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机械密封构成及定义

2012-05-08

机械密封构成及定义

机械密封(mechanical seal)是指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（或磁力）的作用下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。弹力加载机构与辅助密封是金属性纹管的机械密封我们称为金属波纹管密封。在轻型密封中，还有使用橡胶波纹管作辅助密封的，橡胶波纹管弹力有限，一般需要辅以弹簧来满足加载弹力。 “机械密封”通常被人们简称为“机封”。

机械密封的基本组成：

主要部件
　　动环和静环。
辅助密封件
　　密封圈（有O形、X形、U型、楔形、矩形柔性石墨、PTFE包覆橡胶O圈等）。
弹力补偿机构
　　弹簧、推环。
传动件
　　弹簧座及键或各种螺钉。
机械密封是一种旋转机械的油封装置。比如离心泵、离心机、反应釜和压缩机等设备。由于传动轴贯穿在设备内外，这样，轴与设备之间存在一个圆周间隙，设备中的介质通过该间隙向外泄露，如果设备内压力低于大气压，则空气向设备内泄露，因此必须有一个阻止泄露的轴封装置。轴封的种类很多，由于机械密封具有泄漏量少和寿命长等优点，所以当今世界上机械密封是在这些设备主要的轴密封方式。机械密封又叫端面密封，在国家有关标准中是这样定义的：“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（或磁力）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。”

对密封环的要求：

密封环是动环和静环的总称，是构成机械密封主要的元件。密封环在很大程度上决定了机械密封的使用性能和寿命，因此，对它提出了一些要求。

有足够的强度和刚度
　　在工作条件下(如压力、温度和滑动速度等)不损坏，变形应尽量的小，工作条件波动时仍能保持密封性。尤其是密封端面要有足够的强度以及一定的耐腐蚀能力，以保证产品有满意的使用寿命。

有良好的耐热冲击能力
　　为此，要求材料有较高的导热系数和较小的线膨胀系数，承受热冲击时不至于开裂。

较小的摩擦系数
　　密封环匹配应有较小的摩擦系数。

良好的自润滑性
　　工作中如发生短时间的干摩擦，不损伤密封端面。因此，密封环要有良好的自润滑性，密封环材料与密封流体还要有很好的浸润性。

结构简单
　　密封环结构应力求简单对称，优先考虑用整体型结构，也可采用组合式(如镶装式)密封环，尽量避免用密封端面喷涂式结构。

密封环要容易加工制造
　　安装和维修要方便，价格要低廉。

机械密封工作应注意问题

安装时注意事项
　　a.要十分注意避免安装中所产生的安装偏差

　　（1）上紧压盖应在联轴器找正后进行，螺栓应均匀上支，防止压盖端面偏斜，用塞尺检查各点，其误差不大于0.05毫米。

　　（2）检查压盖与轴或轴套外径的配合间隙（即同心度），四周要均匀，用塞尺检查各点允差不大于0.01毫米。

　　b.弹簧压缩量要按规定进行，不允许有过大或过小现象，要求误差2.00毫米。过大会增加端面比压，加速端面磨损。过小会造成比压不足而不能起到密封作用。

　　c.动环安装后，将动环压向弹簧后应能自动弹回来。

安装时位置要求
　　为了保证机械密封稳定的运行、长寿命和低泄漏性能，将它正确地安装在机器上是十分重要的。安装时必须注意的事项：

　　（1）部件的确认

　　把机械密封安装到机器上时，安装前要很好的与总装配图相对照，确认零件是否已准备齐全，这时要注意密封磨擦副密封面、密封圈等有无伤痕、缺损等异常现象，还要注意与填料、密封圈（O环）等相接触的轴或轴套表面、法兰等部件上有无伤痕，若发现有异常的现象，则必须更换或修理后再使用。

　　在实际进行安装时，不要将超过需要的零件带到现场，这样，安装完毕后零件如有剩余，则是安装时有了漏装的地方；若零件不足，则意味着不必要的地方也组装上了零件，这也就起到了在安装时自检的作用。

　　（有人认为一个好的装配工是不需要图纸和其它标记，这是错误的。那他只是个熟练工不是个好检修工）

　　（2）安装位置

　　安装要领随机械密封型式、机器种类的不同而不同。这里不再赘述

安装时技术要求
　　机械密封是属于较高精度的机械部件，对其正确的安装与操作对它的使用寿命有大大的影响。我们一般按照石油化工部规定的标准。

　　安装机械密封的泵与机械密封配合部分的技术要求如下:

　　1、轴弯曲度：不大于0.05毫米；

　　2、转子振摆：动环密封圈处的轴套附近不大于0.06毫米；

　　3、轴的轴向窜动量不允许超过±0.5毫米，如果带轴套，不允许轴套有松动；

　　4、联轴器的找正误差：对于齿式联轴器不大于0.08～0.10毫米（P2008C），对于弹性联轴器不大于0.05～0.06毫米；（习惯做法端跳<0.05,径跳<0.10）

　　5压盖（静环座）与密封配合止口对轴中心线的同心度允差0.05毫米，与垫片接触的平面对中心线的垂直度值允差0.03～0.05毫米，如果达不到要求，密封腔要进行加工；

　　6、安装动环密封圈的轴套端部，以及安装静环密封圈的压盖（或壳体）的端部应倒角，并修光滑。

拆卸时注意事项
　　a.在安装、拆卸机械密封时要仔细，严禁动用手锤和扁铲，以免损坏密封元件。如果结垢拆卸不下时，应清洗干净后再进行拆卸。

　　b.如果在泵两端都用机械密封时，在装配，拆卸过程中互相照顾，防止顾此失彼。

　　c.对运行过的机械密封，凡有压盖松动使密封发生移动的情况，则动静环零件必须更换，不应重新上紧继续使用。因为松动后摩擦副原来运转轨迹会发生变动，接触面的密封性就很容易遭到破坏。

机封的维护问题：

启动前的准备工作
　　a.全面检查机械密封，以及附属装置和管线安装是否齐全，是否符合技术要求。

　　b.机械密封启动前进行静压试验，检查机械密封是否有泄漏现象。若泄漏较多，应查清原因设法消除。如仍无效，则应拆卸检查并重新安装。一般静压试验压力用2~3公斤/平方厘米。

　　c.按泵旋向盘车，检查是否轻快均匀。如盘车吃力或不动时，则应检查装配尺寸是否错误，安装是否合理。

安装与停运
　　a.启动前应保持密封腔内充满液体。对于输送凝固的介质时，应用蒸气将密封腔加热使介质熔化。启动前必须盘车，以防止突然启动而造成软环碎裂。

　　b.对于利用泵外封油系统的机械密封，应先启动封油系统。停车后停止封油系统。

　　c.热油泵停运后不能马上停止封油腔及端面密封的冷却水，应待端面密封处油温降到80度以下时，才可以停止冷却水，以免损坏密封零件。

运转
　　a.泵启动后若有轻微泄漏现象，应观察一段时间。如连续运行4小时，泄漏量仍不减小，则应停泵检查。

　　b.泵的操作压力应平稳，压力波动不大于1公斤/平方厘米。

　　c.泵在运转中，应避免发生抽空现象，以免造成密封面干摩擦及密封破坏。

　　d.密封情况要经常检查。运转中，当其泄漏超过标准时，重质油不大于5滴/分，轻质油不大于10滴/分，如2-3日内仍无好转趋势，则应停泵检查密封装置。

机封故障及失效原因：

故障原因
　　机械密封的故障大体上都是由异常的泄漏、异常的磨损、异常的扭矩等现象出现后才被人们所知道。造成故障的原因大致有如下四方面：

　　1、机械密封的设计选型不对；

　　2、机械密封质量不好；

　　3、使用或安装机械密封的机器本身精度达不到要求；

　　4、机器运行操作错误。

　　具体情况具体分析

密封失效的原因及分析
　　（一）密封失效主要有下述三种原因：

　　1、密封面打开

　　在修理机械密封时，85%的密封失效不是因磨损造成，而是在磨损前就已泄漏了。

　　当密封面一打开，介质中的固体微粒在液体压力的作用下进入密封面，密封面闭合后，这些固体微粒就嵌入软环（通常是右墨环）的面上，这实际成了一个“砂轮”会损坏硬环表面。

　　由于动环或橡胶圈紧固在轴（轴套）上，当轴串动时，动环不能及时贴合，而使密封面打开，并且密封面的滞后闭合，就使固体微粒进入密封面中。

　　同时轴（轴套）和滑动部件之间也存在有固体微粒，影响橡胶圈或动环的滑动（相对动密封点，常见故障）。另外，介质也会在橡胶圈与轴（轴套）磨擦部位产生结晶物，在弹簧处也会存有固体物质，都会使密封面打开。

　　2过热

　　因密封面上会产生热，故橡胶圈使用温度应低于设计规范。氟橡胶和聚四氟乙烯的使用温度为216℃，丁晴橡胶的使用温度为162℃，虽然它们都能承受较高的温度，但因密封面产生的热较高，所以橡胶圈有继续硫化的危险，失去弹性而泄漏。（冷区考虑冷脆）

　　密封面之间还会因热引起介质的结晶，如结碳，造成滑动部件被粘住和密封面被凝结。而且有些聚合物因过热而焦化，有些流体因过热而失去润滑等甚至闪火。

　　过热除能改变介质的状况外，还会加剧它的腐蚀速率。引起金属零件的变形，合金面的开裂，以及某些镀层裂缝，设计应选用平衡型机械密封，以降低比压防止过热。

　　3超差

　　正确的装配公差，对于安装机械密封是很必要的，轴（轴套）必须有合适的表面粗糙度和正确的尺寸，但制造者很少提供公差数据，这些数据对安装来讲都是很关键的。（依靠经验和常识）

　　机械密封的尺寸精度及形位公差必须符合图纸要求，超差将会导致密封提前失效。

　　（二）密封失效原因分析

　　密封面本身也会提供密封失效的迹象，如振动时，在传动零件上就会有磨损的痕迹，如痕迹不明显，则一般是装配不当造成的。

　　对于质量较差的石墨环（动环）来讲，其内部气孔较多，这是因为在制造过程中，聚集在石墨内部的气体膨胀将碳微粒吹出的所致，因此这种低质的石墨环在密封启用中，其碳微粒很容易脱落，而使密封面在密封停用时粘住。

　　密封面内圆柱面上的伤痕很可能是外面的杂物进入密封面或安装不当造成的。密封面上的环形沟槽，多数是固体微粒沉积于密封面而引起的。

　　石墨环（动环）的裂纹是由于传动件的振动，橡胶圈的涨大以及石墨环本身的内应力造成的，而结焦则是因高温所致，这在炼油厂的高温热油介质中是常见的。

　　发烟硫酸、硝酸、氢氟酸、次绿酸钠、王水、过氢氧化物等对石墨有侵蚀作用的几种强氧化剂，其腐蚀作用随温度增加而加剧。

　　通常硬环（静环）表面的过热会引起密封环的严重磨损，如无冷却的立式泵。在高温、高压下、弹簧压缩过大，轴串动也会过大的情况下，都会引起密封面的过渡磨损，

　　在检查硬环表面时有四种迹象要注意：

　　（1）陶瓷环破裂；（2）热裂；（3）刻痕；（4）镀层的脱落。

　　陶瓷环装配过紧是破裂的主要原因，装配不当者也是一个较常见的原因。

　　由于镀层材料与基体材料二者线胀速率不同，所以温度升高时，环表面会出现裂纹，司太立特合金尤为严重。在较高级的涂层材料中，钴基碳化钨不如镍基涂层。而对密封面进行冷却，能有效地防止热裂，残留在密封面上的固体微粒经常损坏表面，如磨削时砂轮上的砂粒就会损伤硬环表面，导致密封面打开或在密封面之间生成结晶物，而在重新研磨石墨环后，研磨料就会嵌入石墨环表面。

　　橡胶圈的失效与使用方式有关，通常高压是使压制成型的○型圈失效的一个原因，当发现○型变成矩形或环变硬时，就需要调整压缩量，否则会发热。所以有必要了解一种合成橡胶的使用温度。合成橡胶圈溶胀大多半是因化学侵蚀造成的，它们都具有一些各自的特点，如氟橡胶耐较高温度，而乙烯、丙烯○型圈在石油润滑油中使用会胀大，臭氧对丁晴橡胶有侵蚀作用，所以丁晴橡胶制品不要装在电动机内，因此高温及化学腐蚀通常是造成橡胶制品硬化、裂纹的主要原因。

　　安装时橡胶制件被割伤和表面有刻痕，也是密封失效常见的原因。而轴上的旧固定螺钉、键槽、花键轴，锋利的轴肩等迹象都会损伤橡胶制件。

　　这里，对于密封面磨损痕迹尚需补充以下几点，检查磨损痕迹，可以帮助分析故障。

　　1，磨损变宽：表明机泵发生了严重的不对中。

　　其原因是：（1）轴承损坏；

　　（2）轴振动或轴变形；

　　（3）轴弯曲；

　　（4）泵汽蚀产生振动；

　　（5）联轴器未对中；

　　（6）管子严重变形；

　　（7）密封静环倾斜。

　　2，磨痕变窄：磨痕比两个密封面的小宽度还要窄，这说明密封超压，压力或温度使密封面变形。

　　3，无磨痕：

　　说明密封面不粘合。检查弹簧等补偿机构是否打滑或受阻碍。

　　4，密封面无磨痕但有亮点。

　　密封面翘曲会出现有亮点而无磨痕。压力太高，压盖螺拴未拧好或未夹好，或泵表面粗糙均能形成亮点。当采用两个螺拴的压盖时，其刚度不够，变形也是形成亮点的一个原因。

　　这种症状的出现说明：密封可能一开车就发生泄漏。

　　5，密封面有切边：

　　这是由于密封面分得太开，而在合拢时断裂。闪蒸（气化）是较普遍的密封面分开的原因，特别是在热水系统或流体中有凝液时，水从液体膨胀成蒸气，可使密封面分开。（冷介质气化也同样会造成）

　　密封的金属零件，如弹簧、固定螺钉，传动件及金属套都可能成为密封失效的根源。受交变应力作用的弹簧受腐蚀是它的首要问题，因为金属在应力作用下会迅速腐蚀，不绣钢弹簧易受氯化物的应力腐蚀，且世界上存在许多的氯化物，所以有国外部门建议，不要使用不锈钢弹簧，而推荐使用耐蚀性较高的哈斯特合金钢的弹簧。另外，装配不当造成弹簧疲劳是失效的又一原因。

　　机械密封使用的固定螺钉，不要用硬化后的材料来做，因热处理会降低金属的耐蚀能力，而未经热处理的较软的固定螺钉能紧固在轴上。

　　振动、偏斜、不同心会使传动件磨损，如密封面启动时有粘住的现象时，传动件会弯曲甚至损坏，而磨擦作用产生的热常常加剧腐蚀。

　　金属套外圆表面的磨痕，可能是从密封侧进入套内的固体微粒造成的，它干扰密封的随动能力。也可能是偏斜，不同心的原因造成的。

　　金属在温升过程中要改变颜色，不锈钢在使用时应注意下列温度时的颜色。

　　淡黄色————温度为700～800℉（约370～432℃）

　　棕色————温度为900～1000℉（约486～540℃）

　　兰色————温度为1100℉（约590℃）

　　黑色————温度为1200℉（约648℃）

　　当密封失效不符合上述任何一种时，检修就比较困难，但下面几种情况的泄漏可供参考：

　　1、泵轴套泄漏

　　许多轴套不伸出密封箱，因此要判断泄漏的来源是很困难的。轴套的泄漏通常是稳定的，而密封面的泄漏往往是增加或减小。密封面泄漏后，使表面不平，但有时也会磨合到原状。（有时不要急于检修，可观察一段时间再说）

　　2、如密封周围是潮湿的，而且看不出漏。这在起动时泵运转产生的离心力使泄漏的液体回到密封面内，起一道屏障的作用。而从泵上的法兰或接头泄漏的液体滴入填料箱内。