机械密封技术及发展趋势

机械密封技术及发展趋势

摘要：文章介绍了常用机械密封技术及结构和目前先进的机械密封应用技术主要有密封端面改形技术、控制平衡比密封技术、组合密封技术、可控机械密封技术。分析了随着科技的发展，对机械密封技术的发展要求及机械密封技术的发展趋势。

关键词： 机械密封技术；发展；趋势

1 引言

在石油和石油化工工业中, 有近90%的旋转设备采用机械密封。机械密封的第一个专利于1885年出现在英国, 1900年机械密封开始应用于轴承密封, 1913 年有了双端面机械密封专利,1919年出现了单端面机械密封专利。二战后, 机械密封技术在美国得到了迅速发展, 英、法等国也开始生产机械密封;磨擦副材料也得到了很大的改进, 出现了陶瓷、石墨和硬质合金材料, 加工精度也大为提高；同时, 在结构上出现了平衡型机械密封、中间环密封等。近半个世纪以来, 随着人们对环境保护的日益关注, 要求机械密封向零逸出、高可靠性、长寿命、低磨损的方向发展。

机械密封是一种用来解决旋转轴与机体之间密封的装置。常用于泵、压缩机、反应搅拌斧等旋转式流体机械，也用于齿轮箱、阀门、旋转接头、船舶尾轴等密封。因此，机械密封是一种常用的轴封装置。

2 机械密封技术简介

2.1机械密封结构

机械密封安装后，依靠弹簧的弹力，以克服补偿环辅助密封圈与轴之间的摩擦阻力，使补偿环端面紧紧地贴住非补偿环的端面。此时，有初始闭合力存在。当主机开始工作时，密封腔充满了压力流体，而产生更强有力的轴向推力，使密封端面贴合更紧密。由于端面的平面度高和粗糙度小，在压力流体的作用下，相对滑动的端面间便出现了边界摩擦或半液体摩擦状态，足以防止压力流体的明显泄漏，实现了主密封。

机械密封的结构多种多样，最常用的结构如下图所示:

图1所示机械密封的补偿环组件处于旋转状态，这是机械密封的常用型式，称为旋转式机械密封（即补偿弹簧和主轴固定并随之一起旋转）。但是，在高速情况下，圆柱螺旋弹簧会因离心力而失效。此时，应采用静止式机械密封。静止式机械密封的结构和布置与旋转式机械密封相反，它的补偿环组件则安装在与机体连接的带有假轴套的弹簧座上（（即补偿弹簧组件和机体固定在一起）;而非补偿组件则安装在与轴连接的轴套上，其作用完全与旋转式机械密封相同。

2.2机械密封特点

1.密封性好:机械密封的泄漏量通常可控制在3-5mL/h;与填料、螺旋等密封相比，泄漏量少得多。

2.使用寿命长:与填料、橡胶油封相比，机械密封的使用寿命要长得多。

3.无需经常调整:由于机械密封具有补偿机构，正确安装后，不像填料密封需经常调整。

4.功率损耗小:由于机械密封的端面接触面积小，摩擦功率损耗小，仅为填料密封的20%-30%。

5.轴(轴套)表面不易磨损:由于机械密封与轴(轴套的接触部位几乎没有相对运动，因此对作轴(轴套)的损伤较小。

6. 抗振性强，缓冲性好:由于波纹管式和全补偿式机械密封的发展，

使机械密封

具有更好的抗振性，从而保证了它在恶劣工况下使用的可靠性。

7.性能参数高，使用范围广：选择适当结构形式和匹配的摩擦副材料，并完善密封系统，就能使机械密封广泛用于各种工况，如高温、低温;高速、低速;高压、真空;强腐蚀;无宏观泄漏等工况。

同时机械密封也存在一些缺点，主要是:

①结构复杂:不同工况要使用不同结构形式，品种多且要用不同材料制成。 ②装配稍难，更换不变，特别是运转不正常时，采取应急措施较困难。

③价格较贵:机械密封的价格往往是填料、油封等密封价格的数倍、数十倍，以总体经济效益相比，却并非如此。

3 先进的机械密封技术

为了满足机械密封向零逸出、高可靠性、长寿命、低磨损的方向发展的要求, 出现了采用新材料和新工艺的各种机械密封技术。目前先进的机械密封应用技术主要有密封端面改形技术、控制平衡比密封技术、组合密封技术和可控机械密封技术。

3.1 密封端面改形技术[ 1]

密封端面改形技术就是通过在密封端面上开各种形式的槽来改善端面间的润滑情况, 从而实现机械密封的长寿命运行, 它是当今机械密封领域的高新技术。

3.1.1 干运转气体密封技术[ 2]

干运转气体密封是将开槽密封技术用于气体密封, 属于非接触密封。其作用原理可用图1来说明:在干气密封的一个密封环端面外侧加工有均匀分布的

2.5 ～ 10 μm的动压槽, 当动环旋转时, 流体动压槽把外侧的高压隔离气泵入密封端面之间, 由外径至槽根部气膜压力逐渐增加, 而自槽根部至内径处气膜压力逐渐下降, 因端面膜压增加使所形成的开启力大于作用在密封环上的 闭合力, 在磨擦副之间形成很薄的一层气膜, 从而使密封工作在非接触状态下, 所形成的气膜完全阻塞了相对低压的密封介质泄漏通道, 实现了密封介质的零泄漏或零逸出。

这种密封运行无磨损, 功耗小；泄漏量小, 可实现零泄漏或者零逸出;结构相对简单,无需复杂的封油系统,安装维护费用低;系统可靠, 可实现长周期稳定运行。

干气密封端面的槽形主要分单旋向和双旋向两大类。

单旋向槽型只可使用于单向旋转的转动设备,在要求的旋向下才可产生开启力, 如反转则产生负的开启力而可能导致密封的损坏。但相对于双旋向的槽型, 它可形成更大的开启力和气膜刚度, 产生更高的稳定性而更可靠的防止端面接触。故在很低的转速下和较大的振动下也可使用,在目前也是使用最多的。

双旋向槽型无旋向要求,正反转皆可使用。转子的反转不会造成密封的损坏。其使用范围较单旋向槽宽,但其稳定性、抗干扰能力较单旋向差。

3.1.2 上游泵送密封

上游泵送密封的工作原理与干气密封类似,是借助密封环端面内侧开设的流体动压槽在旋转条件下的粘性剪切作用把液体泵入密封端面之间, 使液膜的压力增加并把两密封端面分开;与干气密封不同之处在于, 上游泵送密封的端面液体动压槽是把由高压侧泄漏至低压侧的被密封液体重新反输至高压侧, 以消除密封介质由高压侧向低压侧的泄漏。

3.1.3 端面开深槽[ 3]

流体静压型机械密封端面开深槽流体静压型机械密封是在密封端面上开出几组深度达几毫米的凹槽(或孔)和压力介质引入孔,

将密封流体或外界润滑流

体引入密封端面, 从而对密封端面进行充分润滑和冷却。在结构上有自加压凹槽式和外加压凹槽式等。自加压凹槽是在非旋转环的外周开若干个小孔并与端面开出的环形凹槽相通, 从而将被密封的压力介质引入密封端面;外加压凹槽是非旋转环圆周外的小孔不与密封介质相通, 而与外界起润滑作用的流体源相通, 将外界流体引入密封端面进行润滑和冷却。端面开深槽流体静压型机械密封,由于压力介质引入端面, 平衡了闭合力, 从而使两端面分开成为非接触型机械密封, 尽管泄漏量比较大, 一般为每小时几百毫升, 远大于常规机械密封泄漏量, 但仍广泛用于高压、高速、高温等普通机械密封难于胜任的工况。

3.2 控制平衡比密封技术

机械密封流体压力作用的有效面积与密封面名义接触面积之比称为机械密封的面积比, 国外称之为平衡比。平衡比对机械密封的性能和寿命有着重要影响。平衡比选择不当或者由于工况变化(如密封介质压力变化)导致平衡比偏离正常操作许用值, 都将导致最终的密封失效。主要有以下几种通过控制平衡比来保证密封可靠有效的机械密封技术, 即恒平衡比密封、变平衡比密封和零平衡比密封。

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