淺談機(jī)械密封原理及使用

宋道明

摘要：密封在過(guò)程裝備中起到非常重要的作用，密封件的選型和應(yīng)用在化工作業(yè)中一直是非常關(guān)鍵的一環(huán)。本文說(shuō)明了常用的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)及工作原理，介紹了機(jī)械密封的選用方法，提出其端面平整度的檢測(cè)方法，并重點(diǎn)說(shuō)明了機(jī)械密封的安裝注意事項(xiàng)，對(duì)機(jī)械密封的選型和使用具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：機(jī)械密封 結(jié)構(gòu) 工作原理 端面平整度 安裝

一、機(jī)械密封結(jié)構(gòu)及原理

機(jī)械密封也稱為端面密封，根據(jù)國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)定義為：一種防止流體泄漏的裝置，由至少一對(duì)垂直于旋轉(zhuǎn)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(duì)滑動(dòng)。機(jī)械密封是一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械，如離心泵、反應(yīng)釜及壓縮機(jī)等的軸封裝置[1]。

機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)多種多樣，最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示，機(jī)械密封安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，密封腔內(nèi)裝有補(bǔ)償環(huán)。

機(jī)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(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，彈簧座，彈簧壓板，移動(dòng)環(huán)等一起旋轉(zhuǎn)，并且移動(dòng)環(huán)由于彈簧力而緊緊地壓在靜環(huán)上。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，移動(dòng)環(huán)與軸一起旋轉(zhuǎn)，固定環(huán)固定在框架上靜止，使得移動(dòng)環(huán)的環(huán)形密封面和固定環(huán)相接觸，從而阻止介質(zhì)泄漏。

A通道是動(dòng)態(tài)密封，移動(dòng)環(huán)和固定環(huán)的端面相互貼合并保持相對(duì)滑動(dòng)。它是機(jī)械密封中的主要密封，也對(duì)機(jī)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(rùn)滑液膜，必須嚴(yán)格控制端面上的每單位面積壓力，壓力過(guò)大，難以形成穩(wěn)定的潤(rùn)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(zhǎng)的壽命，在設(shè)計(jì)和安裝機(jī)械密封時(shí)，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(dòng)環(huán)與軸（或軸套）之間的密封，當(dāng)端面摩擦磨損后，它僅僅能追隨補(bǔ)償環(huán)沿軸向作微量的移動(dòng)，實(shí)際上仍然是一個(gè)相對(duì)靜密封。因此，這些泄漏通道相對(duì)來(lái)說(shuō)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(bǔ)償環(huán)的動(dòng)環(huán)或靜環(huán)輔助密封，有時(shí)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(jié)構(gòu)[2]。

B通道是移動(dòng)環(huán)與軸（或襯套）之間的密封。 當(dāng)端面磨損時(shí)，它只能跟隨補(bǔ)償環(huán)做微小的軸向運(yùn)動(dòng)，并且實(shí)際上仍然是相對(duì)靜態(tài)的密封。因此，這些通道相對(duì)來(lái)說(shuō)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(shí)使用具有彈性元件功能的特氟隆、橡膠或金屬波紋管的結(jié)構(gòu)作為補(bǔ)償環(huán)的動(dòng)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(jī)械密封選用及端面平面度檢測(cè)

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(jī)械密封的泄漏量與摩擦副的端面的寬度幾乎沒(méi)有關(guān)系，因此不能通過(guò)增加摩擦副的端面寬度來(lái)減少泄漏量。

從力的角度來(lái)看，由于整體強(qiáng)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(chǎng)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(zhì)，高速機(jī)械密封一般采取窄系列（對(duì)于輕烴介質(zhì)，在強(qiáng)度足夠的場(chǎng)合下采取窄系列 ）[3]。

機(jī)械密封端面的平面度對(duì)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(wú)法檢測(cè)到。 光波的干涉效應(yīng)通常用于檢測(cè)摩擦副端面的平面度[4]。 滿足相應(yīng)條件的兩束光的疊加效應(yīng)是：在波程差為波長(zhǎng)的整數(shù)倍的情況下，光強(qiáng)度增強(qiáng); 在波程差是半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍的情況下，光強(qiáng)度減小到零。

三、機(jī)械密封的安裝

機(jī)械密封安裝時(shí)徑向跳動(dòng)應(yīng)≤0.04毫米，軸向竄動(dòng)量不允許大于0.1毫米。

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

其中，Δδ是工作溫度過(guò)盈量，δ是常溫過(guò)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(guò)盈值在滿足傳遞扭矩的情況下取最小值;

（2）對(duì)YG6/1Cr18Ni9Ti，當(dāng)工作溫度為300°C時(shí)，其過(guò)盈量為：

（3）如鑲嵌環(huán)長(zhǎng)期放置，在使用前要檢查其平面度;

（4）對(duì)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(guò)盈量的值可以取大一些。

（5）當(dāng)溫度高于200℃時(shí)， 少用熱裝式結(jié)構(gòu)，否則要對(duì)過(guò)盈量進(jìn)行核算。

四、結(jié)論

本文概述了常用的機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)工作原理及選用方法，說(shuō)明了端面平整度的檢測(cè)方法，并對(duì)機(jī)械密封的安裝方法進(jìn)行了介紹，為機(jī)械密封的選型和使用提供技術(shù)指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫開(kāi)元， 郝振潔. 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)圖例及應(yīng)用[J]. 化學(xué)工業(yè)出版社，2017.

[2] 郝木明. 機(jī)械密封技術(shù)及應(yīng)用[S]. 中國(guó)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(xué)報(bào)，2005.

[4] 聞邦椿. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[J]. 機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[5] 孫玉霞，李雙喜，李繼. 機(jī)械密封技術(shù)[J].化學(xué)工業(yè)出版社，2014.