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機械密封的設計與選型
日期：2025-08-10 06:16
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摘要：
100多年來，人們采用填料一類的多種密封材料，使液體從液泵殼體沿著主軸的向外泄漏量不斷減少。盡管現代工藝流程中采用的液泵，仍然廣泛地沿用*古老的密封設計——填料盒，因為其起步費用低，而且又為工廠的工作人員所熟悉。然而，由于環境問題的關系，采用填料密封的方法已逐漸不能被人們所接受，特別是針對現代工藝流程中比較普遍的、腐蝕性較強的液體而言。因此，在實際應用中，以機械密封代替填料密封的情況越來越多。
密封的基本要素機械密封是利用兩個平面互相摩擦運行的原理，達到密封的目的。旋轉密封面安裝于液泵的...
100多年來，人們采用填料一類的多種密封材料，使液體從液泵殼體沿著主軸的向外泄漏量不斷減少。盡管現代工藝流程中采用的液泵，仍然廣泛地沿用*古老的密封設計——填料盒，因為其起步費用低，而且又為工廠的工作人員所熟悉。然而，由于環境問題的關系，采用填料密封的方法已逐漸不能被人們所接受，特別是針對現代工藝流程中比較普遍的、腐蝕性較強的液體而言。因此，在實際應用中，以機械密封代替填料密封的情況越來越多。
密封的基本要素機械密封是利用兩個平面互相摩擦運行的原理，達到密封的目的。旋轉密封面安裝于液泵的主軸上，而固定密封面安裝于密封壓蓋內。由于一個密封面是運動的，而另一個密封面是靜止不動的，因此將這類密封稱之為動態密封。旋轉面與靜止面之間的密封是決定密封性能*關鍵的因素基礎的機械密封，其中有4個泄漏通路需要密封：1.密封面之間的通路;2.旋轉面與主軸之間的通路;3.固定面與壓蓋之間的通路;4.壓蓋與填料盒之間的通路。后兩種泄漏通路一般采用靜態密封，因為兩部分之間不存在相對運動。這部分的密封通常都稱之為三次密封，其密封材料為墊片或與工藝流程液體相適應的O型密封圈。
在較老的密封設計中，位于旋轉面下的二次密封留有一定的間隙，可在主軸上前后運動，因此易于引起磨損和過早失效。然而在較新的密封設計中，二次密封處于靜止狀態，因此可避免在主軸上出現磨損腐蝕問題。在液泵的正常操作中，旋轉面和靜止面之間因填料盒中的液體所產生的壓力而使其保持在密封狀態，在起動和停機時，填料盒的壓力由彈簧產生的壓力維持(甚至可以由彈簧的壓力來代替)。大部分機械密封的設計采用較軟的材料來制作旋轉面，使其在較硬的靜止面上旋轉摩擦。多年來，*通用的組合是利用碳材料作為旋轉面，使其在陶瓷靜止面上運行。
這類材料目前仍在普遍使用，但靜止面則選用不銹鋼或更硬的材料制作，例如碳化鎢或碳化硅。不管采用什么材料，總之在接觸面之間必須保持一層液體薄膜，以起到潤滑的作用。然而，在填料盒內，采用彈簧負載和液體壓力相結合的方式，可以使密封面之間起到很好的密封作用。但密封壓力太高，則會影響接觸面之間形成液體薄膜，導致熱量增加和過早的磨損。如果密封壓力太低，接觸面之間的間隙增大，容易造成液體泄漏。密封制造廠正在不斷地努力提高接觸面的平直度，他們采用特殊的拋光板進行研磨。然后，采用單色光源的光柵板對其檢測。
從這一觀點出發，對這些密封接觸面必須小心處理，并嚴格按照安裝說明，保證密封面得到適當的保護和正確就位，這一點是非常重要的。密封的靈活性選擇主軸的軸向和徑向運動需要與彈簧之間保持一定的靈活性，以保證接觸面之間的密封。然而，只能提供一定程度的靈活性。液泵的機械狀況及其長度直徑比(一種主軸的直徑與其延伸長度之比的衡量方式，比值越低越好)對密封的可靠性起著重要的作用。密封的靈活性一般由一個大型主彈簧和一系列小彈簧或波紋密封裝置提供保證。化學工業所采用的傳統密封設計，其密封壓力施加于旋轉面上，這種密封稱之為旋轉密封，因為彈簧或波紋密封裝置與主軸一起旋轉。比較新穎的設計，其彈簧或波紋密封裝置安裝于靜止面上。在現在的機械密封上，上述兩種密封方式都有非常普遍的應用，這樣對于安裝具有一定的靈活性。早期設計的許多機械密封采用單一的大型彈簧圍繞主軸排列，在液泵起動過程中，可為密封面提供很強的密封力。密封的作用依靠主軸的旋轉來繃緊彈簧卷。后期設計的密封采用一系列較小的彈簧，排列于主軸的周圍，可對密封面產生比較均勻的負荷壓力。由于較小的彈簧可以事先安裝，因此大部分這類密封完全與所泵的液體相隔離。
采用多個較小的彈簧，可對密封面產生比較平均的負荷壓力，因此對堵塞具有更大的敏感性。對許多腐蝕性較強的應用領域，*通用的設計是采用金屬波紋管密封裝置。該波紋管由一系列的金屬圓盤焊接而成，形成一個防止滲漏的波紋密封裝置。采用這一裝置可使密封面之間的密封壓力更加均勻，而且在密封面上不需要增加二次密封，這樣自然就不會產生任何腐蝕磨損現象。圖3金屬波紋管密封裝置一般應用于腐蝕性較強的液體一般來說，雖然其主要的密封壓力依賴于填料盒本身的壓力，但彈簧和波紋管可補償液泵在起動和停機過程中因主軸運動的壓力不足，使密封面始終保持一定的密封壓力。腐蝕磨損問題由于多種原因，例如包括軸承的公差、軸端余隙、振動和主軸偏差，都會使液泵的主軸產生徑向和軸向運動。
此外，由于將接觸面之間保持**平行是十分困難的，因此機械密封本身的內部產生移動也是很正常的。這類移動往往是由于設備和安裝公差、熱膨脹、管路應力或主軸調試不當所造成。為了使密封面之間始終保持互相配合，彈簧起到了機械密封與運動主軸之間的恒定調節作用。當旋轉面和主軸之間采用人造橡膠密封時，該彈性體就會在主軸上來回運動。這種重復摩擦動作，會磨蝕主軸上的防腐材料，失去主軸的氧化膜保護層，*終會在主軸的摩擦面上形成磨損溝槽，造成液體從溝槽中泄漏，并增加必要的維修工作量或甚至更換主軸。為了解決這一問題，一般在填料盒內安裝一個可更換的軸套。然而，解決腐蝕磨損問題的**長久辦法是去除其內部的動態密封。現在，大部分主要密封制造廠生產非腐蝕磨損型密封，以防止液泵零件的腐蝕磨損。平衡和非平衡式密封機械密封的平衡對接觸面的密封壓力有很大影響。這一密封壓力取決于密封本身的有效截面以及填料盒內的壓力。非平衡型密封的旋轉面相反一側的截面完全暴露于填料盒的壓力范圍之下，這種情況會使密封面之間產生很高的密封壓力，從而會使工作溫度提高，加快磨損速度。在高溫工作條件下或液體具有較大腐蝕性和磨擦性的情況下，會大大降低機械密封的使用壽命。對機械密封加以平衡，可降低密封壓力，延長密封的使用壽命。
一般采用帶有臺階的主軸和軸套，降低旋轉面的有效截面，就可達到上述目的。不過千萬別將凈密封壓力調節到接近零的水平，因為這樣做的結果可能會造成密封面之間的工作狀況不穩定，并可能會因突然的變故而將密封吹開。解決這些密封問題的答案也許是采用非平衡式密封，對于某些服務來說，也許采用非平衡式密封能達到更好的效果。例如，在某些應用領域，與密封的使用壽命相比，也許更強調對液體泄漏造成的**性問題。在這種情況下，對密封的選用也許可理解為更希望選擇具有較高的密封壓力。同樣，在選用較冷液體的密封時，操作溫度的增加也許是微不足道的。不管出于何種考慮，當填料盒的壓力超過50psi時，一般推薦使用平衡式密封。內密封和外密封*通常的做法是將密封安裝在填料盒的內部。但這種做法要求在密封維修時將液泵的濕端拆卸下來，其主要好處是密封的環境衛生易于控制。外密封的安裝方式是將靜態密封面的方向顛倒過來，主軸上的旋轉單元位于填料盒壓蓋的外面。
外密封主要具有以下五大好處：1.安裝容易;2.費用相對較低;3.可以連續監控和清潔;4.適于無法在內部安裝密封的很小填料盒;5.由于其位置接近軸承，對主軸偏差的困難影響較少。其主要缺點是離心力會將固體顆粒從密封的下面甩向密封的接觸面上。因此，這類密封主要適用于清潔且不含有磨料的液體。近年來，分離式密封已成為外密封中的另一重要附加特性。分離式密封是一個成套總成，安裝于填料盒與軸承套之間，采用這種設計，在密封需要更換時，不需要每次都拆卸液泵。這類密封結合探討其他設計標準正在逐步開發之中。由于這種設計易于更換密封，因此應抵制僅僅只更換密封件的這種誘惑，而對出現故障的根源不做進一步的調查，這一點非常重要。彈筒式密封彈筒式密封是一種集全部功能于一身的密封裝置，其內部包括所有的密封元件、壓蓋和軸套。由于這類密封不需要任何嚴格的安裝措施，安裝程序大大簡化，同時密封面和密封彈性體都得到很好的保護，可防止意外的損壞。這些優點也意味著可縮減密封的維修和更換時間。
自身帶有全部功能的彈筒式密封裝置，采用這種密封可簡化安裝程序，同時可保護內部各個元件，免受意外損壞。各種彈筒式密封幾乎都可以在市場上購得，因此可以減少使用中出現的風險因素，而且還可以節約使用普通密封件所固有的維修時間。雙重密封和液體阻隔裝置采用雙重密封面的密封來代替單一的密封件具有更高程度的防漏特性。這類雙重密封大都應用于揮發性強、有毒、易致癌、危險和潤滑性很差的液體。
雙重密封一般有三種設計型式，每種型式都要求在雙重密封面之間使用一種液體阻隔系統，以防止液體或氣體外泄。比較常用的低成本雙重密封是一種以背靠背方式安裝的密封，其旋轉密封面以相反的方向排列。它往往需要一種阻隔液體，其壓力應高于填料盒壓力，大約為20psi，這樣就可保證內部的密封始終能得到阻隔液體的潤滑，而且也可保證密封面達到一定的密封壓力。在結構比較復雜的面對面型式密封中，旋轉密封面之間是以面對面方式排列的，它們往往在同一靜止密封面的相反方向上動作。這類密封既可采用高壓阻隔液體系統，也可采用低壓阻隔液體系統。這類密封的旋轉面采用面對面方式進行安裝，并采用高壓或低壓阻隔液體系統第三種設計型式的密封采用串行式排列方式，即兩個旋轉密封面都離開葉輪，朝著同一個方向排列。這種密封的阻隔液體壓力一般低于液泵的壓力。實際上相當于兩個密封、兩級降壓的聯合工作裝置。
所有各類型雙重密封裝置都需要阻隔液體系統。它們一般屬于外部的閉環系統，其內部所使用的液體一般是不同的，但必須與工藝流程中的液體相匹配。該系統包括一個儲液槽，其位置應盡量靠近密封。這些系統的設計變化范圍很大。有的系統在密封中采用一種泵環，而其它一些系統則采用熱虹吸效應原理。儲液槽中的液體往往采用輔助加熱或輔助冷卻的方法。此外，還可以增加一個報警裝置，提醒工作人員及時更換液體。根據被密封液體的性質，阻隔液體系統可采用低于或高于填料盒壓力進行工作。為了使整個驅動操作過程中達到零泄漏的目標，密封行業還開發了氣體阻隔密封，這類密封采用氮氣等一類的惰性氣體來代替液體阻隔系統。在采用氣體阻隔的雙重密封中，如果其密封面的內部出現故障，所泄漏的只是惰性氣體，而其內部的液體不會滲漏，從而不會造成環境污染。不管是采用液體還是氣體，阻隔系統必須適合于特定的密封使用，并且一旦密封面內部出現任何故障的時候，應能立即識別報警，以便能及時采取適當的措施。
環境控制在許多應用領域中，凡是安裝密封的地方，需要考慮到密封的可靠操作和控制環境，因此必須注意以下幾點：1.密封應安裝于高強度主軸上，并保持*小偏差。盡管工業標準對密封面規定的*大偏差為0.002in，但對主軸的要求甚至可以更高一些。2.應將密封安裝于大口徑密封室內，這樣可提高密封的可靠性。這類產品各液泵制造廠幾乎都能提供。3.控制填料盒的內壓，以避免達到閃點。4.將填料盒內的溫度保持在密封材料的工作參數范圍之內。5.保持填料盒內液體的清潔。
密封的基本要素機械密封是利用兩個平面互相摩擦運行的原理，達到密封的目的。旋轉密封面安裝于液泵的主軸上，而固定密封面安裝于密封壓蓋內。由于一個密封面是運動的，而另一個密封面是靜止不動的，因此將這類密封稱之為動態密封。旋轉面與靜止面之間的密封是決定密封性能*關鍵的因素基礎的機械密封，其中有4個泄漏通路需要密封：1.密封面之間的通路;2.旋轉面與主軸之間的通路;3.固定面與壓蓋之間的通路;4.壓蓋與填料盒之間的通路。后兩種泄漏通路一般采用靜態密封，因為兩部分之間不存在相對運動。這部分的密封通常都稱之為三次密封，其密封材料為墊片或與工藝流程液體相適應的O型密封圈。
在較老的密封設計中，位于旋轉面下的二次密封留有一定的間隙，可在主軸上前后運動，因此易于引起磨損和過早失效。然而在較新的密封設計中，二次密封處于靜止狀態，因此可避免在主軸上出現磨損腐蝕問題。在液泵的正常操作中，旋轉面和靜止面之間因填料盒中的液體所產生的壓力而使其保持在密封狀態，在起動和停機時，填料盒的壓力由彈簧產生的壓力維持(甚至可以由彈簧的壓力來代替)。大部分機械密封的設計采用較軟的材料來制作旋轉面，使其在較硬的靜止面上旋轉摩擦。多年來，*通用的組合是利用碳材料作為旋轉面，使其在陶瓷靜止面上運行。
這類材料目前仍在普遍使用，但靜止面則選用不銹鋼或更硬的材料制作，例如碳化鎢或碳化硅。不管采用什么材料，總之在接觸面之間必須保持一層液體薄膜，以起到潤滑的作用。然而，在填料盒內，采用彈簧負載和液體壓力相結合的方式，可以使密封面之間起到很好的密封作用。但密封壓力太高，則會影響接觸面之間形成液體薄膜，導致熱量增加和過早的磨損。如果密封壓力太低，接觸面之間的間隙增大，容易造成液體泄漏。密封制造廠正在不斷地努力提高接觸面的平直度，他們采用特殊的拋光板進行研磨。然后，采用單色光源的光柵板對其檢測。
從這一觀點出發，對這些密封接觸面必須小心處理，并嚴格按照安裝說明，保證密封面得到適當的保護和正確就位，這一點是非常重要的。密封的靈活性選擇主軸的軸向和徑向運動需要與彈簧之間保持一定的靈活性，以保證接觸面之間的密封。然而，只能提供一定程度的靈活性。液泵的機械狀況及其長度直徑比(一種主軸的直徑與其延伸長度之比的衡量方式，比值越低越好)對密封的可靠性起著重要的作用。密封的靈活性一般由一個大型主彈簧和一系列小彈簧或波紋密封裝置提供保證。化學工業所采用的傳統密封設計，其密封壓力施加于旋轉面上，這種密封稱之為旋轉密封，因為彈簧或波紋密封裝置與主軸一起旋轉。比較新穎的設計，其彈簧或波紋密封裝置安裝于靜止面上。在現在的機械密封上，上述兩種密封方式都有非常普遍的應用，這樣對于安裝具有一定的靈活性。早期設計的許多機械密封采用單一的大型彈簧圍繞主軸排列，在液泵起動過程中，可為密封面提供很強的密封力。密封的作用依靠主軸的旋轉來繃緊彈簧卷。后期設計的密封采用一系列較小的彈簧，排列于主軸的周圍，可對密封面產生比較均勻的負荷壓力。由于較小的彈簧可以事先安裝，因此大部分這類密封完全與所泵的液體相隔離。
采用多個較小的彈簧，可對密封面產生比較平均的負荷壓力，因此對堵塞具有更大的敏感性。對許多腐蝕性較強的應用領域，*通用的設計是采用金屬波紋管密封裝置。該波紋管由一系列的金屬圓盤焊接而成，形成一個防止滲漏的波紋密封裝置。采用這一裝置可使密封面之間的密封壓力更加均勻，而且在密封面上不需要增加二次密封，這樣自然就不會產生任何腐蝕磨損現象。圖3金屬波紋管密封裝置一般應用于腐蝕性較強的液體一般來說，雖然其主要的密封壓力依賴于填料盒本身的壓力，但彈簧和波紋管可補償液泵在起動和停機過程中因主軸運動的壓力不足，使密封面始終保持一定的密封壓力。腐蝕磨損問題由于多種原因，例如包括軸承的公差、軸端余隙、振動和主軸偏差，都會使液泵的主軸產生徑向和軸向運動。
此外，由于將接觸面之間保持**平行是十分困難的，因此機械密封本身的內部產生移動也是很正常的。這類移動往往是由于設備和安裝公差、熱膨脹、管路應力或主軸調試不當所造成。為了使密封面之間始終保持互相配合，彈簧起到了機械密封與運動主軸之間的恒定調節作用。當旋轉面和主軸之間采用人造橡膠密封時，該彈性體就會在主軸上來回運動。這種重復摩擦動作，會磨蝕主軸上的防腐材料，失去主軸的氧化膜保護層，*終會在主軸的摩擦面上形成磨損溝槽，造成液體從溝槽中泄漏，并增加必要的維修工作量或甚至更換主軸。為了解決這一問題，一般在填料盒內安裝一個可更換的軸套。然而，解決腐蝕磨損問題的**長久辦法是去除其內部的動態密封。現在，大部分主要密封制造廠生產非腐蝕磨損型密封，以防止液泵零件的腐蝕磨損。平衡和非平衡式密封機械密封的平衡對接觸面的密封壓力有很大影響。這一密封壓力取決于密封本身的有效截面以及填料盒內的壓力。非平衡型密封的旋轉面相反一側的截面完全暴露于填料盒的壓力范圍之下，這種情況會使密封面之間產生很高的密封壓力，從而會使工作溫度提高，加快磨損速度。在高溫工作條件下或液體具有較大腐蝕性和磨擦性的情況下，會大大降低機械密封的使用壽命。對機械密封加以平衡，可降低密封壓力，延長密封的使用壽命。
一般采用帶有臺階的主軸和軸套，降低旋轉面的有效截面，就可達到上述目的。不過千萬別將凈密封壓力調節到接近零的水平，因為這樣做的結果可能會造成密封面之間的工作狀況不穩定，并可能會因突然的變故而將密封吹開。解決這些密封問題的答案也許是采用非平衡式密封，對于某些服務來說，也許采用非平衡式密封能達到更好的效果。例如，在某些應用領域，與密封的使用壽命相比，也許更強調對液體泄漏造成的**性問題。在這種情況下，對密封的選用也許可理解為更希望選擇具有較高的密封壓力。同樣，在選用較冷液體的密封時，操作溫度的增加也許是微不足道的。不管出于何種考慮，當填料盒的壓力超過50psi時，一般推薦使用平衡式密封。內密封和外密封*通常的做法是將密封安裝在填料盒的內部。但這種做法要求在密封維修時將液泵的濕端拆卸下來，其主要好處是密封的環境衛生易于控制。外密封的安裝方式是將靜態密封面的方向顛倒過來，主軸上的旋轉單元位于填料盒壓蓋的外面。
外密封主要具有以下五大好處：1.安裝容易;2.費用相對較低;3.可以連續監控和清潔;4.適于無法在內部安裝密封的很小填料盒;5.由于其位置接近軸承，對主軸偏差的困難影響較少。其主要缺點是離心力會將固體顆粒從密封的下面甩向密封的接觸面上。因此，這類密封主要適用于清潔且不含有磨料的液體。近年來，分離式密封已成為外密封中的另一重要附加特性。分離式密封是一個成套總成，安裝于填料盒與軸承套之間，采用這種設計，在密封需要更換時，不需要每次都拆卸液泵。這類密封結合探討其他設計標準正在逐步開發之中。由于這種設計易于更換密封，因此應抵制僅僅只更換密封件的這種誘惑，而對出現故障的根源不做進一步的調查，這一點非常重要。彈筒式密封彈筒式密封是一種集全部功能于一身的密封裝置，其內部包括所有的密封元件、壓蓋和軸套。由于這類密封不需要任何嚴格的安裝措施，安裝程序大大簡化，同時密封面和密封彈性體都得到很好的保護，可防止意外的損壞。這些優點也意味著可縮減密封的維修和更換時間。
自身帶有全部功能的彈筒式密封裝置，采用這種密封可簡化安裝程序，同時可保護內部各個元件，免受意外損壞。各種彈筒式密封幾乎都可以在市場上購得，因此可以減少使用中出現的風險因素，而且還可以節約使用普通密封件所固有的維修時間。雙重密封和液體阻隔裝置采用雙重密封面的密封來代替單一的密封件具有更高程度的防漏特性。這類雙重密封大都應用于揮發性強、有毒、易致癌、危險和潤滑性很差的液體。
雙重密封一般有三種設計型式，每種型式都要求在雙重密封面之間使用一種液體阻隔系統，以防止液體或氣體外泄。比較常用的低成本雙重密封是一種以背靠背方式安裝的密封，其旋轉密封面以相反的方向排列。它往往需要一種阻隔液體，其壓力應高于填料盒壓力，大約為20psi，這樣就可保證內部的密封始終能得到阻隔液體的潤滑，而且也可保證密封面達到一定的密封壓力。在結構比較復雜的面對面型式密封中，旋轉密封面之間是以面對面方式排列的，它們往往在同一靜止密封面的相反方向上動作。這類密封既可采用高壓阻隔液體系統，也可采用低壓阻隔液體系統。這類密封的旋轉面采用面對面方式進行安裝，并采用高壓或低壓阻隔液體系統第三種設計型式的密封采用串行式排列方式，即兩個旋轉密封面都離開葉輪，朝著同一個方向排列。這種密封的阻隔液體壓力一般低于液泵的壓力。實際上相當于兩個密封、兩級降壓的聯合工作裝置。
所有各類型雙重密封裝置都需要阻隔液體系統。它們一般屬于外部的閉環系統，其內部所使用的液體一般是不同的，但必須與工藝流程中的液體相匹配。該系統包括一個儲液槽，其位置應盡量靠近密封。這些系統的設計變化范圍很大。有的系統在密封中采用一種泵環，而其它一些系統則采用熱虹吸效應原理。儲液槽中的液體往往采用輔助加熱或輔助冷卻的方法。此外，還可以增加一個報警裝置，提醒工作人員及時更換液體。根據被密封液體的性質，阻隔液體系統可采用低于或高于填料盒壓力進行工作。為了使整個驅動操作過程中達到零泄漏的目標，密封行業還開發了氣體阻隔密封，這類密封采用氮氣等一類的惰性氣體來代替液體阻隔系統。在采用氣體阻隔的雙重密封中，如果其密封面的內部出現故障，所泄漏的只是惰性氣體，而其內部的液體不會滲漏，從而不會造成環境污染。不管是采用液體還是氣體，阻隔系統必須適合于特定的密封使用，并且一旦密封面內部出現任何故障的時候，應能立即識別報警，以便能及時采取適當的措施。
環境控制在許多應用領域中，凡是安裝密封的地方，需要考慮到密封的可靠操作和控制環境，因此必須注意以下幾點：1.密封應安裝于高強度主軸上，并保持*小偏差。盡管工業標準對密封面規定的*大偏差為0.002in，但對主軸的要求甚至可以更高一些。2.應將密封安裝于大口徑密封室內，這樣可提高密封的可靠性。這類產品各液泵制造廠幾乎都能提供。3.控制填料盒的內壓，以避免達到閃點。4.將填料盒內的溫度保持在密封材料的工作參數范圍之內。5.保持填料盒內液體的清潔。
