機械密封結構設計研究

摘 要：機械密封結構的設計對于機械設備的安全運行具有十分重要的作用，文章首先對機械密封結構設計的相關理念進行了概述，進而探討了機械密封結構設計的類型與方式。

關鍵詞：機械；密封；結構設計；要項；方式

引言

機械密封是根據設備輸送的物料性質，壓力，粘度，溫度和設備的轉速來設計的，高溫，有毒物質可設計雙端面機械密封。機械密封系統最常用的材料為不銹鋼、無氧銅與鋁材質，使用不銹鋼法蘭配上無氧銅墊圈來作為接合密封方法，是最簡單且可靠的方式。通常先加熱烘烤機械密封系統至約200°C，維持4小時以上，加熱烘烤時，使用粗抽幫助與渦輪分子幫助抽氣，降溫后改以離子幫助抽氣，可達10-10Torr.的機械密封氣壓值。但在使用有鋁合金法蘭或非圓形法蘭的場合時，就要特別注意小心相關鎖緊扭力與安裝步驟，否則易有漏氣現象。使用鋁合金法蘭在降溫時，因鋁的熱膨脹系數大且散熱快，此時最易導致漏氣現象。而非圓形法蘭最常使用于大型的矩形開口機械密封系統，由于矩形開口面積大，真空力大，法蘭面易有變形產生，且不像圓形法蘭的加工紋路沿圓周方向，大型的矩形開口比較容易有 漏路徑產生，造成漏氣現象。本文主要介紹應用于機械密封系統體常用的密封方式，特別是有鋁法蘭或大型矩形開口機械密封系統的情形下，目前比較實用的密封方法。

1 機械密封的結構設計的類型

1.1 不銹鋼機械設備腔體

就不銹鋼機械設備腔體而言，使用ConFlat型式的不銹鋼法蘭是最常用的密封方式，通常稱呼CF法蘭。兩個不銹鋼CF法蘭配上中間使用OFHC平墊片，烘烤溫度通常加熱至200°C左右，持續加溫幾小時，從4小時到72小時均有人使用，這和腔體干凈度與需求的最后真空度有關，如無特別需求，可最高溫持續8小時。另一種判斷方式是最高溫持續4小時以上，此時再根據真空氣壓是否已經持續下降1小時以上，且均在10-6Torr.以下，通常能達到機械密封狀態。

由于一般表面的摩擦系數約0.1～0.2，可見在同樣的鎖緊扭力下，螺絲所承受的張力有兩倍的差異。較準確的鎖緊方式是CF法蘭刀口壓入OFHC平墊片的深度，但實務上較不實際，使用鎖緊扭力以上即可實現上述要求。雖然比某些廠商提供的鎖緊扭力小，但仍可滿足密封的需求，螺絲的應力也大約維持在降伏強度范圍，當然上述所提的計算的摩擦系數是指螺絲有加上墊片的情況。另外，螺絲鎖緊的順序也會影響密封品質，約需3次以上漸進增加扭力至所需扭力值，且須對稱鎖螺絲，CF廠商型錄均有說明，不在此贅述。常用SUSCF法蘭/OFHC平墊片/SUSCF法蘭的組合，可重復烘烤至250°C不會有漏氣。

1.2 鋁合金機械設備腔體

鋁合金機械設備腔體使用鋁CF法蘭對接時，因為鋁材較軟，鋁刀口部分須鍍一層碳化鈦（TiC）或氮化鉻（CrN）等，以加強硬度，并使用軟質的鋁墊片，螺絲也必須以例Al2XXX系列高強度材質的鋁螺絲，鎖緊扭力較不銹鋼螺絲鎖緊力低。烘烤150°C降溫至接近室溫時需再鎖緊，否則易漏氣，可降溫至約50°C時，此時建議扭力再鎖緊一次螺絲。由于目前制造廠商太少，取得較不易，不建議此種方式。，由于Bi-Metal法蘭方式是由鋁與不銹鋼爆接而成，因此即可根據前述不銹鋼CF法蘭的使用方式來實現密封。

2 機械密封結構設計的方式

2.1 鋁法蘭與不銹鋼法蘭的密封方式

鋁合金機械設備腔體有時受到限制，無法使用Bi-Metal法蘭方式，此時可考慮鋁法蘭與不銹鋼法蘭接合的密封方式，墊片可使用Helicoflex或Diamonds hapegasket。然而，Helicoflex價格較高，使用Helicoflex除表面加工要Ra 0.4～0.8μm的粗糙度外，平坦度（flatness）最好也要1/1000以下，也不可有徑向刮紋，雖可重復使用，但法蘭面若未處理好，比較難密封。使用Diamonds hapegasket，刀尖采用90度角，相關接觸面的表面粗糙度Ra 0.4～0.8μm，價格經濟且可靠性良好。Al2xxxx系列法蘭、Diamonds hape鋁6xxxx系列墊片與SUS法蘭的組合，相對硬度包括HB130、HB55、HB150，可重復烘烤150°C不會有漏氣。Al6xxxx系列法蘭、Diamondshape鋁1050墊片與SUS法蘭的組合，相對硬度包括HB95、HB32、HB150，需烘烤150°C降溫至接近室溫時需再鎖緊，否則易漏氣，如烘烤至200°C。需注意的是，烘烤過程中會出現鋁墊片易有黏在法蘭上現象，這是由于鋁1050-H14墊片太軟，但如使用較硬的鋁墊片時，也有可能傷到鋁法蘭表面。

2.2 大型矩形開口機械設備的密封方式

大型矩形開口機械密封系統雖可使用Helicoflex等前面所提到的方式，但因非圓形，轉角處加工技術要求較高，且加工開口大，受真空力時，法蘭面易有變形產生，容易產生漏氣現象。目前最經濟簡單的方式是采用Wire的方式，采用四條純鋁線，在四個角落處，鋁線交叉重疊即可。

使用這種純鋁Wire的步驟為：法蘭接合表面粗糙度Ra 0.4～0.8μm；腔體長邊先拉緊固定Wire；腔體短邊再拉緊固定Wire；蓋上法蘭時，注意wire很輕、軟，位置不可偏離密合面；用手稍微鎖緊螺絲；從10Nm扭力開始鎖螺絲，每鎖完一輪螺絲后，增加5Nm扭力繼續鎖下一輪；前兩輪采用鎖圓形法蘭的對稱鎖方式；第三輪起，先順時針順序鎖螺絲，再逆時針順序鎖螺絲，依此類推，最終達到50Nm扭力，不可超過55Nm扭力；檢查四個角落的法蘭間隙，如和中間的法蘭間隙差太多；先測漏，如角落有漏氣現象，可再鎖四個角落的那一個螺絲，邊鎖緊邊測漏。

3 結束語

法蘭的密封接觸表面，其表面粗糙度以Ra 0.4～0.8μm為佳，但有些鋁CF法蘭廠商加工至Ra 0.2μm以下，甚至Ra 0.02μm，加工痕跡需沿墊片圓周方向。Al/SUS法蘭或SUS/SUS法蘭對接，只要有一側是鋁法蘭，密封墊片就要使用鋁墊片，但只要有一側是不銹鋼法蘭，螺絲就必須使用不銹鋼螺絲。只要有使用鋁材的密封組合，烘烤的高溫以150°C為準，降溫至接近室溫時，最好再檢查鎖緊一次。法蘭盡量使用不銹鋼材質，鋁合金機械密封系統體最好也搭配使用Bi-MetalAl/SUS法蘭使用。

螺絲的鎖緊扭力是以所使用的墊片材質來決定，因摩擦系數影響法蘭密合力道很大，一般均需用螺絲墊片以避免鎖緊扭力差距太大，且不能光以扭力扳手施予建議的扭力即保證密封力道正確，有時還是要輔以墊片壓縮的情形來判定。鋁螺絲只使用于鋁法蘭對鋁法蘭的情形下，可使用高強度鋁合金Al2024-T4制造鋁螺絲，特別是表面要再電鍍處理，以減少摩擦力。Diamonds hape鋁墊片是經濟與可靠的應用方式，特別使用于鋁合金機械密封系統無法用特別處理的鋁法蘭或Bi-Metal法蘭的情況。鋁Wire則是目前經濟、簡單與可靠的密封大型機械設備密封系統的采用方式。

參考文獻

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