機械密封基礎知識講座

機械密封

基礎知識講座四川日機密封件有限公司2023/2/61

主講：張有華四川日機密封件有限公司副總工程師技術部經理2023/2/62序言

機械密封最早于1885年在英國發(fā)明并獲得專利，首先獲得應用是在20世紀20年代的冷凍機裝置上，同時出現(xiàn)了研究和生產機械密封的專業(yè)公司（英國的Crane公司、德國的Pacific公司等）。我國在20世紀60年代才相繼出現(xiàn)研究和生產機械密封的專業(yè)機構（天津克蘭），目前已有四十年歷史，在普通機械密封領域技術及產品日趨成熟，大部分地方已能替代進口產品，性能接近國外產品。目前國內具有規(guī)模的研究、生產廠家已有十余個，并在高參數(shù)密封及新技術方面取得一定突破。機械密封廣泛用于石油、化工、冶金、煤炭、食品、醫(yī)療、電力、紡織、環(huán)保等諸多領域。機械密封具有性能好、使用壽命長、運轉可靠等特點，是現(xiàn)代企業(yè)流體輸送機械應用最廣、最有前途的密封形式，對于減少環(huán)境污染、節(jié)約能源具有重大意義。

2023/2/63目錄一、機械密封原理二、機械密封的基本零件三、機械密封的計算四、機械密封用材料五、機械密封輔助系統(tǒng)六、機械密封性能的影響因素七、石化行業(yè)典型泵的密封八、機械密封的安裝和使用九、機械密封故障分析十、補充內容2023/2/64（一）定義（二）組成（三）密封機理（四）輔助設施（五）機械密封的種類（六）旋轉式和靜止式機械密封（七）內裝式和外裝式機械密封（八）內流式和外流式機械密封（九）多彈簧和單彈簧機械密封（十）平衡型和非平衡型機械密封

一、機械密封原理2023/2/65（十一）補償機構形式（十二）雙端面機械密封（十三）串聯(lián)式機械密封（十四）波紋管機械密封（十五）集裝式機械密封2023/2/66（一）對摩擦副密封環(huán)的要求（二）摩擦副匹配要考慮的因素（三）密封端面寬度（四）密封環(huán)的主要技術要求（五）摩擦副端面平面度檢測（六）密封端面的粗糙度要求（七）動環(huán)（旋轉環(huán)）（八）靜環(huán)（不旋轉）（九）密封環(huán)的種類（十）整體式密封環(huán)二、機械密封的基本零件2023/2/67（十一）組合式（十二）熱裝式密封環(huán)（十三）熱裝式密封環(huán)的過盈值選擇（十四）輔助密封圈（十五）傳動機構的作用（十六）靜環(huán)防轉方式（十七）機械密封的彈性元件（十八）波紋管種類（十九）焊接金屬波紋管密封2023/2/68（一）補償環(huán)的受力狀況（二）密封端面中液膜反力的分布情況（三）液膜反力的計算（四）易汽化介質中密封端面間的液膜壓力分布（五）膜壓系數(shù)的影響因素（六）彈簧比壓的計算（七）載荷系數(shù)K（八）端面比壓（九）波紋管的有效作用直徑de（十）PV值三、機械密封的計算2023/2/69（一）摩擦副材料要求（二）制造摩擦副的常用材料（三）碳石墨（四）硬質合金WC（五）SiC陶瓷（六）Al2O3陶瓷及其它陶瓷介紹（七）表面堆焊硬質合金（八）作摩擦副的金屬材料（九）填充聚四氟乙烯（十）輔助密封圈材料要求四、機械密封用材料2023/2/610（十一）合成橡膠（十二）柔性石墨（也稱膨脹石墨）（十三）彈性元件材料（十四）機械密封中基體材料2023/2/611（一）為什么機械密封要采用輔助系統(tǒng)（二）什么是輔助系統(tǒng)（三）自沖洗的形式（四）循環(huán)沖洗（五）注入式沖洗（六）沖洗液進入密封腔的方式（七）沖洗量的確定（八）沖洗量的控制（九）沖洗壓力的確定（十）密封腔中的壓力確定五、機械密封輔助系統(tǒng)2023/2/612（十一）對沖洗流體的要求（十二）熱油泵的沖洗液選擇（十三）烷基化裝置中濃硫酸的沖洗液的選擇（十四）輕烴、輕油泵密封沖洗液的選擇

（十五）機械密封的冷卻方式

（十六）輔助設施在何種工況下必須選用2023/2/613（一）密封性的影響因素（二）機械密封端面的摩擦狀態(tài)（三）載荷系數(shù)對密封性能的影響（四）彈簧比壓對密封性能的影響（五）端面粗糙度對密封性能的影響（六）端面間縫隙形狀對密封性能的影響（七）產生端面不平行的原因（八）密封端面的機械變形（九）密封端面的熱變形（十）影響機械密封性能的其它因素六、機械密封性能的影響因素2023/2/614（一）石化行業(yè)高溫泵（熱油泵）密封分析（二）輕烴泵密封分析（三）低溫泵密封分析（四）高速機械密封七、石化行業(yè)典型泵的密封2023/2/615（一）安裝機封的泵的技術要求（二）安裝密封前要了解泵及介質情況（三）機械密封的安裝（四）泵的抽空和汽蝕八、機械密封的安裝和使用2023/2/616（一）摩擦痕跡大于端面寬度（二）摩擦痕跡小于端面寬度（三）硬環(huán)上無摩擦痕跡（四）石墨端面出現(xiàn)均勻的環(huán)狀溝紋（五）石墨端面中間產生環(huán)狀深溝（六）石墨內緣磨損（七）石墨環(huán)臺階過早全磨掉（八）石墨環(huán)外緣出現(xiàn)缺口（九）石墨環(huán)斷裂（十）石墨環(huán)出現(xiàn)蝕坑九、機械密封故障分析2023/2/617（十一）硬質合金表面灼傷和裂紋（十二）其它故障簡介（十三）泵抽空密封失效現(xiàn)象（十四）密封腔中汽蝕，密封失效現(xiàn)象（十五）密封端面汽化的失效現(xiàn)象（十六）泵振動過大的失效現(xiàn)象（十七）沒有沖洗的故障現(xiàn)象（十八）動環(huán)選材注意事項2023/2/618（一）機械密封標準介紹（二）機械密封輔助系統(tǒng)（三）機械密封的安裝（四）磁力密封介紹（五）高壓機械密封研制十、補充內容2023/2/619一、機械密封原理（一）定義（圖1-1）2023/2/620機械密封是一種用于旋轉流體機械的軸封裝置。（用于離心泵、離心機、反應釜、壓縮機等設備，軸和設備腔體間存在一個圓周間隙，設備介質從中泄漏，因此必須設一道阻漏裝置。因機械密封具有泄漏少、壽命長等優(yōu)點，成為了主要的軸密封方式，又叫端面密封。）在國家有關標準中的定義：由至少一對垂直于旋轉軸線的端面組成,在流體壓力及補償機構彈力(或磁力)共同作用下，以及輔助密封圈的配合下，該對端面保持貼合并相對滑動，而構成的防止流體泄漏的裝置。

2023/2/6211、

密封端面：動環(huán)、靜環(huán)───摩擦副2、

緩沖補償機構：由彈性元件（圓柱彈簧、圓錐彈簧、波片彈簧、波紋管等）構成。（使貼合）3、輔助密封圈：包括動環(huán)密封圈、靜環(huán)密封圈等，有各種形式：如O型圈、V型圈、楔形圈等

（二）組成2023/2/6221、

4個密封點（亦稱4個泄漏點，如圖1-1）泄漏點1─摩擦端面泄漏點，依靠彈力和介質壓力保持 貼和；（動密封點,兩個摩擦副之間有相對轉動）泄漏點2─補償環(huán)密封圈，依靠密封圈的過盈量實現(xiàn)密封； （靜密封點，密封圈與軸或軸套之間有微動）泄漏點3─非補償環(huán)密封圈，依靠密封圈的過盈量實現(xiàn)密封； （靜密封點，密封圈與相配合件之間相對靜止）泄漏點4─壓蓋與腔體間的密封圈，依靠密封圈的過盈量實現(xiàn) 密封；（靜密封點，密封圈與相配合件之間相對靜 止）（三）密封機理2023/2/6233、

原理通過一系列零件將徑向密封轉化為軸向密封，在彈簧和介質壓力共同作用下，對由于設備運行所造成的軸向磨損可以及時補償，使軸向密封面始終保持貼合。由于機械密封（軸向密封）在運行中可以對軸向磨損進行補償，而填料密封（徑向密封）不能對徑向磨損進行補償，故機械密封比填料密封壽命長。

2、

傳動關系軸或軸套───緊固螺釘5──彈簧座4──彈簧3─補償環(huán)1壓蓋──防轉銷8─非補償環(huán)62023/2/624通過沖洗、冷卻、過濾、分離等方式進行冷卻和潤滑，從而改善密封的工作環(huán)境，減少密封的泄漏量，延長使用壽命。應當把它看作機械密封的組成部分。

（四）輔助設施2023/2/6251、

按使用條件分類（1）高速密封（ZBJ22-001-88：線速度25～100m/s）和普通密封（2）高壓和低壓密封（3）高溫、常溫和低溫密封（4）泵用、釜用和壓縮機用密封（5）耐腐蝕、抗顆粒機械密封2、

通常按結構分類多彈簧、單彈簧密封旋轉式、靜止式密封外裝式、內裝式密封外流式、內流式密封（五）機械密封的種類2023/2/626（1）旋轉式：補償機構（彈性元件）隨軸旋轉。（由于安裝方便，普通密封大多采用，但易產生不平衡，而且消耗攪拌功率，所以不能用于高速）（2）靜止式：補償機構（彈性元件）不隨軸旋轉。（用于高速）

（六）旋轉式和靜止式機械密封（圖1-2）

2023/2/6272023/2/628（七）內裝式和外裝式機械密封（圖1-3）2023/2/629（1）

內裝式：靜環(huán)裝在壓蓋內側，靜環(huán)端面面向工作腔。（用于溫度、壓力較高，腐蝕性不強的場合）（2）外裝式：靜環(huán)裝在壓蓋外側，靜環(huán)端面背向工作腔。（用于低壓、腐蝕性強的場合）

2023/2/630（一般和內裝式、外裝式一致）

（1）內流式：泄漏方向朝向軸心。（一般密封都采用這種結構）（2）外流式：泄漏方向朝向離心力方向。（泄漏量大，只有在壓力、溫度都不高的腐蝕性介質中用）

（八）內流式和外流式機械密封2023/2/631（1）多彈簧：（又叫小彈簧，軸向尺寸小，軸向彈力均勻）宜用于高速，不宜用于腐蝕性介質。（2）單彈簧：（又叫大彈簧，軸向尺寸大，軸向彈力不均勻）不宜用于高轉速的場合。

（九）多彈簧和單彈簧機械密封2023/2/632（1）平衡型：載荷系數(shù)K＜1.0（用于高壓場合）（2）非平衡型：載荷系數(shù)K≥1.0（用于普通壓力場合）

（十）平衡型和非平衡型機械密封

2023/2/633（1）磁力：系統(tǒng)壓力較低時用（2）波片彈簧、錐形彈簧、螺旋圓柱大彈簧、小彈簧

（3）橡膠波紋管、聚四氟乙烯波紋管、金屬波紋管

（十一）補償機構形式2023/2/634兩套密封面對面或背對背安裝在一起。用于工作介質有毒、易燃、易爆、易揮發(fā)、易結晶、高溫、低溫，或氣體、高真空度等場合。兩套密封之間形成一個密封腔，在密封腔中引入封液：堵封、潤滑、冷卻，選潔凈、潤滑性好的封液介質。

（十二）雙端面機械密封（圖1-4）2023/2/635兩套密封沿同一方向布置，密封腔壓力逐級降低用于高壓場合。

（十三）串聯(lián)式機械密封（圖1-5）2023/2/636去掉了補償環(huán)密封圈及其摩擦阻力，補償環(huán)密封圈改至彈簧座處，補償環(huán)追隨性提高，而且避免了補償環(huán)密封圈因軸串、振動所產生的磨損。金屬波紋管用于高溫介質，聚四氟乙烯波紋管用于腐蝕性介質。

（十四）波紋管機械密封2023/2/637將機械密封、軸套、壓蓋組合成一個整體。安裝時只需固定壓蓋、軸套，取下定位擋塊即可。安裝方便，排除了安裝不良的影響。（一般擋塊厚度為彈簧壓縮量，從外部易于觀測）

（十五）集裝式機械密封（圖1-6）2023/2/638二、機械密封的基本零件（一）對摩擦副密封環(huán)的要求摩擦副密封環(huán)是機械密封的主要元件，它在很大程度上決定了機械密封的性能和壽命。因此，對它有一些基本要求。

（1）足夠的強度和剛度保證在工作條件（如壓力，溫度，滑動速度等）下不損壞，變形小，工作條件波動時影響小。（2）端面有足夠的硬度、耐腐蝕性能確保使用壽命。2023/2/639（3）耐熱沖擊力高的導熱系數(shù)，低的線膨脹系數(shù)。（4）較小的摩擦系數(shù)，良好的自潤滑性，材料與介質有很好的浸潤性短時間干摩擦，不損傷端面。（5）易加工，材料成本低2023/2/640（1）一般選擇一軟一硬的材料配對，軟環(huán)作窄環(huán)，如 YG6/M106K，只有介質含固體顆粒、易結晶、粘度高 時才選用硬對硬。（2）盡量采用內裝、內流式結構，防止機械雜質進入密封端面，減少泄漏量。（3）選導熱性良好材料作動環(huán)。以利散熱，降低端面溫度。（4）環(huán)的壁厚不可太薄，以保證整體強度、剛度，也利散熱（導熱欠佳的材料，可薄一些）。（5）動環(huán)和軸（軸套）間隙A11（0·4~0·6）以利補償靜環(huán)和軸（軸套）間隙1~3mm以免摩擦

（二）摩擦副匹配要考慮的因素2023/2/641（1）主要決定窄環(huán)（軟環(huán)）寬度，寬環(huán)外徑—窄環(huán)外徑

≥0.5，寬環(huán)內徑≤窄環(huán)內徑－0.5；

（2）泄漏量與摩擦副端面寬度關系不大

（3）窄的端面摩擦熱少，溫度梯度小，熱變形小，磨損均勻；

（4）從受力角度出發(fā)，窄的端面整體強度和剛度差，易損壞或變形。因此應綜合考慮。對于普通密封，端面寬度推薦值如下：

（三）

密封端面寬度2023/2/642寬系列用于組對性能好（如YG6/M106K、SiC/M106K）、工況條件好的場合窄系列用于組對性能欠佳（如YG6/YG6、YG6/青銅）、飽和蒸氣壓高、易揮發(fā)、顆粒介質，高速機械密封，（對于輕烴介質，在強度夠的情況下，取窄系列）。

軸

徑≤16≤35≤55≤70≤100≤120寬系列2.53.04.05.06.07.0中系列2.02.53.04.05.05.0窄系列1.52.02.02.53.03.02023/2/643（１）平面度0.0009，硬質Ｒａ≤0.2，軟質Ｒａ≤0.4，表面不應有裂紋、劃傷、氣孔、疏松等缺陷。（２）密封環(huán)端面與安裝輔助密封圈處的平行度、垂直度按ＧＢ１１８４－８０的７級精度要求。（３）安裝輔助密封圈處粗糙度：Ｒａ≤3.2，徑向尺寸公差Ｈ８或ｈ８。上述要求是對普通機械密封而言，對轉速較低的釜用機械密封可適當放寬標準，對高速機封要求更高。

（四）密封環(huán)的主要技術要求2023/2/644平面度0.0009，普通量具無法檢測，通常利用光波的干涉效應來檢測。（1）光波的干涉效應

根據(jù)波動學原理，兩波產生干涉的條件是：（a）兩波在相遇點振向一致；（b）兩波具有相同的頻率；（c）兩波在相遇點有固定的周相差

。（兩個同樣的鈉光燈不行，只有用同一光源發(fā)出的光設法分成兩束，才滿足相干條件）（五）摩擦副端面平面度檢測2023/2/645滿足相干條件的兩束光的疊加效果是：在波程差為波長整數(shù)倍的地方，光強度加強；在波程差為半個波長的奇數(shù)倍的地方，光強度減至零（變暗）。這就是光的干涉原理。

2023/2/646（2）平面度檢測原理設入射角i=0，e為氣膜厚度（即是被檢測面上點到平晶的距離），λ為光波波長，δ為光的波程差，那么δ=2e＋λ/2當δ=kλ時，被檢測面上點變暗；δ=(2k＋1)λ/2，被檢測面上點變亮

；（其中k=0,1,2,3,4,…，k為整數(shù)）由以上公式可以得出下面結論：

（?。┫噜弮蓷l光帶所對應兩點的氣膜厚度差（高度差）為λ/2，（對于鈉光燈λ=0.589μm，λ/2≈0.3μm）2023/2/647（ⅱ）相鄰兩條光帶寬b=λ/2Sinθ，（θ為空氣膜傾斜角）（ⅲ）當e=0時，δ=λ/2（半波損失），出現(xiàn)暗條紋；（1）合格光帶舉例2023/2/648（2）平面度檢測器（圖2-3）平晶：由派利克斯玻璃、熔凝水晶或折射系數(shù)為1.516的光學玻璃制造。表面平面度0.1μm(2級)，0.03μm(1級)。光源:鈉光燈(λ=0.589μm)2023/2/649密封端面承載能力與表面粗糙度有很大關系，大約有如下關系：

（六）密封端面的粗糙度要求精車磨加工研磨拋光粗糙度3.20.80.40.2承載面積（%）4124095端面比壓增加（倍）247.31.50.052023/2/650由此可以看出，密封端面粗糙度應在0.2以上，否則，端面比壓比理論值高的多，結果是高點接觸，局部壓力很高；由于摩擦副的硬度、剛度的差異，局部高點發(fā)熱甚至產生裂紋。石墨環(huán)表面磨出細微的環(huán)狀溝紋。泵的振動和動、靜環(huán)的不同心會加劇這種磨損。被磨掉的顆粒存在于端面中，形成磨粒磨損，磨損加劇，有時在泄漏的介質中可以看到石墨黑漿。

2023/2/651非補償動環(huán)（只旋轉，不能補償，其后無彈性元件。)補償動環(huán)（既旋轉，又作軸向補償，其后有彈性元件。)（?。┹o助密封圈受軸向力，軸向、徑向都起密封作用，這種密封方式較為可靠。（ⅱ）輔助密封圈只受徑向力，易產生老化、冷流變形，從而導致密封失效。（ⅲ）波紋管：無作軸向補償?shù)妮o助密封圈，因此，浮動性好，密封圈不易失效。

（七）動環(huán)（旋轉環(huán)）

2023/2/652非補償靜環(huán)（不旋轉不補償）：主要有三種安裝方式：浮裝式、托裝式、夾固式。補償靜環(huán)（不旋轉只補償）：其輔助密封圈情況和補償動環(huán)基本一致。

（八）靜環(huán)(不旋轉)2023/2/653整體式（用同一種材料制造）、組合式（如鑲嵌）、表面堆焊、表面噴涂

（九）密封環(huán)的種類2023/2/654（十）整體式密封環(huán)各個部位性能均勻一致，最常用的有：石墨、SiC、鈷基硬質合金、鎳基硬質合金、NiCr基硬質合金、陶瓷等。2023/2/655整體環(huán)價格高，加工困難，因此出現(xiàn)組合式密封環(huán)。組合式包括：（ⅰ）熱裝式（ⅱ）帶密封圈式（無組合應力、無應力變形；開槽、打孔麻煩，多一泄漏點）

（十一）組合式2023/2/656優(yōu)點：結構簡單，性能優(yōu)異，價格較低，運用較多。缺點：（ⅰ）因過盈接觸不均勻，而產生機械變形。（ⅱ）兩種材料線膨脹系數(shù)不一致，當溫度變化時，過盈量變化，會產生應力變形。

（十二）熱裝式密封環(huán)2023/2/657Δδ=δ－Dp（α1－α2）ΔT式中Δδ：工作溫度時的過盈量δ：常溫過盈量Dp：鑲嵌直徑α1：座線脹系數(shù)α2：環(huán)的線脹系數(shù)ΔT=工作溫度－常溫（20。C）（YG6：4.5×10－61/。C1Cr18Ni9Ti：16.6×10－61/。C3Cr13：11.5×10－61/。C）（1）在滿足傳遞扭矩的情況下，取最小過盈值；（十三）熱裝式密封環(huán)的過盈值選擇2023/2/658（2）由上式，當使用溫度為300°C時，對

YG6/1Cr18Ni9Ti，過盈量為：δ=Dp（16.6－4.5）×10－6×（300－20）=3.4×10－3Dp

（以便記憶）（3）長期放置的鑲嵌環(huán)，使用前要檢查平面度；（4）對大直徑、高轉速(環(huán)座產生離心力)、彈性模量小的材質(4J42、鈦合金)，過盈量可相應大一些。（5）高溫200°C以上少用熱裝式結構，否則要核算過盈量。2023/2/659（1）材料要求（?。┰诠ぷ鳒囟认履徒橘|腐蝕（ⅱ）足夠的彈性（ⅲ）有一定強度(柔性石墨因強度差，使用場合受到限制)（ⅳ）耐磨（ⅴ）易加工、價格低（2）種類（?。┌床牧戏郑汉铣上鹉z、聚四氟乙烯、柔性石墨等；（ⅱ）按截面形狀分：矩形、V形、楔形、包四氟形等；

（十四）輔助密封圈2023/2/660把軸或軸套的運動方式(旋轉)傳遞給動環(huán)，一般是通過鍵、緊定螺釘、傳動螺釘、銷、R槽、撥叉、彈簧、波紋管等的組合來傳遞運動。（1）緊定螺釘（頂絲）傳動：在軸表面劃凹坑，否則易打滑失效，特別當直徑較大和溫度較高時。（2）鍵＋臺階傳動（3）撥叉?zhèn)鲃樱ㄒ贿呴_槽一邊伸爪）（4）并圈彈簧傳動（彈簧旋向必須和軸旋向一致）（十五）傳動機構的作用2023/2/661（5）銷釘傳動（6）凸耳傳動（7）勾圈彈簧傳動（8）波紋管傳動（9）螺帽固定2023/2/662（1）浮裝式（可以在軸向、徑向設計防轉銷）（2）托裝式(一般小扭矩可不用銷，要注意端面垂直度)（3）夾固式(浮動性差，注意端面垂直度)（4）防抽空(前加卡環(huán))（十六）靜環(huán)防轉方式

2023/2/663螺旋壓縮彈簧錐形彈簧：軸向尺寸較小碟形彈簧：軸向尺寸小波片彈簧：軸向尺寸小并圈彈簧、帶勾彈簧：雙功能(彈力、傳動)波紋管：三功能(彈力、傳動、密封)（十七）機械密封的彈性元件2023/2/664橡膠波紋管：用于中性介質：水、油，壓力、溫度都不高的場合；聚四氟乙烯波紋管：用于腐蝕性介質，酸、堿；金屬波紋管：用于高溫、高速(追隨性好)。

(十八)波紋管種類2023/2/665（1）

制造采用厚度為0.1-0.2mm的沉淀硬化不銹鋼薄帶(AM350、0Cr17Ni17Ti、0Cr15Ni17Mo2Al、INCONEL-X-750及Ti合金、HasterlloyC-276等)沖壓成截面為S形的片狀環(huán)形件，再焊接成型(用微束等離子焊)。沉淀硬化不銹鋼焊接后須經熱時效處理，將奧氏體轉變?yōu)轳R氏體，并使馬氏體中析出金屬化合物，沉淀出硬化相，從而獲得高強度、較高的塑性及屈強比（σS/σD＞0.8~0.9）。例：AM350熱失效：真空爐850°C進行淬火處理，再進行－80°C的低溫處理(制冷劑F12)，以達到增加彈性、穩(wěn)定尺寸的目的。（十九）焊接金屬波紋管密封2023/2/666（2）特點焊接金屬波紋管密封不用會產生較小滑移的輔助密封圈，使用溫度范圍廣：－200~600°C。高速下對軸的振動、振擺適應性強，追隨性好。

（3）彈率(即剛度N/mm)k=πEt3（d1＋d2）/2nB3·d2/d1

E：工作溫度下彈性模量（N/mm2）：

AM350：1.75×10－6(315.6°C)、INCONEL：2.14×10－6(26.7°C)、1.59×10－6(649°C)、17-7PH：2.0×10－6(21.1°C)、Ti：1.31×10－6(－196°C)、1.14×10－6(23.9°C)、 0.70×106(538°C)。

2023/2/667t：波片厚度mmn：波數(shù)d1/d2：管子內外徑mmB：波紋管片寬（d2－d1）/2公式中未考慮波片斷面形狀，具有一定誤差，實際生產中用彈簧測力計測彈率。

2023/2/668三、機械密封的計算

（一）補償環(huán)的受力狀況

要進行端面比壓計算，首先要分析補償環(huán)的受力情況。如圖，補償環(huán)受到的力有：2023/2/669向左的：彈簧力Ft、介質壓力所產生的作用力Fp向右的：液膜反力Fm、靜環(huán)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=Ft＋Fp－Fm端面比壓P=F/S（S為端面面積）上面各項力的計算方法在后面章節(jié)再加以敘述。

2023/2/670（二）密封端面中液膜反力的分布情況2023/2/671在d2處，端面間液膜壓力等于P介。在d1處，端面間液膜壓力近似為零。對于中間分布情況，人們通過大量試驗發(fā)現(xiàn)，各點的壓力分布與介質性質有關，還與端面中的相態(tài)和摩擦狀態(tài)有關。對于丁烷等(粘度小、易汽化介質)，壓力分布成凸拋物線狀1。對于水等(中等粘度介質)，壓力分布成直線性2。對于潤滑油等(高粘度介質)，壓力分布成凹拋物線狀3。

2023/2/672Fm=λP介

S（液膜比壓Pm=λP介）λ：膜壓系數(shù)≈0.5（中粘度），=0.65～0.75（低粘度），=0.3～0.4（高粘度）。它是一個平均值，表示液膜壓力占介質壓力的比例，并不表示壓力的分布情況。該公式為端面比壓的計算提供了方便。S：端面面積S=π（d22－d12）/4（三）液膜反力的計算

2023/2/673易汽化介質（如液態(tài)烴等）的機械密封一直是石化行業(yè)中較難解決的問題，其原因是膜壓系數(shù)不穩(wěn)定，因其在端面中的相態(tài)和摩擦狀態(tài)不穩(wěn)定。因此弄清端面間的壓力分布，對于正確計算液膜反力很有必要。

（四）易汽化介質中密封端面間的液膜壓力分布2023/2/674大家都知道，對于輕烴類介質，端面縫隙中存在氣液兩相。rb為汽化半徑，此處液膜壓力=P飽和（tp），tp處溫度最高。r2～rb區(qū)域，液膜壓力成線性分布，液相rb～r1區(qū)域，液膜壓力成拋物線分布，氣相對于易汽化介質膜壓系數(shù)λ，中國石油大學顧永泉教授提出一個計算公式：λ=2/3×/P1＋（1/2－1/6×Pf/P1）（r2～rb）/(r2

－r1)式中：Pf：rb處氣化壓力P1：介質壓力rb：氣化半徑r2/r1：端面外半徑/內半徑計算值一般在0.70～0.85之間。

2023/2/675（1）端面幾何尺寸，由上面公式可以看出。（2）密封結構：前面講的都是對內流式而言的，對外流式，λ還要增大0.2左右，對于中等粘度介質λ=0.7（3）摩擦狀態(tài)：邊界摩擦（端面多個高點直接接觸承壓。液膜厚度只有幾個分子厚，且不連續(xù)，幾乎不承壓，只起潤滑作用，λ=0）、液體摩擦（全液膜，泄漏量大，機械密封一般不采用）、混和摩擦（介于以上兩種之間,這是機械密封端面摩擦的主要形式）（4）端面縫隙情況：漸開形，λ減??；漸收形，λ增大（5）其他因素：轉速高，對于內流式λ減小，對于外流式λ增大。此外端面比壓、密封面溫度、粗糙度等都有一定影響。

（五）膜壓系數(shù)的影響因素2023/2/676Pt=F彈/SF彈可計算得出，但一般有誤差±10%，這是由于制造廠、制造工藝、原材料的化學成分、熱處理工藝等存在差異的緣故。一般Pt=0.15~0.2Mpa(內裝)，0.3~0.6Mpa(外裝)，反應釜中，轉速低，軸擺動大，取大值。

（六）彈簧比壓的計算2023/2/677介質壓力對補償環(huán)的有效作用A面積與端面面積S之比。K=A/S（七）載荷系數(shù)K2023/2/678K=（d22－d02）/（d22－d12）d0為介質分界圓直徑當K≥1時，機械密封為非平衡型；當K＜1時，機械密封為平衡型；平衡系數(shù)β=100（1-K）%載荷比壓：P載=KP介2023/2/679 P=Pt+P載－P液膜

=Pt+（K-λ）P介

（內裝式） 對于雙端面機械密封介質側： P液膜=P外＋λ（P內－P外）P載=KP內＋（1－K）P外所以：P=Pt＋KP內＋（1－K）P外－［P外＋λ（P內－P外）］=Pt＋KP內＋P外－KP外－P外－λ（P內－P外） =Pt＋K（P內－P外）－λ（P內－P外） =Pt＋（K－λ）（P內－P外） =Pt＋（K－λ）ΔP（八）端面比壓

2023/2/680端面比壓的選取原則：（1）必須高于彈簧比壓；（2）必須大于介質在端面溫度升高時的飽和蒸汽壓；在保證以上條件下，盡量取小值，以防端面發(fā)熱，破壞液膜，加劇磨損，功率消耗增大，密封使用壽命減短。同時考慮以下原則：（1）對自潤滑性好的組對（M106K/SiC、YG6/SiC、M106K/YG6）可以取稍大值(因液膜不易被破壞，摩擦系數(shù)不易增加。)。（2）對于外裝式機械密封，可以取稍小值（因介質比壓很小，而Pt不可能很大。）。（3）對于高粘度介質，取稍大值（以保持端面貼合）。（4）易揮發(fā)介質（飽和蒸汽壓高）稍小值（以減少溫升）。

2023/2/681推薦的端面比壓值

因素程度內

裝

式機械密封外

裝

式機械密封飽和蒸汽壓接近水比水低0.5~1.00.3~0.5比水高0.3~0.5———粘度比水高0.5~1.00.3~0.5比水低0.3~0.50.15~0.25摩擦副材料其中一個為塑料0.2~0.30.15~0.25匹配的硬/硬0.7~1.20.4~0.6匹配的硬/軟0.5~1.00.3~0.52023/2/682端面比壓中有一項K，K=A/S A：介質有效作用面積，A=π（d22－de2）/4，de為有效直徑。

S：密封端面面積

S=π（d22－d12）/4（九）波紋管的有效作用直徑de2023/2/683（1）金屬波紋管內裝內流式：deo=（di＋do）/2－Z外裝外流式：dei=（di＋do）/2＋Z修正系數(shù)Z=0.671P介0.797（2）聚四氟乙烯波紋管矩形波：de=［（di2＋do2）/2］1/2鋸齒波：de=［（di2＋do2＋dido）/3］1/2橡膠波紋管de無法準確計算，一般由試驗獲得。

2023/2/684密封端面的摩擦熱同時取決于壓力和速度。密封端面的性質要考慮P、V的乘積，即PV值。PV值過大：液膜氣化，密封失效，端面嚴重磨損。因此對一定摩擦系數(shù)的端面材料組對，對某種介質有一許用PV值。P：端面比壓

V=π（d1＋d2）n/120×10－3PV＜［PV］（十）PV值2023/2/685各種組對在非平衡型機械密封中的許用［PV］值SiC/石墨SiC/SiCWC/石墨WC/WCWC/填充PTFEWC/青銅Al2O3/石墨Cr2O3噴涂/石墨Stellite/石墨18014.57~154.4523~7.5153~92023/2/686四、機械密封用材料（一）摩擦副材料要求摩擦副是機械密封的主要零件，其性能好壞在很大程度上決定密封性能，因此對材料有一定的要求：（1）耐蝕性：有良好的化學穩(wěn)定性，能抵抗介質的腐蝕、磨蝕、溶解和溶脹。（2）物理機械性能：較高的彈性模量（E=σ（應力）/ε（應變），剛度=力/變形）、強度及許用［PV］值，低的摩擦系數(shù)和線膨脹系數(shù)，優(yōu)良的耐磨性、自潤滑性以及良好的不滲透性等。（3）熱力性能：很好的導熱性、耐熱性、耐寒性和耐溫度的急變性。（4）材料來源方便，易加工，成本低廉。

2023/2/687硬質合金工程陶瓷（Al2O3陶瓷、Al2O3金屬陶瓷、Si3N4陶瓷、鉻鋼玉陶瓷、碳化硼陶瓷、噴涂陶瓷、SiC、可切削微晶玻璃）碳石墨填充聚四氟乙烯金屬材料：鑄鐵類及銅合金也有鉻鋼淬火材料下面分別予以討論。

（二）制造摩擦副的常用材料

2023/2/6881、特點（1）具有較高導熱性，(碳導熱系數(shù)為20~40W/m·k，石墨為

40~128W/m·k，)是非金屬中導熱最好的材料，僅次于銀、銅、鋁，比Hasterlloy好。（2）具有低的線膨脹系數(shù)（2~6×10－6/℃），是金屬的

1/2~1/4。（3）具有良好的耐腐蝕性，在空氣中400℃以下穩(wěn)定，除強氧化性介質（如王水、鉻酸、濃硫酸及鹵族元素）外，可耐其它酸、堿、鹽及一切有機化合物的腐蝕，其耐蝕程度隨石墨的種類和浸漬劑的不同而異。（三）碳石墨

2023/2/689（4）具有極好的自潤滑性和低的摩檫系數(shù)，那是因為石墨和其它材料組對時，石墨轉移到其它材料表面，形成石墨和石墨相對摩檫。石墨和金屬摩檫系數(shù)為

0.04~0.05，在全液潤滑條件下，f=0.008~0.01。因此它的組對性能好。（5）石墨的抗拉強度較低，抗壓強度較高，屬脆性材料。由于硬度較低，被廣泛用作軟環(huán)，易于加工。缺點是氣孔率大，一般在18%～22%。實際應用石墨都必須是浸漬過的，以堵塞氣孔，提高密封性。2023/2/6902、石墨的種類石墨是采用焦炭粉和石墨粉，用瀝青作粘結劑，模壓成型，置于高溫中焙燒而成。根據(jù)所用原料和燒結溫度與時間的不同，可以制成不同物理機械性能的石墨。一種為碳素石墨，用M1表示，一種是電化石墨，用M2表示（材料組分不一樣，M2還需2400~2800℃高溫石墨化處理）。還有一種是樹脂碳石墨：燒結石墨粉碎后，用樹脂作粘結劑，混和后壓制燒結而成（M3）。M1：質硬而脆，導熱系數(shù)低，加工困難。M2：質軟，強度低，自潤滑性好。M3：［PV］值不高，價格便宜，石化行業(yè)較少采用。

2023/2/6913、石墨浸漬劑種類一般浸漬后，成為不透氣制品，對導熱性無明顯影響，但強度、硬度有很大提高。常用浸漬劑有：環(huán)氧樹脂（H）、呋喃樹脂（K）、酚醛樹脂（F）、巴氏合金（B）、鋁合金（L）、銅合金（P）、銻合金（D）、銀合金（G）。F：耐酸性好

H：耐堿性好

K：酸堿都耐＜200℃

浸金屬：耐高溫

2023/2/6921、

金屬碳化物WC熔點非常高，要制成產品，用普通的冶煉方法行不通。通常把它制成粉末，混以熔點較低的金屬（Co、Ni等），壓制成型，高溫燒結，較低熔點金屬熔化，將WC粘結成一個整體，制成硬質合金。2、

硬質合金具有以下優(yōu)良性能：（1）硬度高HRA87～94（洛氏硬度），耐磨粒磨損，是懸浮顆粒介質的理想摩擦副。

附：布氏硬度HB、洛氏硬度HRA(軟)、HRB(中)、HRC(硬)、維氏硬度HV比較

HRCHRAHRBHBHV2060.299216230（20～65）

70～83.6（60～100）

99～137105～237檢測硬度由大到小

（四）硬質合金WC

2023/2/693（2）抗彎強度高1400～2000N/mm2。（3）導熱系數(shù)高，線膨脹系數(shù)小(5×10－6/℃左右)，耐高溫＞600℃。（4）摩擦系數(shù)低，組對性能好。（5）較好的耐腐蝕性，牌號不同，耐腐蝕性不同。

3、種類

（1）Co基硬質合金：YG6、YG8、YG15，后面數(shù)字為Co的百分含量，Co多，硬度略下降。Co易氧化，不宜用于酸等腐蝕性介質，但在一般溫度H2SO4.、沸點以下NaOH中可用。

2023/2/694（2）耐蝕硬質合金：WC—Ni：WYN8(8%CrNi)，強度為WC-Co的70-80%，硬度小0.5~1HRA。WC-Ni-Cr：W7(9%CrNi)，強度、硬度與WC-Co相當。（3）鋼結硬質合金TiC—合金鋼：GT35、R5、R8，耐HNO3、H2SO4、氨水，不耐強堿、HCl、FeCl3液。燒結成形后可進行機械加工，然后再進行熱處理，可制作復雜零件，硬度稍差(HRC＜60~65)，比重小，自潤滑性好。

2023/2/695SiC是一種新型陶瓷，由于高密度成形技術的發(fā)展，80年代開始，國外紛紛用它作高PV值的組對材料，是到目前為止發(fā)現(xiàn)的最好的摩擦副材料，具備各種優(yōu)良性能。重量輕，為WC的1／5，比強度高，摩擦系數(shù)小，硬度略高于硬質合金，HRA90~94，抗輻射性好，具有一定的自潤滑性，組對性好，化學穩(wěn)定性、耐熱性、熱傳導性都很優(yōu)異。在500℃以下，幾乎耐所有的酸和堿，除振動沖擊大，或有顆粒介質場合外，幾乎所有的硬質合金都可用它取代，價格略比WC便宜。缺點：脆性材料，抗機械沖擊性稍差。

（五）SiC陶瓷2023/2/696由于制造工藝不同，性能略有差異，目前主要有4種類型：1、

反應燒結SiC（SiC＋Si組成的致密燒結物）［（α-SiC粉＋石墨粉＋助熔劑）混和＋有機粘結劑］壓制成型，放入Si粉坩鍋內，在真空爐加熱1600~1800℃，生成β-SiC。這種SiC由α-SiC、β-SiC、游離硅組成，由于游離Si和孔隙的存在，它不耐強堿和氧化性介質。優(yōu)點：收縮率小，耐熱沖擊性好，成本低，適于批量生產。2、常壓燒結SiC采用超細SiC粉（粒度在0.1~0.2μm），加適當?shù)奶砑觿?、粘結劑壓制成型，然后在2000~2200℃的溫度下燒結而成。適用于數(shù)量少，規(guī)格品種多的密封環(huán)。致密度高達97%以上。

2023/2/6973、熱壓燒結SiC粒度≤1μm的SiC粉，加上適當?shù)奶砑觿?，裝入石墨模具內，在2000~2100℃的熱壓爐內加壓（30~50MPa）制成。這是SiC中化學穩(wěn)定性最好的一種。（因為在氧化氣氛下，表面生成了一種SiO2保護膜，耐腐蝕性最好。）質密度高達97%以上。4、氣相滲透SiC（又叫硅化石墨）以石墨為基體，按最終產品形狀加工好后，導入Si源，采用化學氣相沉積法在1800~2200℃的高溫下反應生成。，滲透層厚度可達1.5mm，成SiC表層，表層還有10%的石墨，具有氣體不滲透性，C、Si之間無明顯的邊界層。這種SiC既具有碳石墨優(yōu)點，又具有SiC特性，是一種很有前途的碳基復合材料。氣相滲透SiC與常壓燒結SiC組對，可用于高速場合，即使處于半干摩擦工況條件下也不易產生卡滯與擦傷。

2023/2/6981、Al2O3分為99瓷（99%Al2O3、1%MgO，HRA85~90）和95瓷（94.5%Al2O3、2%SiO2、3%CaCO3、2%Cr2O3，HRA78~82）。具有很好的耐蝕性，可以經受各種酸類、堿類、鹽類和各種有機溶劑及強氧化劑腐蝕。硬度高，僅次于金剛石和碳化硼，耐磨性好，機械強度和普通鑄鐵差不多，材料來源廣泛，制造工藝簡單。缺點：質脆，導熱性不好，耐熱沖擊性差。（Al2O3/Al2O3組對不行，有產生靜電的危險。）這種材料多用于外裝式耐腐蝕性機械密封中。2、Al2O3金屬陶瓷在Al2O3中添加少量金屬元素Fe、Cr、Ni等，以提高導熱率，降低脆性，但硬度和耐蝕性有所下降。主要用于批量較大的汽車冷卻水泵及潛水泵機械密封上。

（六）Al2O3陶瓷及其他陶瓷介紹2023/2/6993、Si3N4耐蝕性很好，Si3N4/石墨組對性很好，而與填充玻纖PTFE組對時Si3N4的磨損大。（1）反映燒結Si3N4素坯可以機械加工，能制成形狀復雜制品，經二次氮化后尺寸變化率小（±0.1%），抗沖擊性好，耐腐蝕。強度、硬度是Si3N4中最低的，（因內部有10~15%封閉氣孔）。較厚的制品不易燒結，有時會有“流硅”現(xiàn)象，僅適合PV值不高的場合。（2）熱壓Si3N4是Si3N4中性能最佳的材料，硬度高（HRA91~92），致密性好，接近理論密度3.2g/cm3，耐磨性、耐蝕性優(yōu)良。但成本高，難以制作形狀復雜零件。

2023/2/6100（3）常壓燒結Si3N4性能接近熱壓Si3N4，成本高，燒結時收縮率大15~20%，易引起燒結變形。（4）重燒結Si3N4性能接近熱壓Si3N4，制造工藝復雜，成本較反應燒結Si3N4高。

4、鉻剛玉陶瓷在Al2O395瓷坯料中引入0.5~2%的Cr2O3，經1700~1750℃高溫焙燒而成。（密度3.46~3.47，硬度HRA84~87）耐溫度急變性能好。（用φ48/φ355×6的環(huán)，在20~400℃范圍內進行25次冷循環(huán)處理后，用10倍顯微鏡觀察未發(fā)現(xiàn)裂紋），硬度高，摩擦系數(shù)小，化學穩(wěn)定性好，與填充玻纖PTFE組對，用于耐腐蝕機械密封，效果極好。

2023/2/61015、碳化硼B(yǎng)4C陶瓷化學穩(wěn)定性好，硬度HRA94~96，僅次于金剛石，耐磨性能極為優(yōu)良。主要用于處理高濃度、磨蝕性介質作摩擦副組對材料，特別適用于泥沙介質。缺點：加工困難（需熱壓成型工藝），成本高，熱抗震性也不太好。6、噴涂陶瓷用等離子技術在密封環(huán)端面或軸套表面噴上一層耐磨耐蝕涂層，一般為Cr2O3涂層，厚0.3~0.5mm。硬度高、耐磨、耐蝕，但涂層內部有4~10%的氣孔，還需進行樹脂封孔處理（國外用先進的重熔技術進行封孔）。2023/2/6102其組對多為硬度低于70HS的石墨，其使用的PV值較低，使用溫度≤200℃，廣泛用于醋酸等介質。從日本進口的機械密封約有1/3采用這種組對。Al2O3也可作噴涂材料性能與Cr2O3相差不大。

2023/2/6103在密封環(huán)表面堆焊一層硬質合金，以提高耐磨性、耐蝕性，且價格較低。國外命名為Stellite（司太立特），常用堆焊材料如下：（1）鉻基1號電焊條TDCrC-1HRC48-54良好的耐汽蝕、耐腐蝕性。氣焊絲SDCr-1HRC48-54良好的耐汽蝕、耐腐蝕性。（2）鈷基1號電焊條TDCoCr-1HRC40-45耐酸性好氣焊絲SDCoCr-1HRC40-45耐酸性好（3）鈷基2號電焊條TDCoCr-2HRC44~48耐高溫，在高溫下保持高硬度氣焊絲SDCoCr-2HRC46-50耐高溫，在高溫下保持高硬度

（七）表面堆焊硬質合金

2023/2/6104以上堆焊雖具有一定的耐蝕性，但不耐強酸、熱堿的腐蝕。硬度不算高且不均勻，抗熱裂能力較差，且堆焊工藝要求較高，不宜用于帶顆粒介質的密封和高速機械密封，在泵用機械密封中已很少采用，但在PV值不高的釜用機械密封中仍然占有重要地位。

2023/2/61051、

鑄鐵類（1）普通灰口鑄鐵（HT200、HT250）：耐磨性、導熱性優(yōu)于堆焊硬質合金；耐蝕性差，只能用于中性介質和PV值不高的場合。（2）球墨鑄鐵（QT600-3、QT700-2：）耐磨性、導熱性優(yōu)于堆焊硬質合金；耐蝕性差，只能用于中性介質和PV值不高的場合。（3）高硅耐蝕鑄鐵：表面有SiO2保護膜，是優(yōu)良耐酸材料。耐各種濃度H2SO4、HNO3、有機酸、酸性鹽，不耐強堿、鹽酸、氫氟酸、FeCl3熱溶液。（4）高鎳鑄鐵Ni-Resist：（同上）

（八）作摩擦副的金屬材料

2023/2/61061、

合金鋼（用于弱腐蝕介質）（1）3Cr13、4Cr13、9Cr18（2）高速工具鋼、軸承鋼2、

銅合金青銅SQSn6-6-3、SQSn10-1：具有良好的導熱性、耐磨性、加工性、對硬質材料的相溶性，但質軟，耐腐蝕性差。適用于油、鹽類、醇、脂肪酸、海水中介質。不適用于乙烯、芳烴等介質。

2023/2/61071、

聚四氟乙烯特點（用作輔助密封圈）（1）耐腐蝕性好，幾乎能耐所有的強酸、強堿、強氧化劑的腐蝕。目前發(fā)現(xiàn)的只有熔融堿金屬（或它的氨溶液）、元素氟及ClF3在高溫下與它要起反應。（2）使用溫度范圍廣（－180~260℃），耐水性、耐老化性、不燃性、韌性及加工性都很好。（3）它是一種極好的減磨、自潤滑材料（其分子結構決定了表面分子易滾動和滑動，與其他材料對磨時，分子首先向對磨材料轉移，形成0.02~0.03μm的薄膜），摩擦系數(shù)低0.04~0.12。（4）具有奇特的冷流行：即在負荷作用下，發(fā)生蠕變。（5）線膨脹系數(shù)大50~150×10－6/℃（－200~15℃）

（九）填充聚四氟乙烯2023/2/6108150~530×10－6/℃（15~30℃）

120~590×10－6/℃（30~300℃）

（6）導熱系數(shù)小（0.244w/m.k），與金屬相差300多倍。

填充聚四氟乙烯的組對

特點

填20%玻纖PTFE/鉻剛玉陶瓷

在稀硫酸中運用最佳

填20%玻纖PTFE/Si3N4

Si3N4磨損大

填20%碳纖維PTFE/多種陶瓷

搪瓷釜212機封首選材料

填15%玻纖、5%碳PTFE/Al2O3

強腐蝕介質

填15%聚苯、3%碳PTFE/Al2O3

氯氣泵

填15%Ti白粉、5%玻纖PTFE/SiC硫酸、硝酸介質

填玻纖可運用于醫(yī)藥、食品機械

2023/2/61092、填充聚四氟乙烯（用作摩擦副）為了克服聚四氟乙烯的不足，往往在其間加入各種添加劑，以改善其性能。常常加入10~20%的石墨、玻纖、青銅粉、SiO2、MoS2等，可改善導熱性，減小線脹系數(shù)，其它性能也得到改善，但耐蝕性略有下降。

2023/2/61101、良好的彈性，硬度合適且壓縮永久變形小。2、耐高低溫的老化性能好。3、耐介質腐蝕、溶解、熔脹、溶縮、硬化。4、較小的摩擦系數(shù)，耐磨耗，有一定的抗撕裂強度。5、來源方便，成本低廉。

（十）輔助密封圈材料要求

2023/2/61111、丁腈橡膠（NBR）（－40~120℃）它是丁二烯和丙烯腈的共聚物。常用的丙烯腈含量為40%（丁腈—40），耐油，抗老化性良好，并且又耐熱、耐磨、耐一定腐蝕。廣泛用于接觸汽油及其他油類設備，也耐堿、非氧化性稀酸，不耐氧化性酸（如硝酸、鉻酸）、芳烴、酯、酮、醚、鹵代烴等。煉油廠凝縮油中由于含有芳烴等介質，故不適用。低溫下也不宜采用。2、氟橡膠（FPM）（－20~250℃）它是含氟的高聚合物，目前由三個品種：FPM2301（23—11）：具有優(yōu)異的耐強酸性能。FPM2602（26—41）：耐熱性能、耐溶劑性能優(yōu)于FPM2301，但工藝性能較差。（十一）合成橡膠

2023/2/6112FPM2461（246）：耐熱、耐溶劑性能比FPM2602還要好。目前一般都用FPM2602，可以在250℃以下長期使用，300℃以下短期使用。耐蝕性是橡膠中最好的，但低溫性能差，價格貴。不宜在酮類、酯類溶液中使用，壓縮永久變形大。3、硅橡膠（MVQ）由二甲基硅氧烷與其他有機硅單體聚合而成。具有很寬使用范圍（－100~350℃），在200~300℃下可長期使用，無毒無味，主要用于高、低溫下的動植物油、礦物油、氧、弱酸、弱堿等。缺點：強度低，不耐磨，價格高。2023/2/61134、乙丙橡膠（－40~150℃）乙烯與丙烯聚合而成。特別能耐磷酸酯系液壓油、酮、醇溶液和酸、堿，同時耐高壓水蒸汽，耐侯性、耐臭氧性好。但在礦物油和二酯系潤滑油中膨脹大，不宜使用。5、氯醇橡膠（－30~130℃）耐熱油、耐空氣老化、低溫彈性好、耐磨性稍差，主要用于冷凍機介質為氟里昂的機械密封。

2023/2/6114屬于純石墨，無任何粘結材料。1、耐溫性好，在非氧化性介質－200~1600℃、氧化性介質400℃以下可以使用。2、耐腐蝕性優(yōu)良，對一般化學溶劑、石油產品、酯類、蒸汽和還原性介質均保持良好的化學穩(wěn)定性。3、良好的柔性、回彈性、氣密性、耐輻照性、自潤滑性。4、強度差。在高溫機械密封（金屬波紋管機械密封）中，它是最好的材料。

（十二）柔性石墨（也稱膨脹石墨）

2023/2/61151、彈簧材料要有足夠的強度，耐介質腐蝕，在工作溫度下長期使用剛度不衰減或衰減很少。常用材料有1Cr18Ni9Ti、Cr18Ni12Mo2Ti（耐腐蝕、耐高低溫）、0Cr17Ni8Al、0Cr15Ni7Mo2Al（耐腐蝕、耐低溫、耐高溫不失彈性、又可熱處理）、Ni66Cu3Fe（Monel）（強腐蝕介質：如氫氟酸）、Ni76Cr16Fe8（Inconel）（耐高溫和強腐蝕）、Hasterlloy（耐強腐蝕）等一般根據(jù)《腐蝕手冊》選取。（十三）彈性元件材料2023/2/6116（1）AM350沉淀硬化不銹鋼（我國可用0Cr17Ni7Al、0Cr15Ni7Mo2Al、0Cr17Ni4Cu4Nb（鈮）代替），使用溫度≤315℃，低溫易碎裂，廣泛用于煉油廠。（2）Inconel718鎳基高溫合金：更耐蝕，在石油化工部門廣泛應用。（3）Hasterlloyc—2762023/2/61171、鑲嵌環(huán)座3Cr13（線脹系數(shù)11.5×10－6/℃）、1Cr18Ni9Ti（線脹系數(shù)17.2×10－6/℃）、Cr18Ni12Mo2Ti（線脹系數(shù)16.7×10－6/℃），使用溫度≤200℃。Capenter42（相當于我國的4J42，含Ni42%的Fe-Ni合金，線脹系數(shù)5×10－6/℃）使用溫度超過400℃。鈦材（線脹系數(shù)8~9×10－6/℃）耐蝕性好。2、其它材料常用鉻鋼、1Cr18Ni9Ti、Cr18Ni12Mo2Ti等，根據(jù)介質腐蝕情況選取。1Cr13和3Cr13都屬于馬氏體不銹鋼，由于含鉻13%，能在陽極區(qū)域基體表面形成一層副鉻的氧化物保護膜，

（十四）機械密封中基體材料2023/2/6118這層膜會阻礙陽極區(qū)域的反應并增加電極電位致使基體電化學腐蝕過程減緩，從而獲得一定的耐蝕性。由于鈍化在氧化環(huán)境下才能產生，所以它們主要在氧化性介質中才是不銹的。1Cr13實際應用都是在調質狀態(tài)組織為回火索氏體情況下使用的，3Cr13可以通過高溫淬火后低溫回火得到回火馬氏體，其硬度達HRC58~64,可作摩擦副。1Cr18Ni9Ti屬于奧氏體型不銹鋼，其強度、硬度（HB135）均很低，無磁性，其塑性、韌性及耐蝕性均較Cr13型不銹鋼好。其中含約18%的鉻的主要作用是產生鈍化，提高陽極電極電位；含約9%的鎳的主要作用是降低馬氏體形成溫度，使鋼在室溫時獲得單相奧氏體組織。鋼中加鈦的目的是為了抑制在晶界上析出（Cr，F(xiàn)e）23C6碳化物，消除晶間腐蝕傾向。Cr18Ni12Mo2Ti由于加入了2%的鉬，其耐蝕性比1Cr18Ni9Ti更好，特別是在非氧化性酸和熱的有機酸、氯化物中的耐蝕性要比鉻鎳不銹鋼好得多，抗孔蝕的能力也較好。

2023/2/6119五、機械密封輔助系統(tǒng)（一）為什么機械密封要采用輔助系統(tǒng)1、機封工作條件的苛刻性在流體機械中（如泵、壓縮機、攪拌釜、離心機等），工作條件最苛刻的部件要算機械密封。（1）象推力軸承那樣承受軸向力（2）象散熱器那樣把產生的熱量導出（3）在高溫高壓易腐蝕情況下，靜密封已經很困難，還要在高速旋轉中，在幾毫米寬的密封面上實現(xiàn)動密封就更加困難。

2023/2/61202、輔助系統(tǒng)可以改善密封工作環(huán)境（1）無輔助系統(tǒng)，就只能改進密封結構，提高材質。（代價高，不能從根本上解決問題。）（2）實際工作中，不用任何輔助設施的機械密封幾乎沒有。如高壓使用的串聯(lián)機械密封、高溫泵機械密封都必須采用相應輔助設施。（3）（通過輔助系統(tǒng)）苛刻工況變?yōu)槊芊饪山邮芄r（機械密封效果大大提高，使用范圍更加廣泛，對密封本身材料要求降低，機械密封成本下降。）。2023/2/61213、機械密封端面摩擦熱（會導致端面溫度升高）得以控制端面摩擦熱過高有下列危害：（1）液膜汽化磨損加劇密封失效；（2）端面熱變形加大泄漏和磨損；（3）加劇腐蝕；（4）輔助密封圈老化變質從而失效；（5）石墨浸漬物碳化或熔化而產生泄漏。所以端面溫升是機械密封的大敵。2023/2/61224、采用輔助系統(tǒng)的目的（1）減小溫升，保持端面良好潤滑（使機械密封各零件良好、正常地工作）。（2）（在易汽化介質中）保持密封腔壓力高于飽和蒸氣壓，使之不汽化。（3）在低溫泵中保溫和供熱。（4）對于有固體顆粒出現(xiàn)的結晶和強腐蝕介質的密封，能保持密封不受損壞。2023/2/61235、較好工況下，采用輔助系統(tǒng)，會提高密封穩(wěn)定性和使用壽命。（有的密封工作溫度、壓力、轉速不太高。不用輔助系統(tǒng)也可以工作。）6、輔助系統(tǒng)屬于機械密封的組成部分（根據(jù)不同工況采用不同的輔助系統(tǒng)。國際上通用的美國石油學會標準（離心泵API610）對此都作了具體規(guī)定）2023/2/61241、定義為改善密封工作環(huán)境，采用許多元件和設施組成一個系統(tǒng)，通過沖洗、冷卻、過濾、分離和保溫的方式，實現(xiàn)對密封的潤滑、冷卻或調溫、沖洗、凈化，稀釋和沖掉泄漏介質，改善密封的工作環(huán)境。這種用來改善機械密封工作條件的輔助設施被稱為機械密封的輔助系統(tǒng)。它由許多元件組成，包括過濾器、旋液分離器、限流孔板、冷卻器、壓力罐、增壓罐、各種監(jiān)測儀表、管路、管件等組成。實際工作中可用一種或幾種，根據(jù)工作條件而定。（二）什么是輔助系統(tǒng)2023/2/61252、元件（1）儲罐（圖5-1）

壓力容器用于隔離流體循環(huán)系統(tǒng)。（可采用氣體加壓，也可加蛇管換熱裝置。）上面有液位計。（可裝上手動補液裝置）

?。┢胶夤蓿号c釜內氣相空間相連與釜內壓力平衡的儲罐。ⅱ）加壓罐：與高壓氣體鋼瓶（或高壓氣體源）通過減壓閥相連加壓的儲罐。（2）增壓罐（圖5-2）：借助自身帶有的壓力活塞保持與密封介質的壓差，并儲存隔離流體，帶有裝蛇管的冷卻夾套。（3）換熱器（圖5-3）2023/2/6126（4）磁性過濾器（圖5-4）：適用于固體密度接近或小于流體密度，分離精度10~100μm，并能除去磁性微粒。易堵塞，兩套并聯(lián)使用以便清洗。（5）旋液分離器（圖5-5）：適用于壓差0.15~0.8MPa，固體成分＜10wt%。（6）孔板（圖5-6）：控制流量。（7）節(jié)流套（圖5-7、圖5-8：分固定式和浮動式）（8）循環(huán)輪（圖5-9）：旋轉時產生泵效作用，使流體流動循環(huán)。（9）循環(huán)套（圖5-10）：旋轉時產生泵效作用，使流體流動循環(huán)。

2023/2/6127圖5-1儲罐

2023/2/6128圖5-2增壓罐

2023/2/6129圖5-3換熱器圖5-4磁性過濾器

2023/2/6130圖5-5旋液分離器

圖5-6孔板

2023/2/61313、主要功能

圖5-7固定式節(jié)流套

圖5-8浮動式節(jié)流套

圖5-9循環(huán)輪圖5-10循環(huán)套2023/2/6132（1）主要作用是沖洗將沖洗流體注入到密封腔中，完成潤滑、冷卻、凈化等功能，將不利的環(huán)境改變?yōu)槊芊饽芙邮艿沫h(huán)境。沖洗的種類很多，按沖洗方式和沖洗流體的不同可分為三種：ⅰ）自沖洗（或介質沖洗）依靠泵本身產生的壓差（或密封腔內的泵送裝置產生的壓差）使密封介質通過密封腔形成閉合回路，介質在當中循環(huán)實現(xiàn)沖洗。ⅱ）循環(huán)沖洗通過產生壓差的設施（泵送環(huán)、外加油站、熱虹吸）使外加封液進行循環(huán)，達到沖洗的目的。

2023/2/6133ⅲ）注入式沖洗（簡稱沖洗）被密封介質不宜作沖洗流體時，從外部注入另一種液體到密封腔內，改善密封工作條件。（2）溫度調節(jié)（冷卻、保溫）用溫度適當?shù)牧黧w，對密封腔、靜環(huán)及其他零部件進行冷卻或保溫（或加熱），以提高密封穩(wěn)定性，延長使用壽命。（這些設施不與被密封流體接觸（或混和），沖洗也具有冷卻作用。）（3）過濾和分離在沖洗管路中，用過濾器和旋液分離器將沖洗液中雜