淺談機械密封原理及使用

宋道明

摘要：密封在過程裝備中起到非常重要的作用，密封件的選型和應用在化工作業(yè)中一直是非常關鍵的一環(huán)。本文說明了常用的機械密封結構及工作原理，介紹了機械密封的選用方法，提出其端面平整度的檢測方法，并重點說明了機械密封的安裝注意事項，對機械密封的選型和使用具有指導意義。

關鍵詞：機械密封 結構 工作原理 端面平整度 安裝

一、機械密封結構及原理

機械密封也稱為端面密封，根據(jù)國家有關標準定義為：一種防止流體泄漏的裝置，由至少一對垂直于旋轉軸的端面組成，在流體壓力和彈性力（或磁力）的作用下保持貼合和相對滑動。機械密封是一種旋轉機械，如離心泵、反應釜及壓縮機等的軸封裝置[1]。

機械密封的結構多種多樣，最常見的結構見圖1所示，機械密封安裝在旋轉軸上，密封腔內(nèi)裝有補償環(huán)。

機械密封主要是用不易泄漏的環(huán)形密封替換較容易泄漏的軸向密封。當軸旋轉時，彈簧座，彈簧壓板，移動環(huán)等一起旋轉，并且移動環(huán)由于彈簧力而緊緊地壓在靜環(huán)上。當軸旋轉時，移動環(huán)與軸一起旋轉，固定環(huán)固定在框架上靜止，使得移動環(huán)的環(huán)形密封面和固定環(huán)相接觸，從而阻止介質泄漏。

A通道是動態(tài)密封，移動環(huán)和固定環(huán)的端面相互貼合并保持相對滑動。它是機械密封中的主要密封，也對機械密封性能和壽命起到?jīng)Q定性的作用。因此，密封端面的加工要求非常高，為了在密封端面之間保持必要的潤滑液膜，必須嚴格控制端面上的每單位面積壓力，壓力過大，難以形成穩(wěn)定的潤滑液膜，這將加速端面磨損， 壓力太小，泄漏量增加。因此，為了獲得良好的密封性能和較長的壽命，在設計和安裝機械密封時，必須確保端面的每單位面積的壓力在最合適的范圍內(nèi)。

B通道是動環(huán)與軸（或軸套）之間的密封，當端面摩擦磨損后，它僅僅能追隨補償環(huán)沿軸向作微量的移動，實際上仍然是一個相對靜密封。因此，這些泄漏通道相對來說比較容易封堵。靜密封元件最常用的有橡膠O形圈或聚四氟乙烯V形圈，而作為補償環(huán)的動環(huán)或靜環(huán)輔助密封，有時采用兼?zhèn)鋸椥栽δ艿南鹉z、聚四氟乙烯或金屬波紋管的結構[2]。

B通道是移動環(huán)與軸（或襯套）之間的密封。 當端面磨損時，它只能跟隨補償環(huán)做微小的軸向運動，并且實際上仍然是相對靜態(tài)的密封。因此，這些通道相對來說比較難以泄露。 最常用的靜態(tài)密封元件是橡膠O形圈或特氟龍V形環(huán)，有時使用具有彈性元件功能的特氟隆、橡膠或金屬波紋管的結構作為補償環(huán)的動態(tài)環(huán)或靜環(huán)輔助密封 [2]。

C泄漏通道屬靜密封，是靜環(huán)與靜環(huán)座之間的密封。D泄漏通道屬靜密封，是靜環(huán)座與殼體之間的密封。

二、機械密封選用及端面平面度檢測

密封端面的寬度主要決定了窄環(huán)（軟環(huán)）的寬度，寬環(huán)的內(nèi)徑≤窄環(huán)內(nèi)徑 —0.5，寬環(huán)的外徑—窄環(huán)的外徑≥0.5。機械密封的泄漏量與摩擦副的端面的寬度幾乎沒有關系，因此不能通過增加摩擦副的端面寬度來減少泄漏量。

從力的角度來看，由于整體強度和剛度較差，窄端面容易損壞或變形。

性能良好（如YG6 / M106K，SiC / M106K），工作環(huán)境較好的場合一般選用寬系列，性能較差（如YG6 / YG6，YG6 /青銅），高飽和蒸汽壓，易揮發(fā)，顆粒狀介質，高速機械密封一般采取窄系列（對于輕烴介質，在強度足夠的場合下采取窄系列 ）[3]。

機械密封端面的平面度對密封的使用有決定性的影響。 密封的常用平面度為0.0009。，普通儀表無法檢測到。 光波的干涉效應通常用于檢測摩擦副端面的平面度[4]。 滿足相應條件的兩束光的疊加效應是：在波程差為波長的整數(shù)倍的情況下，光強度增強; 在波程差是半波長的奇數(shù)倍的情況下，光強度減小到零。

三、機械密封的安裝

機械密封安裝時徑向跳動應≤0.04毫米，軸向竄動量不允許大于0.1毫米。

如何保證跳動值和竄動量在控制范圍內(nèi)是密封安裝的重點，通常采用熱裝法[5]。熱封密封環(huán)的過盈值的選擇是安裝中應注意的問題。

其中，Δδ是工作溫度過盈量，δ是常溫過盈量，Dp是鑲嵌直徑，α1是座線脹系數(shù)，α2是環(huán)的線脹系數(shù)，ΔT是工作溫度和常溫的溫度差（YG6：4.5×10-6 1/℃，1Cr18Ni9Ti：16.6×10-6 1/℃，3Cr13：11.5×10-6 1/℃）。

因此，由上式可知：

（1）過盈值在滿足傳遞扭矩的情況下取最小值;

（2）對YG6/1Cr18Ni9Ti，當工作溫度為300°C時，其過盈量為：

（3）如鑲嵌環(huán)長期放置，在使用前要檢查其平面度;

（4）對于大直徑，高速（環(huán)座產(chǎn)生的離心力）和彈性模量小的材料（4J42，鈦合金），過盈量的值可以取大一些。

（5）當溫度高于200℃時， 少用熱裝式結構，否則要對過盈量進行核算。

四、結論

本文概述了常用的機械密封的結構工作原理及選用方法，說明了端面平整度的檢測方法，并對機械密封的安裝方法進行了介紹，為機械密封的選型和使用提供技術指導。

參考文獻：

[1] 孫開元， 郝振潔. 機械密封結構圖例及應用[J]. 化學工業(yè)出版社，2017.

[2] 郝木明. 機械密封技術及應用[S]. 中國石化出版社，2010.

[3] 蔣小文， 顧伯勤. 螺旋槽干氣密封端面氣膜特性[J]. 化工學報，2005.

[4] 聞邦椿. 機械設計手冊[J]. 機械工業(yè)出版社，2015.

[5] 孫玉霞，李雙喜，李繼. 機械密封技術[J].化學工業(yè)出版社，2014.