泵的抽空和汽蚀八、机械密封的安装和运用八、机械密封的安装和运用2022/11/216（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）石墨端面出现匀整的环状沟纹（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、机械密封故障分析九、机械密封故障分析2022/11/217（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）动环选材留意事项2022/11/218（一）机械密封标准介绍（二）机械密封协助系统（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、补充内容十、补充内容2022/11/219一、机械密封原理一、机械密封原理（一）定义（一）定义（图图1-1）2022/11/220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，因此必需设一道阻漏装置。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，以及协助密封圈的协作下，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。2022/11/2211、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、水纹管等）构成。（使贴合）3、协助密封圈：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（二）组成2022/11/2221、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，密封圈与相协作件之间相对静止）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，密封圈与相协作件之间相对静止）（三）密封机理（三）密封机理2022/11/2233、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刚好补偿，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62022/11/224通过冲洗、冷却、过滤、分别等方式进行冷却和润滑，从而改善密封的工作环境，削减密封的泄漏量，延长运用寿命。应当把它看作机械密封的组成部分。（四）协助设施（四）协助设施2022/11/2251、按运用条件分类（1）高速密封（ZBJ22-001-88：线速度25100m/s）和一般密封（2）高压和低压密封（3）高温、常温顺低温密封（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（五）机械密封的种类2022/11/226（1）旋转式：补偿机构（弹性元件）随轴旋转。（由于安装便利，一般密封大多接受，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（六）旋转式和静止式机械密封（图1-2）2022/11/2272022/11/228（七）内装式和外装式机械密封（图（七）内装式和外装式机械密封（图1-3）2022/11/229（1）内装式：静环装在压盖内侧，静环端面面对工作腔。（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）2022/11/230（一般和内装式、外装式一样）（1）内流式：泄漏方向朝向轴心。（一般密封都接受这种结构）（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（八）内流式和外流式机械密封2022/11/231（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，轴向弹力不匀整）不宜用于高转速的场合。（九）多弹簧和单弹簧机械密封（九）多弹簧和单弹簧机械密封2022/11/232（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（用于一般压力场合）（十）平衡型和非平衡型机械密封（十）平衡型和非平衡型机械密封 2022/11/233（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）橡胶水纹管、聚四氟乙烯水纹管、金属水纹管（十一）补偿机构形式（十一）补偿机构形式2022/11/234两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，选干净、润滑性好的封液介质。（十二）双端面机械密封（十二）双端面机械密封（图1-4）2022/11/235两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（十三）串联式机械密封（图1-5）2022/11/236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，而且避开了补偿环密封圈因轴串、振动所产生的磨损。金属水纹管用于高温介质，聚四氟乙烯水纹管用于腐蚀性介质。（十四）水纹管机械密封（十四）水纹管机械密封2022/11/237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。安装便利，解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（十五）集装式机械密封（图1-6）2022/11/238二、机械密封的基本零件二、机械密封的基本零件（一）对摩擦副密封环的要求（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，它在很大程度上确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、耐腐蚀性能确保运用寿命。2022/11/239（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2022/11/240（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）尽量接受内装、内流式结构，防止机械杂质进入密封端面，削减泄漏量。（3）选导热性良好材料作动环。以利散热，降低端面温度。（4）环的壁厚不行太薄，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（二）摩擦副匹配要考虑的因素2022/11/241（1）主要确定窄环（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，磨损匀整；（4）从受力角度动身，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。对于一般密封，端面宽度推荐值如下：（三）（三）密封端面宽度密封端面宽度2022/11/242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，在强度够的状况下，取窄系列）。轴径16355570100120宽系列2.53.04.05.06.07.0中系列2.02.53.04.05.05.0窄系列1.52.02.02.53.03.02022/11/243（）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。（）密封环端面与安装协助密封圈处的平行度、垂直度按的级精度要求。（）安装协助密封圈处粗糙度：3.2，径向尺寸公差或。上述要求是对一般机械密封而言，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（四）密封环的主要技术要求2022/11/244平面度0.0009，一般量具无法检测，通常利用光波的干涉效应来检测。（1）光波的干涉效应依据波动学原理，两波产生干涉的条件是：（a）两波在相遇点振向一样；（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（五）摩擦副端面平面度检测2022/11/245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。2022/11/246（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）2022/11/247（）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2022/11/248（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)2022/11/249密封端面承载实力与表面粗糙度有很大关系，大约有如下关系：（六六）密封端面的粗糙度要求密封端面的粗糙度要求精车磨加工研磨抛光粗糙度3.20.80.40.2承载面积（%）4124095端面比压增加（倍）247.31.50.052022/11/250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。石墨环表面磨出微小的环状沟纹。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。2022/11/251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。)（）协助密封圈受轴向力，轴向、径向都起密封作用，这种密封方式较为牢靠。（）协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。（）水纹管：无作轴向补偿的协助密封圈，因此，浮动性好，密封圈不易失效。（七）动环（旋转环）（七）动环（旋转环）2022/11/252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）：其协助密封圈状况和补偿动环基本一样。（八）静环（八）静环(不旋转不旋转)2022/11/253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（九）密封环的种类2022/11/254（十）整体式密封环（十）整体式密封环各个部位性能匀整一样，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。2022/11/255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（十一）组合式2022/11/256优点：结构简洁，性能优异，价格较低，运用较多。缺点：（）因过盈接触不匀整，而产朝气械变形。（）两种材料线膨胀系数不一样，当温度变更时，过盈量变更，会产生应力变形。（十二）热装式密封环（十二）热装式密封环2022/11/257=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）（YG6：4.51061/。C1Cr18Ni9Ti：16.61061/。C3Cr13：11.51061/。C）（1）在满足传递扭矩的状况下，取最小过盈值；（十三）热装式密封环的过盈值选择（十三）热装式密封环的过盈值选择2022/11/258（2）由上式，当运用温度为300C时，对YG6/1Cr18Ni9Ti，过盈量为：=Dp（16.64.5）106（30020）=3.4103Dp（以便记忆）（3）长期放置的镶嵌环，运用前要检查平面度；（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。2022/11/259（1）材料要求（）在工作温度下耐介质腐蚀（）足够的弹性（）有确定强度(柔性石墨因强度差，运用场合受到限制)（）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；（）按截面形态分：矩形、V形、楔形、包四氟形等；（十四）协助密封圈（十四）协助密封圈2022/11/260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、水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，特殊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（弹簧旋向必需和轴旋向一样）（十五）传动机构的作用（十五）传动机构的作用2022/11/261（5）销钉传动（6）凸耳传动（7）勾圈弹簧传动（8）水纹管传动（9）螺帽固定2022/11/262（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，要留意端面垂直度)（3）夹固式(浮动性差，留意端面垂直度)（4）防抽空(前加卡环)（十六十六）静环防转方式静环防转方式 2022/11/263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)水纹管：三功能(弹力、传动、密封)（十七十七）机械密封的弹性元件机械密封的弹性元件2022/11/264橡胶水纹管：用于中性介质：水、油，压力、温度都不高的场合；聚四氟乙烯水纹管：用于腐蚀性介质，酸、碱；金属水纹管：用于高温、高速(追随性好)。(十八十八)水纹管种类水纹管种类2022/11/265（1）制造接受厚度为0.1-0.2mm的沉淀硬化不锈钢薄带(AM350、0Cr17Ni17Ti、0Cr15Ni17Mo2Al、INCONEL-X-750及 Ti合 金、HasterlloyC-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）（十九）焊接金属水纹管密封焊接金属水纹管密封2022/11/266（2）特点焊接金属水纹管密封不用会产生较小滑移的协助密封圈，运用温度范围广：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/d1E：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)。2022/11/267t：波片厚度mmn：波数d1/d2：管子内外径mmB：水纹管片宽（d2d1）/2公式中未考虑波片断面形态，具有确定误差，实际生产中用弹簧测力计测弹率。2022/11/268三、机械密封的计算三、机械密封的计算（一）补偿环的受力状况（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状况。如图，补偿环受到的力有：2022/11/269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，很小可以忽视；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。2022/11/270（二）密封端面中液膜反力的分布状况（二）密封端面中液膜反力的分布状况2022/11/271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。对于中间分布状况，人们通过大量试验发觉，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。2022/11/272Fm=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状况。该公式为端面比压的计算供应了便利。S：端面面积S=（d22d12）/4（三）液膜反力的计算（三）液膜反力的计算2022/11/273易汽化介质（如液态烃等）的机械密封始终是石化行业中较难解决的问题，其缘由是膜压系数不稳定，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（四）易汽化介质中密封端面间的液膜压力分布2022/11/274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，中国石油高校顾永泉教授提出一个计算公式：=2/3/P1（1/21/6Pf/P1）（r2rb）/(r2r1)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。2022/11/275（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（端面多个高点干脆接触承压。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，机械密封一般不接受）、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）端面缝隙状况：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、粗糙度等都有确定影响。（五）膜压系数的影响因素（五）膜压系数的影响因素2022/11/276Pt=F弹/SF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原因。一般Pt=0.150.2Mpa(内装)，0.30.6Mpa(外装)，反应釜中，转速低，轴摇摆大，取大值。（六）弹簧比压的计算（六）弹簧比压的计算2022/11/277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（七）载荷系数K 2022/11/278K=（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2022/11/279P=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=KP内（1K）P外所以：P=PtKP内（1K）P外P外（P内P外）=PtKP内P外KP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（八）端面比压 2022/11/280端面比压的选取原则：（1）必需高于弹簧比压；（2）必需大于介质在端面温度上升时的饱和蒸汽压；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，密封运用寿命减短。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不行能很大。）。（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（以削减温升）。2022/11/281举荐的端面比压值因素程度内装式机械密封外装式机械密封饱和蒸汽压接近水比水低0.51.00.30.5比水高0.30.5粘度比水高0.51.00.30.5比水低0.30.50.150.25摩擦副材料其中一个为塑料0.20.30.150.25匹配的硬/硬0.71.20.40.6匹配的硬/软0.51.00.30.52022/11/282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）水纹管的有效作用直径（九）水纹管的有效作用直径de2022/11/283（1）金属水纹管内装内流式：deo=（dido）/2Z外装外流式：dei=（dido）/2Z修正系数Z=0.671P介0.797（2）聚四氟乙烯水纹管矩形波：de=（di2do2）/21/2锯齿波：de=（di2do2dido）/31/2橡胶水纹管de无法精确计算，一般由试验获得。2022/11/284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，端面严峻磨损。因此对确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）（十）PV值值2022/11/285各种组对在非平衡型机械密封中的许用PV值SiC/石墨SiC/SiCWC/石墨WC/WCWC/填充PTFEWC/青铜Al2O3/石墨Cr2O3喷涂/石墨Stellite/石墨18014.57154.45237.515392022/11/286四、机械密封用材料四、机械密封用材料（一）摩擦副材料要求（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确定密封性能，因此对材料有确定的要求：（1）耐蚀性：有良好的化学稳定性，能反抗介质的腐蚀、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）材料来源便利，易加工，成本低廉。2022/11/287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探讨。（二）制造摩擦副的常用材料（二）制造摩擦副的常用材料2022/11/2881、特点（1）具有较高导热性，(碳导热系数为2040W/mk，石墨为40128W/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（三）碳石墨 2022/11/289（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%。实际应用石墨都必需是浸渍过的，以堵塞气孔，提高密封性。2022/11/2902、石墨的种类石墨是接受焦炭粉和石墨粉，用沥青作粘结剂，模压成型，置于高温中焙烧而成。依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，石化行业较少接受。2022/11/2913、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2022/11/2921、金属碳化物WC熔点特别高，要制成产品，用一般的冶炼方法行不通。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，是悬浮颗粒介质的志向摩擦副。附：布氏硬度附：布氏硬度HB、洛氏硬度洛氏硬度HRA(软软)、HRB(中中)、HRC(硬硬)、维氏硬度、维氏硬度HV比比较较 HRC HRA HRB HB HV 20 60.2 99 216 230（2065）7083.6（60100）99137 105237 检测硬度由大到小检测硬度由大到小（四）硬质合金（四）硬质合金WC2022/11/293（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。2022/11/294（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，可制作困难零件，硬度稍差(HRC6065)，比重小，自润滑性好。2022/11/295SiC是一种新型陶瓷，由于高密度成形技术的发展，80年头起先，国外纷纷用它作高PV值的组对材料，是到目前为止发觉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，具有确定的自润滑性，组对性好，化学稳定性、耐热性、热传导性都很优异。在500以下，几乎耐全部的酸和碱，除振动冲击大，或有颗粒介质场合外，几乎全部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）（五）SiC陶瓷陶瓷2022/11/296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接受超细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。2022/11/2973、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爱护膜，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，按最终产品形态加工好后，导入Si源，接受化学气相沉积法在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。2022/11/2981、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，机械强度和一般铸铁差不多，材料来源广泛，制造工艺简洁。缺点：质脆，导热性不好，耐热冲击性差。（Al2O3/Al2O3组对不行，有产生静电的危急。）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）（六）Al2O3 陶瓷及其他陶瓷介绍陶瓷及其他陶瓷介绍2022/11/2993、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，能制成形态困难制品，经