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离心泵机械密封技术知识


机械密封技术知识

目录
机械密封的发展史 机械密封的基本原理 机械密封的分类 机械密封的工作原理 几种常用密封概况 机械密封端面组合形式 机械密封辅助系统 机封的有关参数 金属波纹管机械密封 泵用干气密封简介 机械密封的安装与使用 机封的常见故障分析 炼油和化学工业对机械密封要求的 最新趋势

机械密封的发展史
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br />机械密封是流体机械和动力机械中不可 缺少的零部件。它对整台机器设备、整套装 臵、甚至对整个工厂的安全生产影响都很大, 特别是在石油化工企业中,对保证设备运转 可靠、装臵连续生产具有重大的意义。 近几十年来,机械密封技术有了很大的 发展。由于机械端面密封有着工作可靠、泄 漏量少、使用寿命长、适用范围广优点,故 在工业中获得了广泛的应用,尤其在石油化 工机泵中应用最广。

机械密封的发展史
随着密封技术的不断发展,对密封的要 求也越来越高,因此在密封的结构上发生了 一系列变化,从当初的大弹簧、小(多)弹 簧机封,到目前的焊接金属波纹管机封;从 非集装式到集装式;从单端面到双(多)端 密封;从接触式密封到非接触式密封;并开 始使用密封面开深槽的热流体动力楔密封和 热流体动压垫密封等。

机械密封的发展史
新技术、新概念、新产品、新材料、新工艺和 新标准不断涌现;高参数(如高压、高速、高温、 大直径)、高性能(如干运转、零泄漏、无油润滑 、浆液)和高水平(如高 PV 值、大型剖分式、监 控)的密封产品大量研制;随着安全和环境保护要 求的日益提高,过去只注意眼睛可视的“泄漏”, 不注意眼睛看不见的易挥发物的“逸出”;为了延 长工艺装臵的检修周期和操作周期,要求机械密封 的工作寿命由1年延长到2年甚至更长。

机械密封的发展史
密封的失效分析,是机封技术发展的又 一个重要环节,它可以帮助我们改进机封结 构和改变密封参数等,促使机封技术的进一 步完善。

机械密封的发展史

总之,机封的发展,一是为了适应和解 决实际问题的需要,对机封的要求不断提高; 二是新技术的不断创新和应用促使了机封技 术的不断进步。

机械密封的目前水平
? 单级压力:10-3Pa~35Mpa; ? 使用温度:最高达1000℃;最低 可达低温深冷; ? 机器转速:50000rpm; ? PV值:达1000Mpa· m/s。

机械密封的基本原理
机械密封概述:
定义:机械密封(端面密封)--由至少一对垂直于轴线的端面在流体压力和补赏机构
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 防止流体泄漏的装置.

机封的组成:

摩擦副 弹性元件 传动 机构

?动环和静环组成的密封端面——摩擦副 ?弹性元件——绶冲补偿机构(有弹簧、波纹管等) ?辅助密封圈——动、静环密封圈等 ?传动机构——弹簧盒、紧固螺钉、传动座等
基本密封点:

?端面主密封点 ?静环与压盖辅助密封点 ?动环与轴(轴套)辅助密封点 ?压盖与泵体连接密封点

动、静环密封圈

此外为了保证和提高机械密封的密封效果延长使用寿命,采取不同端面 的组合,增加如冲洗,节流冷却,阻封和杂质过滤等辅助系统.

动环组件

静环组件

辅助密封

密封面、传动座 和弹簧

密封面要求很平(3个光圈以下) 密封面之间要形成液膜(3~5微米)

液膜作用:
1.将密封面分开 2.润滑滑动面 3.减少摩擦和热量 4.阻止介质向大气泄漏

0.294 ?m

密封的泄漏

机械密封的分类
一、按补偿机构弹性元件的运动状况分: 旋转式和静止式 二、按静环的安装位臵分: 内装式和外装式 三、按补偿机构弹簧的数量分: 多(小)弹簧和单(大)弹簧 四、根据密封面上介质载荷的作用情况: 平衡型和非平衡型 五、按流体的泄漏方向: 内流型和外流型

机封密封的分类
六、按密封端面的接触形式: 接触常规密封,非接触密封,全接触干运转密封 七、按补偿结构型式: 弹簧型和波纹管型 八、按密封端面的数量: 单端面、双端面和多端面

机封密封的分类
机械密封分类:API 682 (2)分类 按机械密封结构分类:
A类密封;内侧密封为平衡型推进式多弹簧旋转补偿,二次“O”型,盒式密封 B类密封;内侧密封为平衡型非推进式波纹管旋转补偿,二次“O”型,盒式密 封 C类密封;内侧密封为平衡型非推进式波纹管旋转补偿,二次柔性石墨型,盒 式密封 机械密封第三位代码原API 610引用“P”“T”“A”表示压盖结构形式, 现规定分别用“A”,“B”,“C”代表上述三类密封

机械密封的工作原理

1.轴通过传动座和推环,带动动环旋转,静 环固定不动,在弹簧力和被密封介质压力的 作用下,使动环和静环的密封端面紧密贴合, 防止被密封介质从动环与静环的密封端面之 间泄漏;当摩擦副表面磨损后,在弹簧力的 推动下实现自动补偿。

2.密封圈在推环和介质压力的作用下,起到 动环与轴套之间的密封作用,防止被密封介 质从动环与轴套之间的泄漏;静环密封圈安 装在密封压盖中,防止被密封介质从静环与 压盖之间的泄漏;压盖与泵体之间采用垫片 (金属缠绕垫、高强垫等)或O形圈密封; 轴套与轴之间也采用垫片或O形圈密封,这 样就达到了密封作用。

几种常用密封概况
1. GX型:内装、单端面,单弹簧、接触式非 平衡型机械密封; 密封介质:清水、油类及其它弱腐蚀性液体 密封压力:0~0.8Mpa 密封腔温度:-20~80℃ 转速:n≤3000rpm 密封型号有:GX-35、GX-40……GX-90

几种常用密封概况
2. GY型:内装、单端面,单弹簧、接触式平 衡型机械密封; 密封介质:清水、油类及其它弱腐蚀性液体 密封压力:0.6~3.0Mpa 密封腔温度:-20~80℃ 转速:n≤3000rpm 密封型号有:GY-35、GY-40……GY-90

几种常用密封概况
3. U(UK)型: 内装、单端面,单弹簧、 接触式平衡型机械密封; 密封介质:油、水及其它石油化工介质。 密封压力:Pmax≤6.9Mpa。 密封温度:水—0~66℃ 其它介质—40~160℃。 转速:n≤3000rpm。 密 封 型 号 有 : U-1750、U2125、U-2500、 UK-2875、UK-3250、UK-3375、UK-3625。

几种常用密封概况

4.金属波纹管机封:平衡型机械密封; 密封压力:Pmax≤7Mpa 密封温度:-240~650℃。 5.小弹簧机封:平衡型或非平衡型机封。 密封型号有:119B、59B、1523、 109B、59U、108U、106U、C8等。

机械密封端面组合形式
考虑到介质复杂情况,环保要求,自动监控,安 全性等要求,机械密封组合成不同形式用以满足 上述要求: 机械密封端面组合形式: 一、单端面机械密封 二、双端面机械密封 1.背对背式 2.面对面式 3.串联式 三、多端面机械密封 辅助密封: 喉部节流密封 二次节流密封

密封的基本结构
1.大弹簧单端面机械密封
压盖

冲 洗 孔
定位螺钉

泵轴

轴套

弹簧

弹簧座

动环 静环密封圈

静环防转销 静环 节流环

轴封

动环密封圈

传动环 冷却水孔
压盖螺栓

密封的基本结构
2.波纹管静止型单端面机械密封
1 2 3 4 5 1.动环 2.波纹管组件 3.压盖 4.传动环 5.传动螺钉 6.轴封 7.限位块 8.水套 10.轴套 12.定位环 13.节流环 14.15.内六角螺栓 16.六角螺栓

11

10

9

8

7 13

6 12

14

15

16

密封的基本结构
3.波纹管旋转型单端面机械密封
1 2 3 4 5

10 15

9 14

8

7 13

6 12 11

1.动环(波纹管组件) 2.静环 3.压盖 4.传动环 5.传动螺钉 6.轴封 7.限位块 8.静环密封圈 9.轴套 10.动环密封圈 11.六角螺栓 12.定位环 13.节流环 14.封油环 15.内六角螺栓

4.波纹管(旋转型)串联机械密封

密封的基本结构

密封的基本结构
5.波纹管(静止型)串联机械密封

密封的基本结构
6.小弹簧串联机械密封

机械密封辅助系统
封油罐

联轴节 机械密封

轴承密封 润滑系统

机械密封辅助系统应用
基本系统--为保证机械密封正常使用,选用正确的密封辅助系统,
增加如冲洗,循环,抗温,抗压,排渣,节流,润滑,防结晶, 防介质泄漏等功能,改善机械密封的工作环境,从而保 证机械密封的正常运行.

基本系统功能:
?控制泄漏 ?控制磨蚀 ?防污染 控制压力 控制腐蚀 防泄漏

基本系统分类: API 610 PLAN 系统 介质冲洗 API 610 PLAN 01,11,
12,13,14,21,22,23,31,41

外流体冲洗 API 610 PLAN 32,51,(61)62 缓冲液(气)循环系统 API 610 PLAN 52,72 隔离液(气)循环系统 API 610 PLAN 53A,53B,53C,54,74 收集与排放系统 API PLAN (71),75,76

放空阀 (一般臵长开位臵) 节流孔板 球阀 液位开关 (高)

压力表 压力开关 液位计

液位开关 (低)

放空

方案52注意点: 外部储罐为不加压双密封的外侧 密封提供缓冲流体; ? 在正常工作时,内泵送环保持 循环; ? 储罐通常连续地向蒸汽回收装 置中排气,并保持压力低于密 封腔内的压力

泵效环产生封液循 环力 外侧保护密封

机封的有关参数
1. 几何参数:动环内外径( d1、 d2),静环内外径(D1、D2),平衡 直径d0,波纹管有效直径de;
2.力学参数:弹簧比压Pt,载 荷系数K,平衡系数β,膜压系数λ, 端面比压Pb,沸腾半径rb等。

机封的力学参数
( 1 )弹簧比压:密封端面单位面积上 所受的弹性力。 Pt=Ft/A

弹簧比压推荐值Pt= 0.1~0.2Mpa。
(2)载荷系数:动环的轴向受力面积 Ae 与端面贴面积 A 之比,它是用来衡量 动环受轴向力的作用,压紧静环接触面 上的压紧程度。

机封的力学参数
载荷系数K:
2 2 Ae D2 ? d0 K? ? ? 2 A ? D2 ? D12 2 2 D2 ? D1 4

?

? D 4 ?

2 2

2 ? d0

?

?

(3)平衡系数:β=1-K

( 4 )端面比压:密封端面单位面积上所 受的合力。 F=Ft+Fp-Fm Pb=F/A=Pt+P1(K-λ)

端面比压推荐值:
一般介质0.3~0.6Mpa 低粘度介质0.2~0.4Mpa 高粘度介质0.4~0.7 Mpa

机封受力分析:

F合=Ft+Fp-Fm±R
Fp=p1· A

Ft

Fp
R

P1 Fm

Fm=pm· A=λ· p1· A
R为摩擦阻力, 实践证明很小,

密封动环受力图

可以忽略。

P1—密封腔内介质压力 Fp—介质压力引起的闭合力 Fm—液膜压力产生的开启力

(5)膜压系数:
2 Pf 1 1 Pf r2 ? rb ? ? ? ?( ? ? ) 3 P 2 6 P 1 1 r2 ? r 1

λ的选取(经验值):

Pf—沸腾半径 中的汽化压力 rb—沸腾半径 r1、r2—密封 端面内、外半 径。

高粘度介质(重油如渣油)λ=0.3~0.4 中等粘度(如柴油、煤油、水)λ≈0.5

低粘度(如轻烃)λ=0.65~0.75

机械密封长周期运行的条件
rb λ Pb 热量 破坏了机封的热平 衡,温度 密封面破坏; rb λ Pb 密封面开启,破坏了机封 的力平衡,工作不稳定,密封泄漏。 力平衡是密封运行的基础,热平衡是密封 能长周期运行的必要条件,两者相互依存, 缺一不可。特别对于轻烃泵的密封,更要 同时做好力平衡和热平衡,这一点非常关 键。

金属波纹管机械密封
? ? ? ? 金属波纹管机封工作原理 波纹管机封特点 波纹管机封的制造 波纹管机封结构形式

金属波纹管机封工作原理
波纹管密封的波纹管是利用微束等 离子焊接制成的一种全封闭结构,由于 波片本身波形的存在及焊接后波距的存 在,使之在轴向被压缩一定位移后,产 生弹性力,致使动静环表面始终处于贴 合状态并形成一定的比压,在动静环表 面磨损后始终处于弹力补偿状态。

波纹管机封特点
1.具有优越的追随性:由于波纹管密封本 身为全封闭结构,在结构上消除了普通弹簧机 封中所必备的动环与轴套(或轴)的动环密封 圈,使波纹管身的弹率充分被利用来形成比压, 显示出优越的追随性。 2.耐高温性:由于波纹管机封取消了普通 机械密封中的动环密封圈,所以不再受被密封 介质状况及温度对动环密封圈的影响,适用的 介质及温度被大大扩大(-250℃~400℃)。

波纹管机封特点
3.平衡性:波纹管密封和普通机封相比,不 需要在轴套上加工出台阶,本身就可以建立平衡 直径,处于平衡状态,波纹管密封在应用中一般 均为平衡型。 4.泄漏点少:由于波纹管密封动静环密封点 均为金属(或非金属)垫片,用静密封取代了动 密封,发生泄漏的概率大为降低,这样波纹管密 封的泄漏实质上只有摩擦副端面这个密封点,无 疑泄漏的机率大大减少。而普通机械密封的泄漏 渠道主要有动静环密封圈及摩擦副端面,在这三 个泄漏渠道中,因动静环辅助密封圈失效造成密 封泄漏占总泄漏的40%。

波纹管机封特点
5.抗振性和高速性:波纹管密封取消了动环 密封圈,大大减少了由于泵振动或轴振动造成的 通过动环密封圈传递而引起的动环的振动,使动 环免受大的影响,通常也称波纹管的浮动性。因 此,适用的线速度被大大的提高,其线速度可达 100m/s。

波纹管机封特点

6.可降低弹簧比压:在通常普通机械密封的 使用过程中,弹簧比压一般都设计在0.15~ 2.5Mpa(对于中速密封而言),而波纹管密封的弹 簧比压可设计为远小于此数值,在实际使用过程 中,弹簧比压一般设计为0.05~0.15Mpa之间,波 纹管密封为静止结构时,弹簧比压可进一步减小。 因此,由弹簧比压产生的摩擦热减小,降低了端 面温度,从而减小了摩擦副端面的磨损量,即减 少了机械功耗,提高了密封性能及延长密封的使 用寿命。

波纹管机封的制造

金属波片
波 片 焊 接 角 度

焊接成的波纹管

波纹管组件(动、静环)

机械密封的安装与使用
1、目测:检查动、静环密封端面是否有锈蚀、凹 坑、缺角、裂纹等缺陷; 2、平面度检查:在光学平晶下检查密封端面的平 直度,压力较低、粘度较高的介质平面度 ≤0.0009mm(三个光圈以下);压力较高、粘度低 的介质(特别是轻烃)平面度≤ 0.0003mm(一个 光圈以下); 3、机封组装:按要求进行,要保证组装好的机封 能滑动灵活,压缩量适当,静压试验不漏; 4、对于要求高、安装较难的机封,进行动态模拟 试验,以提高机封安装的一次成功率。

摩擦副端面的光波检测
摩擦副端面检测: 利用光波的干涉 效应测量 工具:平晶 光源:钠光 原理:光波干涉 干涉条纹按图示产生光带 确定密封端面平面度 1光带=0.294?m ?=0.588?m ( ?=钠光波波长)

机械密封动态试验台
本试验 台可以模拟 机械密封的 实际工况, 温度、压力、 转速等进行 动态试验, 提高密封的 安装质量。

机械密封动态试验控制台
本控制台 可以控制泵的 转速、加热温 度,并显示泵 的运行工况: 压力、温度、 转速,定时记 录运行数据。

机封的常见故障分析
密封故障各种各样,根据具体情况进行分析。
(1)动、静环端面变形、密封面裂开、磨损;

(2)汽化、汽蚀、抽空;
(3)传动座磨损、拔叉断裂;

(4)结垢、结焦、轴套磨损、辅助密封圈失效;
(5)波纹管开裂、穿孔、失弹等。

密封面接触变形分析
热量引起的 变形

压力引起的 变形 平行面接触 稳定运行状态

炼油和化学工业对机械密封要求的最新趋势
高工况,高参数

? 期望延长使用寿命. ? 密封标准化/减少现场的调试/减少库存. ? 有计划的间隔维修/防止故障间隔维修. ? 远程监测/监控 ? 环保要求-----零泄漏 ? 可靠性. 安全性 ? 国产化与及时售后服务,降低采购及运行成本


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