机械密封结构原理范文

导语：如何才能写好一篇机械密封结构原理，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：机械密封；故障；因素；改善；策略

中图分类号：TH122　文献标识码：A　文章编号：1006-4311(2012)02-0032-02

0　引言

机械密封因为泄漏量少、摩擦功耗低、密封可靠、使用周期长等优点，能够满足多种工况需求而被广泛的应用于泵、压缩机、反应釜等机械设备中。性能良好的机械密封能够为生产装置的长周期性安全平稳运行提高物质保障。在机械的运行过程中，受内外部因素的影响，很容易产生机械密封故障，严重的还会导致重大安全事故。因此，必须重视机械密封的故障问题，从根源上分析产生故障的原因，并以此提出改善措施，这样才能既延长机械密封的寿命，又节约资源。

1　机械密封的结构和工作原理

机械密封，或者称为端面密封，是一种限制工作流体沿转轴泄露的、无填料的轴封装置。机械密封由至少一对垂直于旋转轴线的端面在液体压力或者补偿机构弹力(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。机械密封的主要作用是将容易泄露的轴向密封改为难以泄露的端面密封，这也是机械密封的设计总原理。

机械密封一般由四部件组成：①主要部件是动环和静环。动环凭借密封室中的液体压力紧压在静环端面上，并随泵轴一起旋转。动环和静环紧密贴合形成密封面，防止介质泄露。②压紧元件。压紧元件主要是弹簧、推环、波纹管等，压紧元件能够产生压力，可以保证泵在任何状态下都保持端面贴合，防止介质外漏或者杂质进入密封端面。③密封元件。密封元件是指密封圈等。密封元件的作用主要是密封动环与轴之间的缝隙、静环与压盖之间的缝隙，同时能够缓冲压紧元件对泵的振动、冲击。④传送件。弹箕座及键或各种螺钉。

机械密封主要有弹簧式机械密封和焊接金属波纹管机械密封两种，弹簧式机械密封一直是机械密封的主流，然而，由于弹簧式机械密封存在着不可避免的缺陷，而随着微束弧等离子焊接工艺技术的发展，焊接金属波纹管机械密封极好的浮动性的优点日益凸显，显示出比弹簧式机械密封更为优良的性能，有逐步取代弹簧式机械密封的趋势。

2　机械密封的要求

机械密封在运行中是与其他零部件一起组合起来共同运作的，机械密封的正常运行不仅与其本身的性能有关系，而且与外部环境息息相关。然而，我们必须首先保证机械密封本身的部件性能、密封装置和安装技术的要求，这是机械密封能够运行的基础。

首先，机械密封对元件的要求必须得到保证。机械密封的最主要部件是密封环，即动环和静环，它们决定了机械密封的使用性能和寿命。密封环必须具备足够的强度、刚度、硬度和耐腐蚀性，在高温高压和滑动速度等不良工作环境下能保证不损坏、变形尽量小，在工作条件波动的情况下仍能保持密封性；密封环应具备较高的导热系数和较小的热膨胀吸收，在承受高热时不至于开裂，能够耐得住高热冲击；密封环应具备较小的摩擦系数和良好的自性，密封环的材料和密封流体还要具有良好的浸润性；在发生短时间干摩擦时不至于损伤密封端面；密封环要简单、对称并尽可能选择整体型结构或组合式，尽量避免用密封端面喷涂式结构。

其次，机械密封的安装要符合要求。在安装过程中避免出现偏差，遵循安装顺序，要先安装紧压盖，在联轴器上找正后再进行，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，上紧后还要检查压盖与轴或轴套外径的配合间隙，四周要均匀，用塞尺检查各点允差不大于0.01毫米：其次弹簧压缩量要按规定进行，不能过大或过小，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。一般要求误差2.00毫米；动环安装后，将动环压向弹簧后应能立即自动弹回来。

再次，拆卸机械密封时，严禁用手锤和扁铲，以免损伤密封元件。若结垢导致拆卸不下时，应清洗干净后再进行拆卸：在泵两端都采用机械密封的情况下，拆卸时应主要互相照顾，防止顾此失彼：对于运行过时的机械密封，如果压盖松动，密封发生移动，那么接触面的密封性已经有极大可能遭到破坏，这种情况下动环和静环必须更换，不能重新上紧机械使用。

3　机械密封出现的故障分析

机械密封故障是机械密封运行中不可避免的问题。主要故障表现为振动、发热、磨损，最终出现介质泄漏。根据机械密封的结构和工作原理，结合生产实践分析，导致机械密封故障的因素主要有温度、压力、被密封介质等。

3.1　高温导致机械密封故障。当密封室内的温度超过一定的数值时，端面摩擦产生的热就不能够排出，这时密封端面的温度过高，产生干摩擦，密封环摩擦副环会因为干摩擦发生热变形和热裂。检修失效的密封环时，经常会发现有贯穿整个径向端面的裂纹和微沟，尤其是导热系数低的材料制作的摩擦副环更容易发生端面热裂。端面热裂产生的主要原因是密封端面的回转过程产生大量的摩擦热致使端面凹凸不平从而加速了磨损。热裂大多是径向的，加大了泄漏面积，改变了端面间的眼里分布，致使机械密封丧失了严密性，导致端面泄漏增加。

3.2　压力过大致使机械密封发生故障。影响机械密封的压力主要是密封室内介质的压力。当密封室内的压力超过一定数值时。会导致密封端面压力过大，液膜难以形成，密封端面会因此产生严重的磨损，发热量加大，进而导致机械密封故障。

3.3　密封室内介质引起的机械密封故障。被密封的介质对机械密封的影响很大，如含杂质、颗粒的介质进入密封室，会划伤密封面或者破坏液膜的连续性，使密封磨损严重，直接威胁机械密封的寿命。如果介质内的杂质在密封环、补偿环内沉淀，则会影响补偿环的浮动性，若杂质沉积在弹簧上，则会影响弹簧弹性，使弹簧失去作用。

3.4　两密封端面失去膜而造成的机械密封故障。膜的丧失会导致端面的抗摩擦性和抗热性极度下降，出现端面裂纹，产生机械密封故障。导致膜丧失的主要原因有：端面密封载荷的存在导致密封室内缺乏液体，启动机械时发生干摩擦；密封室内介质低于饱和蒸汽压力，使端面液膜发生闪蒸，丧失；密封室内的介质为易挥发性产品，在机械密封冷却系统出现结垢时，端面摩擦和旋转元件的搅拌液体产生热量导致介质的饱和蒸汽压上升，造成介质压力低于饱和蒸汽压的状况。

3.5 腐蚀引起的机械密封故障。腐蚀是威胁机械密封的一大不可忽视因素。腐蚀会使机械密封的零部件损坏，产生严重的机械密封事故。主要表现为：密封端面出现点蚀，甚至穿透；碳化钨环和不锈钢座等焊接，使用中不锈钢易产生晶间腐蚀；焊接金属波纹管、弹簧等在应力与介质腐蚀的共同作用下易发生破裂。

3.6　其他因素导致的机械密封故障。在机械密封使用过程中，存在机械密封在设计、安装质量等不符合要求的地方，这些都是导

致机械密封故障出现的不可忽视因素。

4　机械密封故障的改善策略

根据我国现阶段机械密封的使用现状，针对机械密封的结构和工作原理，在具体分析机械密封故障出现原因的基础上，本文认为，要对机械密封故障进行改善，首先要从机械密封设计上进行根本改善，然后针对出现的问题，采取具体措施解决。具体改善策略如下：

4.1　探索新形式，从根本上改善机械密封设计。焊接金属波纹管机械密封具有代替弹簧式机械密封的趋势说明，机械密封能够通过改善设计，采取新的形式，避免故障的出现。随着各种工艺技术的不断成熟，我们有信心能够找到更加优良的机械密封设计方案，从而改善甚至完全避免现阶段机械密封出现的各种故障。机械密封新形式的形成，一方面依赖于不断进步的高科技和各种工艺技术，另一方面需要机械设计人员不断的探索，创新思想观念，改变思维方式，以新的角度和新的方法去设计机械密封。

4.2　具体问题具体分析，根据故障寻求改善策略。对于机械密封故障的改善，应着手于故障本身，落实到具体故障改善策略上。

对于高温引起的机械密封故障，应采取冲洗措施以降低密封室温度，防止杂质的沉积，保证密封环不被固体颗粒磨损；安装冷却装置，保证密封室内的热能够及时传导出去，尽可能降低温度；选用耐高温的密封材料，建议使用聚四氟乙烯等有机材料；保持端面温度在介质汽化温度以下；有装配关系的地方应选取热膨胀系数相近的材料。

对于压力过大引起的机械密封故障，应尽量使密封端面受力合理，减少变形，减少端面宽度：采用高强度材料，尽量减少摩擦磨损：采用平衡性机械密封；选用可靠的传动方式，如键、销等连接方式。

对于介质引起的机械密封故障，应采取以下措施预防：保持两端面宽度相等，减少杂质在密封端面、补偿环等处的停留机会：采用高耐磨材料；定期内冲洗，避免杂质沉积；在机械密封进门口设置过滤器或者旋液分离器，防止杂质进入密封室内；采用波纹管结构防止泄漏颗粒在辅助密封圈处聚积，影响补偿环轴向浮动。

对于缺乏而导致的机械密封故障，一方面应保证密封室内有液体存在，避免产生干摩擦：另一方面密封室内介质不能低于饱和蒸汽压力，避免闪蒸现象的出现。此外，尽量不选用易挥发的介质。

对于腐蚀造成的机械密封故障，选用耐腐蚀的材料：定期对机械密封的零部件进行维护保养：注意机械密封装置的放置环境，尽量不放置于腐蚀性的环境中：对于焊接部位应着重进行保养，一旦出现腐蚀立刻进行修正；防止介质和外力共同腐蚀机械密封零部件。

在机械密封的设计、安装、拆卸过程中，一定要注意符合要求规范，不要违规操作，防止机械密封故障的发生。

机械密封对于现代工业的作用越来越重要。只有在了解机械密封结构和工作原理的基础上，才能针对其出现的故障采取改善策略。这样才能保证机械密封的使用效果和正常运转，保证生产活动的顺利进行。

参考文献：

[1]龙永强.机械密封的要求及故障处理措施[J].湖南农机，2010

[2]芦春影.机械密封常见故障处理技术[J].应用技术，2010

[3]周丽萍.影响机械密封的外部条件分析[J]科技论坛，2009

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关键词：机械密封 潜水泥浆泵 端面开槽 CFD

1前言

矿用潜水泥浆泵是水下输送磨蚀性固液混合物离心泵的一种，是泥浆泵和潜水电机技术相结合的机电一体化产品，广泛地应用于矿山、冶金、电厂等各个领域，矿山泥浆砂石泵送是各种介质泵送工况要求最为恶劣，过流件磨损快，腐蚀性强，频繁地故障会影响生产而造成的经济损失非常严重。近年来，国内矿山行业迅速发展，响应环境保护的迫切需要，绿色矿山建设成为未来发展的一种趋势。矿山生产、生活污水沉淀处理是矿山环境保护的重要项目之一，而潜水泥浆泵作为输送清理泥浆设备，根据国内外专家意见，这种泵型在提高泵送效率、降低能耗以及改善环境保护的最有发展前途和最进步的方向之一。

潜水泥浆泵作为沉淀泥浆泵送的主要设备，不仅要求其高耐磨、稳定高效，机械密封也更是其关键，它是水泵的心脏，必须可靠性高，保证无故障长期运行。潜水泥浆泵是在水下工作，一旦失效，外部介质或油室中的油便会进入电机腔，引起潜水电机故障，甚至影响人身安全。此新型机械密封应用在矿用潜水泥浆泵在使用的安全性、运行可靠性以及提高无故障运行时间，有必要对其机械密封进行结构分析，研究其技术的先进性。

2 机械密封的结构及其原理

2.1机械密封的结构

在矿用潜水泥浆泵中使用的是整体式机械密封，将内机封和外机封装配成为一个单元，主要由静密封环、动密封环、密封圈、支架、弹簧、等构成。机械密封在潜水泥浆泵中分为上下两个端面密封：上密封在油室与电机之间，下密封在泵壳与油室之间，都由一个静环和一个旋转的动环组成，上下两个密封的分界面由弹簧系统和支架相连接，图1为机械密封结构示意图。

2.2机械密封的原理：

机械密封旋转工作时，由密封室内流体的压力和弹性元件的弹力等引起的轴向力使动环和静环互相贴合并相对运动，由于两个密封端面的紧密配合，使密封端面之间的交界（密封界面）形成一微小间隙，当有压介质通过此间隙时，形成极薄的液膜，产生阻力，阻止介质泄漏，同时液膜又使得端面得以充分，获得更长期密封效果。

多年以来，从现场采集整理地使用情况来看，这种新型的机械密封相对于同类泵型的机械密封有着更明显的性能优势：

（1）适用范围更广。机械密封可以在高温、低温、高压、强磨蚀的环境下工作。

（2） 密封性更好。机械密封在正常工作使用中，端面处可以达到“零泄露”，比其他密封状态更稳定。

（3）寿命长。机械密封设计使用寿命3年以上，常规机械机械密封的使用寿命一般1到2年。

2.3机械密封的材质

泵送介质中含有大量固体颗粒，密封面的材质需要极好的抗腐蚀性和耐磨性，动、静环端面材料选用碳化钨，它具有高硬度、摩擦系数小、强度高、耐腐蚀等等优良的综合性能，如下3机械密封的密封面

传统的机械密封的端面为两个平行的光滑平面，端面开槽技术就是通过在密封端面上开出各种形式的凹槽来改善端面间的和密封状况，从而改善机械密封的密封状态。矿用潜水泥浆泵中使用的机械密封端面开有螺旋流槽，图2为密封端面示意图。若动环外径侧为油室被密封液体，内径侧为低压流体，当动环以图示方向旋转时，在螺旋槽流体动压效应的作用下， 动静环端面之间产生一层厚度极薄的流体膜（ 图3中h1，h2） ， 使动静环端面保持分离即非接触状态。端面开设的螺旋槽既可以产生泵送效应，又可以抵抗压力梯度，在外径与内径压力差的作用下，被密封液体产生方向由外到内的压差流，而螺旋槽的流体动压效应所产生的粘性剪切流的方向由内径指向外径，两者的方向相反，最终得以平衡。

3.1机械密封端面性能参数

机械密封端面按着一元流动进行计算，一元流动的雷若方程：

根据上式，如果设h为常数，粘度也为常数，在内径侧，膜厚h==常数；在外径侧，膜厚h==常数，对上式积分，压力梯度也为常量，即压力按三角形分布，最大压力位于转折处，显然这两个区域的压力梯度为：

和

当密封假设为无限宽时，无轴向流动，其各处的流量必定不变，在单位时间宽度内的流量为：

将前式的压力梯度代入上式，经整理后可得：

设K=，可得到最大压力为：

在单位宽度内的承载能力就是三角形面积之和

经整理得：

3.2 机械密封端面仿真研究

FLUENT是目前运用最广泛地CFD仿真软件之一，具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，对密封端面进行动力学可视化分析，仿真了密封端面压力分布云图，颜色的变化展示了密封面压力的变化，如图4：

4 机械密封发展趋势：

（1）工业技术不断创新 新技术、新理论、新材料、新工艺不断创新发展，失效机理、失效分析和失效监控更加深入地研究和应用，要求使之快速转换成实用性、高性能、高参数的密封产品。

（2）密封系统完善 从以往地单一密封零部件，发展到整个密封系统，并制定了新的密封系统标准。

（3）高效安全和环保性 随着工业技术不断地发展，环境保护地日益关注，人们对机械密封安全高效要求更加严格，过去从只注意眼睛可视的“泄露”，不注意易挥发物的“逸出”，发展到现今控制逸出零，从“零泄漏”到要求“零逸出”。

参考文献：

1. 张景松.流体机械：流体力学与流体机械【M】.徐州：中国矿业大学出版社，2001.11

2. 顾永泉.机械密封实用技术【M】.北京：机械工业出版社，2001.7

3. 彭旭东，杨慧霞，于恒聚.机械密封的新技术及其应用【J】.石油化工设备技术，2001，22（1）：62～66

4. 李梦君，李浙昆，熊勇等.基于FLUENT滑移网格的浮选离心叶片泵内流场的CFD分析【J】.科学技术与工程，2011，11（23）：5664～5668

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关键词：螺杆式冷冻机组　机械密封　泄漏　技术改造

一、引言

亚洲硅业（青海）有限公司2008年6月安装了4台JYSLG25FZ型螺杆式冷冻盐水机组，主要作用是将质量浓度约21%的氯化钙水溶液通过螺杆机组冷却为-20℃，再将-20℃的氯化钙盐水循环打入合成和精馏工序的换热设备，用于生产系统换热设备的制冷剂。自投用以来，螺杆压缩机机械密封曾多次发生油、R22泄漏故障。虽经多次检修，更换新的机械密封部件，但效果甚微。该机械密封频繁故障，不但损耗了大量油和R22，增加了检修费用，而且还给整个生产装置的安全稳定运行带来了很大的隐患。我们通过对造成机械密封泄漏的原因进行分析，提出并采取针对性的改进措施，从根本上解决了机械密封泄漏问题，确保了机组长周期安全运行。

二、机组的结构、及工作原理及工作过程

1.螺杆式制冷式压缩机组包括

螺杆式制冷压缩机、气路系统、油路系统和控制系统，这些设备（除启动柜之外）装在同一公共底座上，构成机组。螺杆式制冷压缩机主要由机体、转子、滑阀、轴封和联轴器五个部分组成。为了机械密封摩擦副端面，机械密封油采用油，由油站供油。

2.工作原理

螺杆式制冷压缩机的机体内装有两只互相啮合的平行转子——阳转子和阴转子。当两转子转动时，两转子的齿部相互插入到对方的齿槽内，随着转子的旋转，插入的长度越来越大，容纳气体槽的容积越来越小，从而达到压缩气体制冷剂的目的。为使压缩机正常工作，需要向压缩机内喷油，向压缩机工作腔喷油，可以起到密封和冷却的作用；轴承、轴封、平衡活塞的工作也需要提供油。

3.工作过程

3.1吸气过程

气体经过吸气孔口分别进入阴阳螺杆的齿间容积，随着两个齿间容积各自不断扩大，当其达到最大值时，齿间容积与吸气孔口断开，吸气过程结束。阳转子每旋转一周，压缩机完成四个吸气、压缩、排气过程。

3.2压缩过程

转子继续回转，“V”型的齿间容积对，因齿的相互侵入，其容积逐渐缩小，从而实现气体的压缩过程。

3.3排气过程

在齿间容积与排气孔口连通后，由于转子回转时容积的不断缩小，将压缩的气体送至排气管。

4.压缩机的主要技术参数为

制冷剂：R22；名义工况：-26/38℃；吸气压力，-0.06～2MPa；进气温度，-10～45℃；排气压力，≤1.5MPa；排气温度，≤70℃；制冷量：920KW;主电机转速，2960r/min；额定功率，500kW;主电机电压，10KV；油压力，-0.12～1.5MPa。

三、机械密封泄漏原因分析

2010年7月，我们对螺杆压缩机进行了解体检查，轴封为机械式密封，机械密封的冷却及均由高压油来完成，进入的油压力比排气压力高0.15～0.30MPa.由于机械密封是在较高的压力区工作，所用摩擦材料具有足够的刚性和强度，静环选用耐压强度较高的碳化硅，动环选用石墨制成，它的弹性模数较大，其密封口端面经研磨和抛光加工，可达较高的光洁度。动、静环密封圈为O型环，材料为氯醇橡胶。经检测，动、静环及密封圈也没有损坏，故机械密封泄漏与其结构、材质选用无关。

为了保证机械密封面的良好贴合，需要保持一定的端面比压；但该端面比压又不能太高或过低，太高会使机械密封磨损加剧，过低又会使密封面开启失效。一般情况下机械密封推荐的端面比压值[1]为:一般介质，0.3～0.6MPa；低粘度介质，0.2～0.4MPa；高粘度介质，0.4～0.7Mpa。

经过计算，螺杆压缩机机械密封密封端面比压为0.35Mpa。因对于粘度大的油端面比压取值在0.4～0.7MPa比较适合，而本压缩机的机械密封实际端面比压值偏小，故在运行过程中，机械密封的密封面可能会开启，失去密封能力，造成油泄漏。故认为机械密封泄漏的主要原因是端面比压太小造成的。

四、改进措施

根据查得，内装内流旋转式平衡型机械密封端面比压计算公式：P b= P t +（k-λ）P1，及K=d22-d02/ d22-d12得知：要增加机械密封端面比压值，提高密封性能的有效途径最有效的方案是增大弹簧比压P t和增加机械密封静环端面载荷系数。要增大弹簧比压需要改动机械密封动环弹簧座，比较不合理，因此在机械密封原结构基础上，其它尺寸不变，增加原静环密封端面的有效面积，是增大载荷系数进而增加端面比压的有效手段。改进前该机械密封结构参数为:机械密封动环密封面外径90mm。静环密封面外径91.2mm，密封面内径81.3mm。

1.扩大静环内径，增大机械密封端面比压

通过对机械密封静环密封面内径进行车削将内经扩大1mm,静环密封端面内径由81.6mm扩大到82.6mm，其它尺寸未变。经计算，机械密封内径车削后的载荷系数K=0.91，λ=0.6，弹簧比压P t选0.2MPa，代入公式P b=P t+（k-λ）P 1计算，机械密封端面比压P b=0.63MPa，螺杆压缩机端机械密封端面比压满足密封油所要求端面比压推荐值0.4～0.7MPa，符合密封要求。

2.校核PV值

为了使机械密封达到长期安全运转的目的，还要求密封副的工作PV值小于许用[PV]值。由于该机组机械密封摩擦副采用的材质为碳石墨—碳化硅，查文献《实用机械密封技术问答》手册可知，该机械密封的许用[PV]值为180MPa·m/s，经计算得机械密封端面平均速度12.56m/s。PV值校核：端面比压与平均速度的乘积(端面比压出口端的P为1.5 MP)，计算得到PV值为18.84MPa.m/s。

由上述计算结果可知，端面比压与平均速度的乘积在许用的[PV]值区间内，符合要求。

五、改进后的运行效果

自2010年7月，对螺杆压缩机的机械密封的静环进行车削改进投用后，机械密封效果良好无泄漏，投入运行后运转至今，运转状况良好，保证了压缩机安全运行，累计正常运行时间超过2年，至今未发生泄漏，密封效果非常好。仅配件和安装方面的经济效益就非常著。这种方法对解决工况相似的设备泄漏问题，有一定的参考价值。

参考文献

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[关键词]机械密封 微变形 研究

中图分类号：TH136 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）44-0356-01

机械密封是机械设备防止泄漏、节约能源、控制环境污染的重要部件，广泛应用于机械、石油、化工、电力、轻工、船舶、宇航和原子能等工业的泵、压缩机、反应釜等设备，它对过程工业中的整台机器设备、整套装置乃至整个工厂的安全生产都有重大影响。随着工业的高速发展，机械密封的工况逐渐提高以及人们环保意识的增强，对机械密封的性能也要求更高，但在实际使用中，不可避免地会出现机械密封失效。造成机械密封失效的原因很多，主要原因之一是机械密封端面变形，因为变形后造成泄漏增大，磨损加剧，寿命缩短，严重影响了机械密封的使用效果。因此精确计算机械密封端面变形，研究影响变形的关键因素，探索减小变形的措施对提高机械密封性能和使用寿命及开发机械密封产品具有重要的指导意义。

1 理论研究

随着机械密封技术向高压、高速、高温和大直径等方向发展，机械密封环的变形问题就尤为突出。导致变形的原因有两方面：机械和热。目前被普遍认同的端面变形形状为锥形。为尽量减小锥形变形，需要通过理论分析来了解并掌握其规律。目前变形理论主要有：圆环理论和壳体力矩理论。研究表明，影响变形的因素主要是力和温度。圆环理论在计算简单密封环形状时计算值与试验值比较一致，但在计算复杂密封环形状时计算值与试验值差别很大。Mayer为机械密封端面变形的理论研究奠定了基础。2002年，洪先志等提出了应用壳体力矩理论求解密封环端面力变形，同时将环截面分成若干部分（矩形或三角形），考虑各部分结合处转角和位移的变形协调性，建立了四阶线性齐次微分方程和变形协调方程，可直接计算稍复杂截面形状的机械密封。研究表明，壳体力矩理论用于计算密封环端面变形是一种可靠、简便、有效的方法，运用此法能够得到密封环端面在外部挤压力作用下力变形较准确的值，从而将理论研究水平提升到较高层次。尽管机械密封端面变形的研究已有50多年，但由于其结构和性能涉及到流体流动、传热、力变形、热变形及其耦合，问题十分复杂，因而其理论还不完善，尚缺乏简洁而实用的设计理论。但进行简单的理论研究，有助于建立数学模型及清楚地认识密封环变形问题中各参数的物理意义。

2 数值模拟研究

近年来，随着计算软件的蓬勃发展，数值模拟成为研究机械密封端面变形的强有力手段。目前，数值模拟方法主要有边界元法和有限元法。1986年，Doust采用边界元法建立了机械密封变形计算模型，编制了相应的计算程序，并用试验对计算结果进行了验证，发现实验值与计算值比较相符。但边界元法在处理边界时比有限元法复杂。

由于有限元法原理相对简单，且有限元方面的应用软件很多，如ANYSYS、ABAQUS、FEMLAB等，因此采用有限元法进行分析变形的研究较多，而且基于有限元软件平台求解机械密封变形已逐渐成为研究的主流。

在我国，陈铁鑫等采用FEM和边界元法相结合的等价有限元算法，计算了204型小弹簧平衡型大直径釜用接触式机械密封的变形，发现静环的轴向变形主要是由压力载荷引起的，动环端面的轴向变形主要由温升引起。王美华等采用三角形FEM对人字形螺旋槽的热变形和力变形进行了分析，调用了SAP5―线性系统静力和动力响应结构分析有限元程序对密封环的力变形、热变形进行了计算。李文泰和张文格将动静环合为一体建立了模型，在摩擦面上使用只能受压力不能承受拉力的虚拟杆元来联系动环和静环。依据FEM，采用四节点等参单元计算了密封环的力变形和热变形。张书贵[17]对机械密封的力变形和热变形进行了研究，发现热变形是机械密封变形的主要形式，并讨论了热变形、力变形与密封环的结构、材料及使用条件的关系。张保忠等对内置式机械密封环的变形进行了分析与计算，指出了影响机械密封的因素，提出了改进机械密封的方法。彭旭东等计算不同约束、不同结构动静环配对的力变形、端面泄漏量、开启力及气膜刚度等参数，分析了变形对密封特性的影响。得出力变形使得气膜呈发散型、约束对变形大小具有重要影响；选择合适的约束可以减少密封面转角、提高气膜刚度、增强密封稳定性，变形对开启力影响不大，但明显增大泄漏量、改变气膜刚度。蔡永宁等采用有限元法求解雷诺方程获得密封端面流体膜压分布，计算了不同约束、不同结构动、静密封环的力变形以及端面泄漏量、液膜刚度和刚漏比等密封性能参数，分析了变形对密封性能的影响。

变形的数值模拟研究现状说明，有限元法不但不受密封环截面形状复杂程度的限制，并可模拟机械密封实际工况，应用和发展潜力很大。

3 实验研究

实验是机械密封研究的一个必不可少的重要环节，许多现象和规律靠实验发现，理论模型和计算手段靠实验验证和完善。实验是密封技术研究的重要手段，密封技术领域的许多现象和规律由实验发现，所提出的理论模型和计算方法靠实验验证并逐步完善。机械密封大量的实验研究始于20世纪60年代，迄今为止，国内外企业和研究机构的学者关于机械密封试验研究主要内容如下：①研究介质的温度和压力、弹簧比压、转速等操作参数对机械密封性能和使用寿命的影响；②通过传感器测量密封环端面的扭矩、温度、端面比压和液膜厚度等，研究不同条件下密封端面的摩擦特性及其对密封特性和使用寿命的影响。

目前，关于机械密封端面变形的试验研究工作开展还较少，且端面变形测试是采用电阻应变测试方法，其中测试方法虽然是一种很成熟的力学测试方法，但是该方法以点测量为基础，不能获得全场的变形信号。因此，如何寻找更可靠的测试技术已经成为目前机械密封端面变形测量的重要课题。

4 结论

综上所述，机械密封端面变形的理论研究还处于初步阶段，研究者在物理、几何等方面做出了不同的假设，形成了两种理论模型，即变形的解析法。但这两种解析法只能求解一些几何形状比较规则的密封环，应用范围非常有限。但进行这些简单的理论研究，有助于建立数学模型及清楚地认识密封环变形问题中各参数的物理意义。端面变形的数值模拟方法（有边界元法和有限元法）的出现弥补了理论研究的缺陷，特别是有限元法不但不受密封环截面形状复杂程度的限制，并可部分模拟机械密封实际工况，应用和发展潜力很大。

参考文献

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【关键词】改造 机械密封 油浆泵

某公司催化裂化FCC装置用以输送含有催化剂颗粒的塔底泵，型号为100PYS2130，单级悬臂离心泵，轴功率75kW，流量45.5m3/h，扬程130m。输送介质为油浆，介质温度370℃，泵吸入口压力为0.2MPa。虽然该泵一直使用的是焊接波纹管机械密封，但由于工况介质等诸多因素的影响，该泵在实际使用过程中，机械密封经常发生泄。据统计，机械密封使用寿命最短的时间为15天， 平均使用寿命为4个月左右， 严重影响了工艺装置的正常生产。为彻底消除隐患，笔者对该泵的机械密封系统进行了分析及改造，提高了机械密封的运行周期，确保了装置平稳生产。

一、故障原因分析

催化油浆泵中的机械密封是DBM290焊接波纹管机械密封，该密封结构特点为：a.静止式金属波纹管结构；b.动环与轴套法兰、螺钉连接；c.动环摩擦副低膨胀合金镶嵌，静环摩擦副为浸锑石墨；d.叶轮压紧轴套实现轴套密封垫的密封。油浆泵的工作介质为催化油浆，介质温度高且含有催化剂等固体颗粒，运行工况比较恶劣。通过数次检修及对原机械密封的解剖分析，发现机械密封失效泄漏的原因主要有以下几个方面。

（一）摩擦副磨损

DBM290焊接波纹管机械密封静环摩擦副采用的材料是浸锑石墨，拆检发现静环摩擦副磨损严重且内外缘有缺口。通过试验发现， 机械密封的端面比压受波纹管的有效直径的影响，而有效直径是随压力的变化而改变。由于压力过大，导致摩擦副过度磨损引起泄漏。同时油浆中含有固体催化剂颗粒其含量为一般不大于6g/L，生产不正常时为12g/L左右， 在操作中工艺条件稍有波动， 催化剂颗粒会进人密封面内，划伤了动环密封面，并破坏了液膜的连续性，从而引起泄漏。正常密封时，密封面处于边界或半液体状态，两表面被一层边界膜分开。当密封面间混有催化剂颗粒或静环密封面上有磨损时，两密封面间液膜厚度明显增厚，从而导致了油浆大量泄漏。

（二）摩擦副表面热裂纹

拆捡发现摩擦副的硬质合金环出现由硬面中心向外发散的许多粗细不一的径向裂纹。焊接波纹管的硬质合金环与环座两种材料的膨胀系数存在差别，在机械密封冷却水压力不稳定或温度发生较大变化时容易产生局部高温，从而导致局部热应力过大，合金环表面热裂引起密封失效。

（三）波纹管内侧波谷部位的软焦块

温度高、密度大、含有固体颗粒是油浆生成软焦块主要原因。该泵在370℃的工况下使用，油浆会慢慢沉淀或凝固在波纹管的缝隙中形成软焦块。随着时间的推移，波纹管缝隙内的软焦块使得波纹管不能进行轴向拉伸、压缩，失去弹性。这样，波纹管就无法提供随介质压力变化的轴向作用力，起不到补偿作用，使端面液膜压减小，造成液膜反压系数下降， 以致于端面比压下降， 引起密封失效。

（四）轴套密封垫易发生泄漏

DBM90密封传动方式为键传动，轴套密封是靠叶轮压紧轴套内的轴套垫来实现的。造成轴套密封垫泄漏的原因主要有：a. 叶轮发生反转或泵体预热温度过快造成叶轮锁紧螺母松动，使得密封垫无法压紧而泄漏；b.在安装过程中，轴套密封垫内进入杂质，使其密封性能失效而泄漏。

二、解决措施

（一）开槽斜面挤紧轴套式密封结构

针对密封轴套垫的泄漏，采取了开槽斜面挤紧轴套式密封结构。这种定位传动可靠，安装、拆卸方便且不伤轴。另外，还设置了限位板，便于泵外调整密封的压缩量。波纹管内径一处设一45°斜角，以分散应力，延长波纹管寿命。辅助密封采用柔性石墨替代其他密封材料，可以承受高达425℃的高温。

（二）采用耐磨摩擦副材料

由于油{泵介质含有固体颗粒， 所以在摩擦副动环表面喷涂了氧化铬（Cr2O3） ，静环材料选用YG6，该配合属于“硬质合金-硬质合金”形式。由于二者硬度不同，既可防止动静环密封面同时损伤，又避免了产生热裂现象。针对高温环境下密封环镶嵌结构容易脱落的现象，改用整体结构密封环。密封压缩量定为3.4mm，有效降低了密封面过多的摩擦热。

（三）金属波纹管作为旋转动环

原来所用的机械密封为静止式结构，油浆极易在波纹管缝隙生成焦块。为了防止机械密封波纹管缝隙结焦，笔者将金属波纹管设计成旋转型结构。旋转式波纹管密封在旋转离心力作用下可以自身清洗波纹管，减少波纹管沉积和内侧结焦，并能防止因急冷造成的波纹管变形。

（四）改善密封的冷却、冲洗效果

高温油浆泵由于介质温度高，加之短时间的机械负荷或热负荷的作用，使得密封面间稳定液膜转变为蒸汽状态，这转变过程中的温差产生了辐射状径向小裂纹。为了改善密封摩擦副的冷却效果，将循环水冷却改用轻柴油冷却并将原来密封压盖的进、出冷却孔直径增加2mm，这样避免了冷却介质的汽化且流量增加一倍，大大改善了冷却效果。为了避免催化剂颗粒粘结，堵塞冲洗管通道，将冲洗孔直径由5mm增大到7mm，冲洗压力控制在0.5MPa。通过自冲洗的改进，有效地控制了密封端面温升，增大液相面积，改善了摩擦状态。

三、结束语

通过对油浆泵机械密封的失效原因分析，从其材料及结构等方面进行了有效改进。目前，改造后的油浆泵已应用于工业生产中。改造前该泵有效运行时间平均为4个月左右，改造后，该泵连续运行最长可达8000h，期间经过长周期高负荷运行和频繁的切换运行而无泄漏故障。通过对油浆泵机械密封的改造及应用，不仅解决了影响装置稳定运行的难题，而且还产生了较大的经济效益。由此可见，催化装置油浆泵机械密封的改造是成功的。

参考文献

[1]顾永泉.机械密封实用技术[M]. 北京：机械工业出版社，2005.

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[关键词]污水泵填料密封机械密封改造

污水处理工程是环境保护的重要项目，而污水泵作为污水处理工程的主要配套设备被广泛应用于城市排污、矿山、冶金、电力以及石化等污水处理作业，发展前景广阔。污水泵产品除了要求技术性能好之外，密封是污水泵的关键，必须可靠性高，污水泵无故障运行时间长。污水泵在工作中，密封一旦失效，外部介质或油室中的油便会进入电机腔，引起潜水电机缺相、短路、漏电、烧坏电机，甚至影响人身安全。因此，为了进一步提高污水泵使用的安全性、运行可靠性以及提高污水泵无故障运行时间，有必要对污水泵通常使用的机械密封进行结构分析，实行改进。

一、常用的密封形式及不足

目前，污水泵产品常用的密封形式有两种：填料密封和机械密封。填料密封，如图1所示，是最古老的一种密封结构，发源于工业革命之前的传统密封装置，有着100年的材料工艺、剂系统和制造方法，并保持持续进步，目前很多的应用场合。经分析，该软填料密封结构存在如下缺陷：

1.密封介质含有的杂质严重影响密封性能。杂质进入软填料密封内部，进一步增大了填料密封和轴套之间的摩擦、磨损。虽然材料耐磨性较好，但是使用效果仍然不佳，泄漏频繁。另外由于没有采用封液对填料密封进行冷却，也加剧了填料与轴套之间的磨损。

2.工作状态不稳定需频繁调整和更换填料。由于软填料自身具有的粘弹特性，在工作状态下会出现明显的应力松弛。为保持其正常的密封功能，需不断地通过压紧压盖来增大填料与轴的径向接触力，同时也增大了软填料与轴的磨损，因此不得不经常更换(或添加)填料，维修工作量和费用大大增加。

3.磨损严重致使能耗量大。根据软填料密封的工作机理，填料密封与轴(或轴套)之间必须保持较大的径向接触压力以维持密封，因此填料和轴(或轴套)的摩擦、磨损都很严重，在密封很快失去工作能力的同时，造成相当大的能耗浪费。

机械密封具有摩擦功率损失小、寿命长、不泄漏等诸多优点，目前已在水泵上广泛应用。要把填料密封结构的水泵改造成机械密封结构需从设计、结构和加工几方面考虑。

文献讨论了污水泵工况时软填料密封的失效原因，并提出了改进的方案，有一定的借签和实用价值；机械密封亦称端面密封，其有一对垂直于旋转轴线的端面，该端面在流体压力及补偿机械外弹力的作用下，依赖辅助密封的配合与另一端保持贴合，并相对滑动，从而防止流体泄漏。

污水泵中常用的机械密封结构有两种形式：一种方案是在潜水污水泵的油室里安装一套双端面机械密封；另一种方案是在污水泵油室里设置一套单端面机械密封，而另一套设置在泵腔，使用在所抽送的污水介质中。

1—轴套；2—动环辅助密封圈；3—动环；4—密封垫片；5—静环；6—静环辅助密封圈图机械密封通常由动环、静环、压紧元件和密封元件组成。其中动环和静环的端面组成一对摩擦副，动环靠密封室中液体的压力使其端面压紧在静环端面上，并在两环端面上产生适当的比压和保持一层极薄的液体膜而达到密封的目的。压紧元件产生压力，可使泵在不运转状态下，也保持端面贴合，保证密封介质不外漏，并防止杂质进入密封端面。图2所示为双端面机械密封，水泵侧与电机侧两道密封端面都是靠弹性构件-弹簧和密封介质的压力在旋转的动环和静环的接触表面上产生适当的压紧力，使这两个密封端面紧密贴合，端面间维持一层极薄的液体膜而达到密封的目的。其中水泵侧密封端面与电机侧密封端面结合处B，是密封点，防止所抽介质进入油腔，防止油腔内的油进入电机腔；6为静环与压盖端面之间密封点，A处是动环与轴配合面之间的密封点，C是箱体间的密封。

A、B、C所示结构机械密封最容易出现泄露现象，由于使用介质的复杂性，易使抱轴橡胶老化，一旦出现老化就直接影响弹簧传动而使得密封失效，同时，两端面密封都得靠同一个弹簧产生压力，若其中一边端面接触失效，整套密封也就失效。因此，这种机械密封一直存在失效快、返修率高的不足之处，直接影响到泵使用寿命。

机械密封在实际运行中不是一个孤立的部件，它是与泵的其它零部件一起组合起来运行的，同时通过其基本原理可以看出，机械密封的正常运行是有条件的，例如：泵轴的窜量不能太大，否则摩擦副端面不能形成正常要求的比压；机械密封处的泵轴不能有太大的挠度，否则端面比压会不均匀等等。只有满足类似这样的外部条件，再加上良好的机械密封自身性能，才能达到理想的密封效果。

因此，在实际应用中，以机械密封来代替填料密封的情况越来越多。

二、填料密封的机械密封改造

1.改装方法

污水泵填料筒的径向尺寸和轴向尺寸较小，影响了机械密封的安装。在满足强度的情况下，将填料筒的内径相应地扩大；若有轴套，可将轴套的外径相应地缩小或将轴套拆除。

2.主要尺寸确定

(1)确定传动套或弹簧座在轴套上的位置。如图3所示。为了防止传动套或弹簧座同填料内套端面碰，把安装机械密封的起点尺寸定为[H-K=5～15mm]。

(2)确定轴套总长度。轴套的总长度一般比原来的总长度稍稍长一点。因为考虑到轴套尾端部分要伸出密封压盖5～10mm左右，以利于安装方便。尺寸根据设计的密封压盖厚度而定。

(3)确定传动套或弹簧座在轴套上的定位尺寸D：D=L-[H-K-(5-10)+l]。

1.填料箱平面2.填料箱壳体3.填料内套4.轴套5.轴6.密封圈E.内套端面H.填料箱深度L.套筒长度

(4)轴套与轴的密封。轴套与的形圈轴的密封可采用聚四氟乙烯车制成直径为3mm的O形圈来进行密封。安装机械密封的轴套，要求具有良好的抗腐蚀性和耐磨性，对于放置动环密封圈的轴套表面要求镀铬处理，表面粗糙度为0.8。

(5)密封压盖结构尺寸的确定。机械密封的静环装在压盖上。压盖上安装静环的各种配合尺寸均按静环的几何尺寸进行设计，结构可参照机械密封有关资料。

3.改造技术要求

(1)安装机械密封部位的轴或套。轴或套的径向跳动0.04～0.06mm；表面粗糙度不低于0.8，轴或套外径尺寸公差为h7；密封轴套端部必须做倒角并修光滑。

(2)密封压盖。密封压盖应有足够的厚度，防止在液体压力作用下产生变形；密封压盖固定螺栓不少于3个；与静环密封圈接触部位的表面粗糙度不低1.6，其接触面对轴中心线跳动允差±0.04mm；安装静环密封圈的端部必须做倒角并修光滑。

(3)转子。瞬时轴向窜动量不超过±0.15mm；轴向游动量不超过±0.1mm轴振动量不超过±0.05mm。

(4)密封腔。密封腔与密封压盖配合的止口跳动允差为0.04～0.08mm；密封腔与密封压盖配合的端面跳动允差为0.06～0.08mm。

三、机械密封结构改造

将图2中C处密封面是机械密封最容易发生泄露处，而锥面机械密封特别适合于含有固体悬浊物的泵送设备，因此将C处改为锥面密封，如图4所示。静环材料为填充聚四氟乙烯，动环材料为不锈钢，锥面喷涂碳化钨。其主要特点为：

锥面机械密封的动环为一锥环，其半锥角为α；静环的内径。在设计中注意G与接触母线T的关系，当锥面机械密封的静环磨损后，接触母线长度T不断增加，使得载荷系数G不断减小。所示为接触母线长度T与载荷系数G的关系曲线，运转过程中，静环磨损和G值降低所造成的卸载，使密封比压pc降低。由此而产生泄漏时，必须通过调节弹簧压缩量(弹簧加载)来维持足够的密封比压。

机械密封在运转中，弹簧一般不再进行调整。弹簧在锥面机械密封中起着补偿密封环磨损卸载和G值降低卸载双重作用，设计中正确确定弹簧比压是保证密封性能和使用寿命的重要一环。

四、结束语

改造后的密封结构，密封可靠，泵在运转中基本不漏，调节维护方便。提高了密封性能，延长了运行周期，节省了检修费用。经过上述改造之后的污水泵运行良好，延长了设备的连续运行时间。

参考文献：

[1]郝木明，顾永泉.密封填料的粘弹特性及其对密封性能的影响[J].化工机械，1995，22(5)：277–282.

[2]赵丹峰.污水泵用软填料密封改造[J].化工机械，2008，35(4)：244-245.

[3]田应雄，徐德东.关于液下污水泵轴封结构的改造[J].通用机械，2008.73-74.

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摘要：离心泵是目前国内外化工企业最常用的设备之一，离心泵最主要采用的密封方式为机械密封，本文介绍了机械密封的作用及工作原理，对机械密封的泄漏原因分析和预防措施进行了重点讨论。

关键词：离心泵；机械密封；设备；泄漏；预防；弹性元件；静环；动环

Improvement of Piston system and Lubricate system for TZP 2000 lye Pump

LIU Fei

(No.2 Aluminum Oxide Plant, Zhongzhou Branch, China Aluminum Industry Co., Jiaozuo, Henan 454100, China)

【Abstract】At present，centrifugal pump is one of the most commonly used equipment at home and abroad,mechanical seal is the most popula sealed for centrifugal pump, describes the role of mechanical seal and works, mechanical seal leakage reasons analysis and prevention measures for the focus of discussions.

【Key words】centrifugal pump、mechanical seal、equipment、 leak、 prevent、elastic background、stationary seal ring、Rotary Face

前言：

离心泵是目前国内外化工企业最常用的设备之一，它兼有流量大、连续性强、扬程和工作效率高等优点，离心泵为企业立下了汗马功劳。据我国石油化工行业统计，80%以上的离心泵采用的密封方式为机械密封。由于工况条件的不同，离心泵在输送物料过程中，经常出现机械密封处物料的泄漏，给环境造成污染，并造成能源的浪费。目前，如何控制机械密封的泄漏，成了本企业急需解决的重大难题。

一、离心泵工作原理及机械密封装置的作用

离心泵通过电机、联轴器，使其叶轮高速旋转，在叶片之间的液体受到叶片的推动，在离心力的作用下，不断地从中心被甩向四周，当泵内液体从叶轮中心被抛向边缘时，中心处形成了低压区，由于进泵前的液体压强大于泵吸入口处的压强，在压强差的作用下，液体便经吸入管连续地吸入泵内，以补充被排出液体的位置，只要叶轮不停地旋转，液体便不断地吸入和排出。

泵轴穿过泵壳时，动静之间有间隙存在时，泵内的液体就会从间隙漏至泵外，我厂离心泵的主要工作介质为含有高浓度苛碱的矿浆，如果泄漏则会污染环境，若吸入端是真空，则外界空气会漏入泵内，严重影响泵的工作，为了减少泄漏，一般在动静间隙处装有轴端密封装置。轴封装置是离心泵的重要部件，它直接关系到离心泵能否正常工作。现在轴封装置一般采用机械密封。

二、机械密封原理

机械密封是一种依靠弹性元件对动、静环端面密封副的预紧和介质压力与弹性元件压力的压紧而达到密封的轴向端面密封装置。(如下图)

l静环 2动环 3动环密封圈 4推环 5弹簧 6传动座 7静环密封圈 8压盖 9垫片

机械密封通常由静环、动环、压紧元件和密封元件组成。动环和静环的端面组成一对摩擦副，动环靠密封室中液体的压力使其端面压紧在静环端面上，并在两环端面上产生适当的比压和保持一层极薄的液体膜而达到密封的目的。压紧元件产生压力，可使泵在不运转状态下，也保持端面贴合，保证密封介质不外漏，并防止杂质进入密封端面。密封圈起密封动环与轴的间隙、静环与压盖的间隙的作用，同时对泵的振动、冲击起缓冲作用。机械密封在实际运行中不是一个孤立的部件，它是与泵的其它零部件一起组合起来运行的。

三、机械密封泄漏的原因分析

新安装(或更换)的机械密封投入运转时泄漏量应在允许范围内。如果密封本身的结构、制造质量、安装和使用等方面都无问题，其寿命要超过 8oooh。实际工作中，不少密封的使用寿命远没有达到该值前就失效了，这是由于工艺条件、设备运行状况和操作存在一定的问题造成的。我厂离心泵主要的运输介质是：温度为95°左右的矿浆； 240g/L的苛碱；固体颗粒≤3mm。根据近几年来机械密封运行工况和失效后的拆检情况来看，其常见原因如下：

1、密封环热裂纹

机械密封拆开时可发现，硬环表面有过热回火色，石墨环表面有环状沟纹、橡胶圈老化等。

主要原因是：①由于介质温度过高泵体内形成汽蚀，汽蚀发生后，水力冲击带动密封做迅速的轴向振荡，使动静环及辅助密封圈等零件严重的磨损，使机械密封装置损坏。②不良，密封环端面没有形成液体膜或密封环端面间液膜汽化，形成干摩擦；③冷却系统散热不良；

2、离心泵的振动

由于制造和安装精度等原因，所有的离心泵都存在着振动。振动的原因主要为转子不平衡、机泵不同心、滚动轴承故障等。从轴承箱表面测到的最大振幅不能大于0.06mm，超过该值就要停泵处理。振动可分解为三个方向：垂直、水平和轴向，其中以轴向振动对密封的危害最大。当泵振动加剧时，动静环之间发生分离。瞬间的分离在液膜压力作用下致使密封面开启，出现大量泄漏，如果这时介质中固体颗粒含量超过5%时，由于振动引起端面分离，颗粒嵌入较软的石墨环端面，造成硬质环密封面的过度磨损。拆卸检查时可发现，在硬密封面上有清晰的摩擦痕迹，进入固体颗粒时有划痕。

3、弹性元件失弹

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关键词：离心泵 机械密封 失效 措施

机械密封是一种应用广泛的旋转轴动密封，具有密封性好、使用寿命长、运转中不用调整、功率损耗小、密封参数高等优点，是旋转设备上最主要的轴封方式。因此机械密封的运行好坏直接影响泵的可靠运行及装置的连续生产。

一、机械密封工作原理及基本结构

机械密封是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。（图1）

1—静环；2—动环；3—弹性元件；4—弹簧座；5—紧定螺钉；6—动环密封圈；7—防转销；8—静环密封圈；9—压盖

机械密封主要由静环、动环、弹性元件及辅助密封机构组成。静环和动环组成一对密封端面（摩擦副），动环靠密封室中液体的压力使其压紧在静环端面上，并在动环与静环端面上产生适当的比压和保持一层极薄的液膜而达到密封的目的。弹性元件产生压力，可使泵在非运转情况下也保持密封端面贴合。保证密封介质不泄漏，并防止异物进入密封面。辅助密封起密封动环与轴的间隙、静环与压盖的间隙及压盖与壳体间隙的作用，同时对泵的振动、冲击起缓冲作用。机封在实际运行中是与泵其它零件一起组合运行的。通过机械密封原理看出，机封的正常运行是有条件的。只有消除如：泵抽空或者气蚀，摩擦副端面不能形成正常的液膜或者液膜的稳定性不好；机械密封处的轴振动过大，密封端面受力不均等原因。才能达到良好的密封效果。

二、机械密封失效原因分析

机封投入正常运转时，机封的泄漏量应该在允许范围内。在其本身结构、质量、安装和使用等方面无问题的条件下，其使用寿命应该在24000小时左右。在实际工作中，机封的使用寿命在没达到该值的情况下就已失效，这是由于工艺条件、设备运行状况、操作条件和安装质量存在一定问题造成的。

1.泵抽空或汽蚀

抽空现象是由于泵在启动前没有灌泵或者灌泵不充分、不满液或介质大量汽化，在性能上表现为出口压力趋近于零，摩擦副因干或半干摩擦而产生磨损失效。拆卸时发现动静环表面有环状沟纹、密封圈老化等现象。

由于介质温度过高，介质在叶轮入口的低压区气化或气泡逸出，当气泡随液体流至高压区时又产生凝聚或气泡破裂，瞬间内周围的液体以极高的速度冲向原气泡所占的空间，造成液体互相撞击，在冲击点处形成极大的压强。这种现象称为汽蚀。其特点是离心泵运转中产生激烈的水力冲击，表现泵出口压力有较大幅度的波动。汽蚀发生后，水力冲击带动密封做迅速的轴向振动，使动静环及辅助密封等零件严重磨损。拆卸检查时发现，弹簧卡住、静环离位、辅助密封圈损坏、密封端面严重磨损及石墨环断裂的现象。

2.泵振动过大

由于制造和安装精度等原因，所有离心泵都存在着振动。振动原因主要为转子不平衡、泵与电机不同心等振动可分解为垂直、水平和轴向，其中以轴向振动对机封的危害最大。当振动加剧时，动静环之间分离。瞬间的分离在液膜压力作用下致使密封面开启，出现大量泄露，如果在这瞬间摩擦副附近介质中含有固体颗粒，进入密封端面间，会导致密封端面损坏。

3.泵轴弯曲

机封是一种旋转轴向的接触式动密封。它是在流体介质和弹性元件的作用下，两个垂直于轴线的密封端面紧密贴合、相对旋转，从而达到密封效果，因此要求两个密封面之间要受力均匀。如泵轴弯曲，运转时在机械密封安装处产生较大的挠度，使密封面之间的受力不均匀，导致密封发生泄漏。

4.辅助系统方面

机封的辅助冲洗系统可以有效地保护密封面，起到冷却、等作用。如果泵运行后，冲洗系统没有进行投用或者密封冲洗液水量不足，密封端面处于干摩擦状态，导致机封严重损坏。

5.操作方面原因

启动离心泵时，如果没有灌泵或者排气不充分，冲洗系统不正常投用，都将会导致机封失效损坏。

三、采取的措施

1.消除泵抽空和汽蚀的措施

1.1降低介质温度保证介质不大量汽化。

1.2对于凝结水泵，提高泵入口静压，保持不低于凝结水罐液位的1/3。

2.消除泵振动过大的措施

2.1转子部分

转子径向跳动量不超过0.03～0.05mm.

2.2与电机的同心度

电机单独运转时振幅不超过0.03mm；工作温度下泵与电机的同心度。轴向≦0.08mm，径向≦0.10mm.

2.3泵运转时振动值最大不超过0.06mm。

2.4操作维修调节时，严格执行相关规程，消除振动源。

3. 消除泵轴弯曲的措施

3.1转子做动平衡，无法校正的更换新轴。

3.2及时更换磨损轴套，避免加剧轴弯曲。

4. 消除辅助系统方面的措施

4.1对于没有冲洗系统的泵，经过长期停用，在再次启动前，应拆卸检查机封有无卡阻现象，清洗后在使用。

4.2有自冲洗的机械密封，应定期检查冲洗管路，如有堵塞情况，及时清理。

5.消除其他方面的措施

5.1严格执行设备操作规程，按照规程进行操作。

5.2有外冲洗的机械密封，在启泵前一定要打开冷却水，保证流量和压力。

四、结语

机械密封失效，除自身原因外还有工况条件、运行状态和操作安装等其他方面的原因，在实际生产中，通过观察机封的运行及磨损情况，详细分析原因，逐一消除，这样才能保证密封长期可靠地运转。

参考文献

[1]袁周 黄志坚主编.工业泵常见故障及维修技巧.北京：化学工业出版社，2008.

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【关键词】离心泵；机械密封；泄漏

在化工生产中，常常需要将流体从低处输送到高处、从低压输送至高压，或沿管道送至较远的地方。为达到此目的，必须对流体加以外功，以克服流体输送过程中的阻力。为流体提供能量的机械成为流体输送机械，根据工作原理的不同通常分为四类，即离心式、往复式、旋转式及流体动力作用式。而离心泵即为流体输送机械中最为常见的一种动力机械。离心泵具有结构简单、流量大而均匀、操作方便的优点。而机械密封则是这种流体输送机械的轴封装置，具有泄漏量小和寿命长等优点。

1 机械密封故障现象及分析

泵用机械密封种类繁多、型号各异，但泄漏点主要有五处：轴套与轴间的密封；动环与轴套间的密封；动、静环之间的密封；静环与静环座间的密封；密封端盖与泵体间的密封。

一般来说，轴套外伸的轴间、密封端盖与泵体间的泄漏比较容易发现和解决，但需细致观察，特别是当工作介质为液化气体或高压、有毒有害气体时，相对困难些。其余的泄漏直观上很难辨别和判断，须在长期管理、维修实践的基础上，对泄漏症状进行观察、分析、研判，才能得出正确结论。

1.1 安装静试时泄漏

机械密封安装调试好后，一般要进行静试，观察泄漏量。如泄漏量较小，多为动环或静环密封圈存在问题；泄漏量较大时，则表明动、静环摩擦副间存在问题。在初步观察泄漏量、判断泄漏部位的基础上，再手动盘车观察，若泄漏量无明显变化则静、动环密封圈有问题；如盘车时泄漏量有明显变化则可断定是动、静环摩擦副存在问题；如泄漏介质沿轴向喷射，则动环密封圈存在问题居多，泄漏介质向四周喷射或从水冷却孔中漏出，则多为静环密封圈失效。

1.2 试运转时出现的泄漏

泵用机械密封经过静试后，运转时高速旋转产生的离心力，会抑制介质的泄漏。因此，试运转时机械密封泄漏在排除轴间及端盖密封失效后，基本上都是由于动、静环摩擦副受破坏所致。

引起摩擦副密封失效的因素主要有：

（l）操作中，因抽空、气蚀、憋压等异常现象，引起较大的轴向力，使动、静环接触面分离；

（2）对安装机械密封时压缩量过大，导致摩擦副端面严重磨损、擦伤；

（3）动环密封圈过紧，弹簧无法调整动环的轴向浮动量；

1.3 正常运转中突然泄漏

离心泵在运转中突然泄漏少数是因正常磨损或已达到使用寿命，而大多数是由于工况变化较大或操作、维护不当引起的。主要有：

（1）抽空、气蚀或较长时间憋压，导致密封破坏；

（2）对泵实际输出量偏小，大量介质泵内循环，热量积聚，引起介质气化，导致密封失效；

（3）回流量偏大，导致吸人管侧容器（塔、釜、罐、池）底部沉渣泛起，损坏密封。

2 机械密封失效原因分析与维修

2.1 周期性渗漏

（1）泵转子轴向窜动量大，辅助密封与轴的过盈量大， 动环不能在轴上灵活移动。在泵翻转，动、静环磨损后，得不到补偿位移。

对策：在装配机械密封时， 轴的轴向窜动量应小于0.1mm ， 辅助密封与轴的过盈量应适中， 在保证径向密封的同时， 动环装配后保证能在轴上灵活移动（把动环压向弹簧能自由地弹回来）。

（2）密封面油量不足引起干摩擦或拉毛密封端面。

对策：油室腔内油面高度应加到高于动、静环密封面。

（3）转子周期性振动。原因是定子与上、下端盖未对中或叶轮和主轴不平衡，汽蚀或轴承损坏（磨损） ，这种情况会缩短密封寿命和产生渗漏。

对策：可根据维修标准来纠正上述问题。

2.2 由于压力产生的渗漏

高压和压力波造成的机械密封渗漏由于弹簧比压力及总比压设计过大和密封腔内压力超过3MPa时，会使密封端面比压过大，液膜难以形成，密封端面磨损严重，发热量增多，造成密封面热变形。

对策：在装配机封时， 弹簧压缩量一定要按规定进行， 不允许有过大或过小的现象， 高压条件下的机械密封应采取措施。为使端面受力合理， 尽量减小变形， 可采用硬质合金、陶瓷等耐压强度高的材料， 并加强冷却的措施， 选用可用的传动方式，如键、销等。

2.3 由于介质引起的渗漏

大多数潜污泵机械密封拆解后， 静环和动环的辅助密封件无弹性， 有的已经腐烂， 造成了机封的大量渗漏甚至有磨轴的现象。由于高温、污水中的弱酸、弱碱对静环和动环辅助橡胶密封件的腐蚀作用，造成了机械渗漏过大， 动、静环橡胶密封圈材料为丁腈―40 ，不耐高温，不耐酸碱，当污水为酸性碱性时易腐蚀。

对策：对腐蚀性介质， 橡胶件应选用耐高温、耐弱酸、弱碱的氟橡胶。

3 结论

以上总结了机械密封比较常见的泄漏原因以及维修对策。机械密封本身是一种要求较高的精密部件， 对设计、机械加工、装配质量都有很高的要求。在实际使用过程中，应综合考虑机械密封失效的各种因素，使装配的机械密封适用于离心泵的技术要求和工艺要求，保证机械密封长期可靠地运转。

【参考文献】

[1]顾永泉.机械密封实用技术[M].北京：机械工业出版社，2002.

篇10

关键词 改造;机械密封;节能;降耗

中图分类号TH311 文献标识码A 文章编号 1674-6708(2010)25-0158-02

1 泵结构简介

目前,上海市自来水闵行有限公司第二水厂所用的RDL500-700A2出水泵是由凯士比生产的,此类泵是RDL型单级双吸离心清水泵,主要零部件有泵体、泵盖、叶轮、轴、双吸密封环、轴套、联轴器等组成。主要性能参数为:流量2 300m3/h,额定扬程40m水柱,轴径130mm,额定功率400kW。上海市自来水闵行有限公司第二水厂二期41号机组原配为机械密封轴封形式,同样为RDL系列卧式离心泵,其机械密封形式值得借鉴,从侧面也能证明21号机组机械密封改造能够获得成功。

2 泵的现场运行介绍

该泵是为闵行区内的自来水管网提供送水作用。工作介质为自来水,无固体杂质,水质的PH值为7左右,常温。此种泵在机组里装有3台,1台备用,平日工作时扬程在28m~32m。

3 RDL500-700A2出水泵的改造过程

3.1 轴封改造的背景

随着机械密封技术不断创新,新材料、新工艺、新产品不断涌现,机械密封在高速、正压、非生水水泵应用较为普遍和成熟,机械密封的寿命由1年延长到2年,甚至更长。填料密封已不能满足较高的密封要求,而机械密封技术的快速发展,加快了填料密封的淘汰速度。再者目前的大环境也要求技术改造的同时充分考虑节能降耗效果。

3.2 机械密封选型设计

目前,市面上广泛被离心泵采用的机械密封有两类,一类是集装式机械密封,另一类为分离式机械密封,两类机械密封的区别见表1。

根据上表的比较,我们确定选取集装式机械密封作为21号机组轴封改造的选型。同时,根据上海市自来水闵行有限公司第二水厂出水泵的实际运行工况和工作介质的性质和参数,选配上海博格曼有限公司生产并应用比较广泛的CARTEX型机械密封。CARTEX型机械密封的性能如下:

1)应用工况:清水介质;

2)运行参数:温度为常温;

转速为1 000RPM以下;

压力为0.5MPa以内。

可以看出, CARTEX型机械密封完全适合我厂出水机组的运行工况。

CARTEX型机械密封的结构特点:弹簧内置式集装型机械密封,介质与弹簧隔离,有效地提高了机械密封在恶劣工况的使用寿命,进一步扩大了机械密封的适用领域,采用小弹簧,使密封断面受力均匀。集装式设计,大大减少了安装、调试难度,便于安装。可根据客户具体连接尺寸设计,平衡设计可使用在压力较高场合。CARTEX型机械密封的简单易用,也是我们选择它作为改造所用机械密封的原因之一。

3.3 改造加工过程

3.3.1 加工机械密封

根据轴套和盘根室尺寸及压盖螺栓孔中心距确定机械密封的形式为静止、非平衡、单端面、多弹簧型,各部件材质应用如下:

1)静环:碳化硅;特点:高硬度,使用寿命长;

2)动环:石墨;特点:硬度适中,导热及性能良好;

3)辅助密封:乙丙橡胶;特点:耐磨、抗撕裂,使用寿命长(忌油);

4)弹簧:1Cr18Ni9;

5)金属部件:304不锈钢;

6)垫片:V氟橡胶。

3.3.2 加工轴套

材质选用的是1Cr17钢。(由KSB提供官方配件)。

3.3.3 安装

详细安装步骤如下:

1)对泵体本身结构不做任何改动;

2)将填料腔外端面的压盖螺栓孔由2个增加至4个,以保证机械密封安装时压盖受力均匀;

3)在填料腔和压盖直接增加一层垫片,确保压盖的密封性能;

4)取消填料、分水环、填料压盖;

5)保留原有的外部循环管路系统,该系统仅在启动时使用,正常运行时可关断填料腔冷却水;

6)从机械密封内冲洗口接一根公称通径8mm管子并入原卸压孔,并安装球阀进行控制。

整个安装过程简单,实际安装时间仅仅两工作日,加上调试以及机组解体、组合的时间,在1周内完成所有改造工作。

4 效果分析

4.1 设备经过机械密封改造后,明显具备以下优点

1)不再需要调节冷却水,机械密封靠内循环水冷却,降低了操作工的操作强度,节约了冷却水;

2)不再会因为填料老化而出现设备故障,设备运行安全性得以提高;

3)水泵日常保养周期大大延长,每两年更换密封圈即可,检修工作量和难度大为减少;

4)不再存在填料的二次污染;

5)生产现场不再出现盘根甩水造成的脏乱现象。

4.2 设备改造后节能效果分析:

4.2.1 节能效果验证方法

水泵轴封经过改造成机械密封形式,节能角度从原理上讲仅仅避免(减少)了泵壳泄漏以及填料和泵轴之间摩擦所造成的能量损耗,节能效果不会特别明显。为了检验机械密封改造的节能效果,我们对21号机组运行数据进行了详细统计,取了100组数据,改造前后各50组,统计的数据包括:流量(m3)、压力水量(m3/MPa)、电量(kwh),通过计算出水单耗(kwh/Kt),配水单位电耗(kwh/KtMPa)来验证效果。

4.2.2 节能效果验证过程

从图1和图2可以看出,机械密封安装前后,机组的出水单耗和配水单位电耗没有显著的变化,数据均在基本相同的区间来动。为了进一步明确节能效果,我们对统计的数据进行了平均化处理(以压力为参照物),并作对比,如图3。

从图3可以明显看出,机械密封安装以后,在相同的压力条件下,机组的出水单耗变化在1%左右,节能效果如预期,并不明显。

4.2.3 改造经济效益核算

虽然通过统计,21号机组经过轴封改造,节能效果并不明显,但是积水成渊,在机械密封的使用寿命内,累计下来节约的费用仍然是一笔不小的费用:

1)通过更换机械密封,显而易见将省下原先更换填料的费用。以目前的填料使用情况来计,机组每年至少系统更换1次盘根填料, 重量在3kg左右,加上日常保养所更换的数量,一年合计在大约4kg。目前,采购的GFO材质填料每公斤价格为0.1万元左右,由此可计算出每年节约的填料费用为0.4万元。

2)更换机械密封的同时也更换了水泵的轴套,等于节约了一套不锈钢轴套的费用。KSB原产不锈钢轴套,材质为1Cr17,价格在2万左右,使用寿命为3年(根据官方手册),这样折算下来每年可节约轴套费用0.7万元。同时更换了机械密封,轴套基本不存在磨损,长远来看节约的成本更高。

3)节约电费:以节约用电1%为标准,一期出水设备情况为2用1备,同时考虑到调度的关系导致一期出水系统不是24h满负荷运行,如果以70%负荷计,则该机组一年运行时间为365x24x0.66x0.7=4 047.12小时,取4 000h计算。机组配套功率为400kW,通常耗电量为每小时360度左右,取360kW为轴功率,如此一年可节约用电360x4 000x0.01=14 400kwh,目前工业用电的平价单价为0.67元/度,以此计则每年可节约电费约1万元。

4)其它费用:轴封改造后节省的降低工人劳动强度及降低设备检修难度和工程量的隐性成本。

目前,行业上机械密封的寿命一般以3年做计算,3年的话,可节约成本6万余元,已经和更换机械密封的投资金额相当,其中还不包括节约的隐性成本。此外21号机组运行环境好,采用的机械密封为国际一线品牌、质量好,相对来说使用寿命将会远远大于3年,以41号机组为例,至今已经使用4年,还未发生任何轴封故障。3年后该机械密封继续运行的话,就等于是直接为企业降低了运行成本。