機械密封的基本常識

機械密封基礎

     機械密封因其密封性能好，運行穩定、泄漏少，摩擦功耗低，使用周期長，對軸磨損很小，并能滿足多種工況要求，因此被廣泛應用。但結構較為復雜，制造精度高，價格較貴、維修不便。

原理及其組成 ：

     機械密封又稱為端面密封，其至少有一對垂直于旋轉軸線的端面，該端面在流體壓力及補償機械外力（或磁力）的作用下，加之輔助密封的配合，與另一端面保持貼合并相對滑動，從而防止流體泄漏。由于端面的緊密貼合，使密封端面之間形成微小間隙，當有介質通過此間隙時，形成極薄的液膜，造成阻力防止泄漏，并且潤滑端面，獲得長期的密封效果。

基本組成 ：

     靜止環及旋轉環（動環與靜環），通常為研磨面，又稱為摩擦副。
     以彈性元件為主的補充緩沖機構。
     輔助密封圈
     使動環和軸一起旋轉的傳動部件

機械密封的分類

按用途分類：

     按設備可分為泵、釜、離心機、風機、潛水泵電機、冷凍機、內燃機、冷卻水泵、船用泵以及其他。 

按作用原理分類： 

     密封端面的對數：單端面，雙端面，多端面。其中雙端面又分為軸向雙端面和徑向雙端面。
     按照作用于密封端面流體壓力為卸載或不卸載可分為：非平衡式、部分平衡式、全平衡式。
     按照靜止環裝于密封端面的內側或者外側，分為內裝式和外裝式。
     彈簧設置在流體之內為彈簧內置式、反之為彈簧外置式
     按照補償機構彈簧的數量分為單彈簧式、多彈簧式。
     按照彈性元件是否隨軸一起旋轉分為旋轉式、靜止式機械密封。
     密封流體在密封端面間的泄漏方向如果與軸旋轉的離心方向一致則為外流式，反之為內流式。
     按照密封端面直接接觸與否分為接觸式機械密封，反之為非接觸式，其又可分為流體靜壓式及流體動壓式。
     按照有否波紋管情況可分為非波紋管式波紋管式，后者又可分為金屬波紋管、四氟波紋管、橡膠波紋管等幾種。

按照使用工況分類：

     高溫機械密封、中溫機械密封、常溫機械密封及低溫機械密封。
-50 ， 80 ， 200 ，為常用的溫度分界線。
按密封腔壓力分：
     超高壓、高壓、低壓、常壓、負壓等幾種情況。
     0.8 ， 5 ， 15mpa 是常用的分界線。
按照速度可分為：
     超高速、高速、中速、低速等幾種情況， 2 ， 10 ， 30 ， 100m/s 是常用的分界。
     按照介質特點，則有特定的專用機械密封。

密封的泄漏標準

參照《化工離心泵   產品質量分等》 JB/T53061-93 ：
1 、機械密封

2 、填料密封在保證填料函溫升正常的前提下

密封墊的選用

     密封墊的選用原則是：對于要求不高的場合，可憑經驗來選取，不合適時再更換。但對那些要求嚴格的場合，例如易爆、劇毒和可燃性氣體以及強腐蝕的液體設備、反應罐和輸送管道系統等，則應根據工作壓力、工作溫度、密封介質的腐蝕性及結合密封面的形式來選用。

     一般來講，在常溫低壓時，選用非金屬軟密封墊；中壓高溫時，選用非金屬與金屬組合密封墊或金屬密封墊；在溫度、壓力有較大波動時，選用彈性好的或自緊式密封墊；在低溫、腐蝕性介質或真空條件下應考慮密封墊的特殊性能。這里特別需要說明的是法蘭情況對墊片選擇的影響。

     （ 1 ）法蘭形式的影響
     法蘭形式不同，要求使用的墊片也不同。光滑面法蘭一般只用于低壓，配軟質的薄密封墊；在高壓下，如果法蘭的強度足夠，也可以用光滑面法蘭，但應該用厚軟質墊，或者用帶內加強環或外加強環的纏繞密封墊。在這種場合，金屬墊片也不適用，因為這時要求的壓緊力過大，導致螺栓較大的變形，使法蘭不易封嚴。如果要用金屬墊片，則應將光滑面縮小，使其與墊片的接觸面積減小。這樣，在螺栓張力相同的情況下，縮小后的窄光滑面的壓緊應力就會增大。

     （ 2 ）法蘭表面粗糙度的影響
     法蘭表面粗糙度對密封效果影響很大，特別是當采用非軟質墊片時，密封表面粗糙度是造成泄漏的主要原因之一。例如，車削法蘭面的刀紋是螺旋線，使用金屬墊片時，如果粗糙度值較大，墊片就不能堵死刀紋所形成的這條螺旋槽，在壓力作用下，介質就會順著這條溝槽泄漏出來。軟質密封墊對法蘭面的光潔程度要求低得多。這是因為它容易變形，能夠堵死加工刀紋，從而防止了泄漏。對軟質墊片，法蘭而過于光滑反而不利，因為此時發生界面泄漏的阻力變小了。所以，墊片不同，所要求的法蘭面的粗糙度也不相同。表 29.3-15 列出了各種密封墊所要求的法蘭表面粗糙度的經驗數據。

     （ 3 ）法蘭與墊片的硬度差
     使用墊片的目的在于使墊片產生彈性或塑性變形以填滿法蘭面微小凸凹不平，阻止泄漏發生。因而應使墊片材料的硬度低于法蘭材料的硬度，二者之間相差越大，實現密封就越容易。當使用金屬墊片時，為了保證實現密封，應盡可能選用較軟的材料，使金屬墊片的硬度比法蘭硬度低 40HB 以上 為 宜。

潤滑槽和液體緩沖墊密封在熱水工況的應用

     熱水工況采用的傳統的機械密封絕對不能用熱水直接沖洗密封面，熱水必須首先經過冷卻，將沖洗液溫度降低至 65 ～ 82 ℃ 以下。

     最常用的熱水工況的密封沖洗方案有 API plan 23 和 API Plan 21 。其中 API plan 23 方案是將熱水從密封腔  ( stuffing box )  引出，經過一個換熱器后再沖洗密封面。換熱器使熱水的溫度在重新注入密封腔并沖洗密封面之前降低了。沖洗液循環的動力通常由一個內置的泵送環，也稱泵效環（ pump ring ）來提供。

     API plan 21  是將泵送熱水從泵出口引出，經過換熱器降低溫度，然后注入密封腔并沖洗密封面。 API plan 21 總的來說不如 API Plan 23 效率高，因為它需要冷卻的是來自工藝管線的較高溫度的熱水，在同等工況下通常需要更大的換熱器，其優點是沖洗液不需要泵送環提供動力。

     此外可以用于熱水工況密封的沖洗方案還有 API plan 32 。這個方案 API plan 32 是采用一路外來的溫度較低的清潔軟水注入密封腔并沖洗密封面，它的沖洗管路簡單可靠，但缺點是沖洗水消耗量很大且會稀釋或冷卻工藝管線的熱水，許多用戶難以接受。當然還可以采用在密封腔外增加冷卻水夾套的方法來降低密封腔的熱水溫度。  

     以上沖洗方案，均要求將密封腔中熱水的溫度降低到標準密封設計所能接受的水平，以使密封達到一個可以讓人接受的使用壽命；并要求另外提供一路冷卻水，這不但帶來大量的冷水消耗，而且一旦在操作過程中冷水中斷就會迅速導致密封失效。同時，在這些沖洗方案的使用過程中還要面對換熱器、夾套腔等處的結垢問題，這就降低了密封系統在實際操作過程中的可靠性。

     以下介紹兩種適用于熱水工況而又無需冷卻水的密封方式：“潤滑槽” (Lube Groove) 和“液體緩沖墊” (Hydropad) 機械密封。

“潤滑槽” (LUBE GROOVE) 密封：

     在一個標準的機械密封中，兩個密封端面之間存在一個很薄的液膜，在產生和形成穩定的液膜過程中，流體的物理特性處于臨界狀態。在流體流經密封面時，壓力降低、溫度升高。壓力降低是由于密封面內外緣的壓力差造成的，溫度的升高是由于液膜中流體受到剪力以及密封面之間的機械接觸產生的摩擦熱引起的。液膜防止了密封端面之間過大的機械接觸，從而減少密封端面在運行過程中的摩擦熱和端面磨損。如果液膜在接近密封面的邊緣處發生汽化，那么該密封副的大部分密封面都會失去密封液膜的支撐，造成密封迅速失效。

     “潤滑槽”就是在密封面上沿切線方向刻出窄槽，該槽不能貫通密封面的內外側邊緣。當流體流經密封面時，這些槽能改善流體在密封面上的壓力分布。這有助于保持密封面間的液膜穩定并防止流體在液膜處汽化。

     由于熱水的汽化壓力很高，容易在流經密封端面時引起快速汽化，因此控制密封接觸面的壓力是解決問題的關鍵。當密封面相互平行時，液膜中的壓力降基本上呈線性分布，由密封端面外側的密封腔壓力逐步降至其內緣的大氣壓力。當液膜中的流體壓力逐步降低至等于液體的汽化壓力時，液膜就會發生汽化。通過在密封面上開潤滑槽，密封端面上就會形成一個相對的高壓區域。該液膜的壓力分布是從密封端面外緣  (OD) 呈線性遞減直到進入潤滑槽。在經過潤滑槽時流體壓力保持不變，然后再從潤滑槽處呈線性遞減直到密封面內緣面 (ID) 。壓力分布形式的改變，限制了液膜在“潤滑槽”所覆蓋的環形區域內的汽化。

     以下為“潤滑槽”密封在熱水工況中的應用：            

推薦的管線方案：      API Plan11 或 API Plan02

注 * ：最低密封腔壓力應保持在高于熱水的汽化壓力 2Bar 以上。

     在通常情況下，為便于加工，“潤滑槽”一般刻在較軟的密封面上。“潤滑槽”的確切數量以及它的長度，深度是由密封端面的尺寸決定的。

液體緩沖墊”（ HYDROPAD ）密封：

     “液體緩沖墊”是在動靜環的任一密封面上從外緣沿徑向朝里開出凹槽或切口。其深度可以從千分之幾到 0.125 英寸 ( 即 3 毫米 )

     在普通密封中，密封面是均勻的圓環形。在密封面上開槽后，就會在圓周方向由機械和溫度變化引起變形。在機械方面，由于開槽使密封端面的局部強度削弱了；在熱力方面，凹槽使熱量沿密封端面的圓周方向散失速率不同。這兩個因素造成密封端面發生波狀變形。由于液膜很薄，密封面上很小的變形都會對液膜的形成及穩定性產生極大的影響。

     波狀變形有助于液膜在密封端面間的延展。液膜厚度沿圓周方向的收縮與擴展產生了一個使密封面分離的流體推開力。這個流體推力減小了密封面間的機械接觸，熱量產生及密封面磨損。流體推力的大小不僅與密封面的波狀變形而且與密封的操作特性和流體的物理特性有關。密封面之間的相對速度也是產生流體推力的一個重要因素。速度越大，流體推力越大。流體的特性，如比重，粘度，蒸汽壓，都會對液膜產生很大的影響。流體的比重和粘度越小，流體推力越小。由于以上特性，“液體緩沖墊”可以用于熱水，輕烴和氫氟酸等介質。

     在確定是否需要“液體緩沖墊”時應考慮以下因素：

1 ）汽化壓力：密封腔的壓力低于液體的汽化壓力加上 25 Psi ( 即 1.7 Bar) 時，   應同時綜合考慮溫度的因素。

2 ）壓差：密封面內外緣的壓差非常低或非常高（大于 250 Psi  即 17 Bar 時），應考慮采用“液體緩沖墊”型式。因為當流體的壓力很低時，液體的壓力無法克服作用在密封面上的彈簧力，難于在密封面上形成所需液膜。而當流體的壓力很高時，密封面上的所受的液體閉合壓力也很高，同樣難于形成所需液膜。

3 ）液體比重：液體比重小于 0.52 。

     目前，“液體緩沖墊”與“潤滑槽”一樣，均為集裝式密封。

熱水工況用機械密封型式比較

     用于熱水工況的機械密封型式比較見下表：

注： Pc–密封腔壓力； Pv–介質的汽化壓力；△ Pc–密封面的內外緣壓差。

應用實例

     在上海漕涇 SECCO 公司苯乙烯項目中，有一冷凝水泵的溫度是 1170C ，入口壓力為 1.6 Bar ，出口壓力為  7.2 Bar ，密封腔壓力經計算約為 3.2 Bar ，介質的蒸汽壓為 1.41 Bar ，比重為 0.951 。

     在原設計中，采用的是 API plan 23  方案。該設計需要一套輔助管路系統、換熱器及其所需的 0.7 米 3/ 小時的冷卻水消耗。我方與業主經過認真的研究和綜合比較后，決定采用“潤滑槽” ( QB Lube )  型機械密封，沖洗方案為 API Plan 11 。設備購置費可以節省約 30 ％，運行費可以節省約 6000 元 / 年（僅冷卻水消耗）。

     由于“潤滑槽”型機械密封不需要冷卻水，避免了由于誤操作斷水而造成密封失效，以及因換熱器結垢而降低密封系統可靠性。此類密封型式已在歐洲和中東地區有了近 40 年的使用歷史。

     除了在熱水工況中有許多的成功運用外，“潤滑槽”和“液體緩沖墊”密封已經大量成功地運用于一些特殊的工況，如：液化空氣，低溫液化氣，輕烴，氫氟酸等介質。由于它在以上特殊的工況中部分替代了干氣密封的使用，而購置成本與運行成本，操作難度都大大低于干氣密封，相信將會有愈來愈廣泛的應用。

一、構造
     纏繞式墊片由 “V” 形 ( 或 “W” 形 ) 金屬帶與非金屬帶相互重迭，連續纏繞而成，在始、末端用點焊方式將金屬帶固定。

二、性能及特點
1 、 適用的工況范圍寬。能耐高溫、高壓和適應超低溫或真空下的使用條件。通過改變墊片的材料組合，可解決各種介質對墊片的化學腐蝕問題。
2 、應力補償能力強。在溫度、壓力波動頻繁的工位上，密封性能穩定、可靠。
3 、密封性能優良。
4 、對與墊片接觸的法蘭密封面的表面精度要求不高。
5 、安裝方便，墊片預緊壓力較低。
三、墊片種類
1 、 A 、纏繞片墊片分四種形式：基本型、帶內環型、帶外環型、帶內外環型。
B 、熱交換器用纏繞式墊片一般分：基本型及帶內外環型。
2 、通常使用的材料：
A 、鋼帶： 08F 、 0Cr18Ni9(304) 、 0Cr18Ni9Ti 、 1Cr18Ni9Ti(321) 、 0Cr17Ni12 、 M02Ti(316) 、 00Cr17Ni14M02Ti(316L)
B 、內外環用 ( 冷軋 ) 鋼板：外環：低碳鋼、 0Cr13 、 oCr18Ni9 內環：通常與鋼帶材質相同或協商確定。
C 、非金屬帶：柔性石墨、特制石棉、聚四氟乙烯、非石棉紙。
四、使用范圍
1 、使用溫度： -196 ℃ -700 ℃ ( 氧化性介質中不高于 600 ℃ )
2 、使用壓力： ≤25MPa
3 、墊片系數： m=2.5-4
4 、最小預緊比壓： y=68MPa
5 、最大加工尺寸： -2800mm
基本型                      
墊片厚度： 4.5mm                              

常用骨架油封樣式圖