高壓高速機械密封結構

1、l按照JB/4127.2機械密封分類標準，當密封腔體壓力超過3MPa時所采用的機械密封就屬于高壓機械密封；密封端面平均線速度為25100m/s被定義為高速機械密封。l高壓高速密封可以采用浮環(huán)密封，機械加浮環(huán)密封，干氣密封，金屬波紋管等很多形式的密封。此處僅研究彈簧式機械密封。普通密封大多采用彈簧式密封，通過對密封結構，尺寸，設計參數(shù)及其它相關因素進行調整，提高密封的使用參數(shù)（如壓力，轉速），拓展密封的使用范圍。采用彈簧式高壓高速密封具有成本低，互換性好，通用性強的特點，彈簧式高壓高速密封在現(xiàn)代密封領域占有重要地位。高壓密封常用于熱水循環(huán)泵、鍋爐給水泵、丙烷泵、甲醇泵、乙二醇泵，或炭黑洗滌水，灰

2、水，汽包水，除氧水，醋酸乙烯，聚丙烯介質的密封，以及原油管道輸送等。l1.技術關鍵l（1）機械密封結構的確定l高壓機械密封的結構形式非常關鍵，如果設計不合理，其它的細節(jié)部分再怎么考慮，也只能達到事倍功半的效果。因此，結構型式設計好了，密封性能就好了一半。結構形式包括兩部分：密封結構型式，零件結構型式。設計結構形式重點要考慮壓力的平衡問題，以避免力不平衡造成密封移位或變形，從而導致密封失效。 （2）傳動機構的設計機械密封屬于動密封，傳動機構提供和維持機械密封的工作運轉狀態(tài)。處于高壓中的所有密封零件都受到高的壓力作用，其中承力的最薄弱環(huán)節(jié)當屬傳動機構，因為傳動機構常常是一些小零件，桿細、壁薄是它的

3、特點。傳動機構一旦失效，密封肯定失效。因此要考慮可靠的傳動方式，需按起動扭矩來校核強度。起動扭矩比工作扭矩大得多，可以估算為工作扭矩的四倍。（3）密封端面型式的確定機械密封的主要零件是摩擦副。密封端面承受著最惡劣的工作環(huán)境，因此，端面要求很高：既要求有很高的平面度、粗糙度、和軸的垂直度，又要求材料具有很高的強度、剛度、耐磨性、耐蝕性和耐高溫性。因為在高壓下，端面摩擦熱更高，端面更容易產生熱變形，同時端面也更容易產生力變形，所以，高壓機械密封的端面，必須要考慮合理的形式，以利于導熱，減小溫升，平衡作用力，抑制端面變形。（4）載荷系數(shù)的確定載荷系數(shù)為密封重要設計參數(shù)，其取值的大小直接影響端面比壓，

4、影響密封端面的貼合狀態(tài)。在高壓下，其取值尤為重要，載荷系數(shù)只要有微小變動，就會引起端面比壓發(fā)生很大的變化，而且可供參考的取值極為有限。高壓機械密封載荷系數(shù)與密封結構、介質性質有關，其值的確定必須通過大量的試驗獲得。（5）材料的選取原則高壓機械密封零件材料選取原則考慮的內容和通用型機械密封一樣，不同的是，對機械強度、剛度、耐熱性和導熱性、摩擦性能和氣密性要求更高。同時，材料的其他性能（通常要降低）也要滿足工況要求。（6）密封輔助系統(tǒng)的設計機械密封離不開輔助系統(tǒng)，對于高壓密封更是如此。合理地設計輔助系統(tǒng)，對于改善密封的工作環(huán)境，提高密封的可靠性和使用壽命意義重大。 2.采取的措施（1）采用可靠的零

5、件支承、定位方法，強化轉矩傳遞機構機械密封需要把軸的運動方式，通過一系列零件（如軸套、彈簧座、推環(huán)等），傳遞給旋轉環(huán)。同時，需要對靜止環(huán)防轉，以及對不需要浮動的零件進行定位和緊固。通常，這些功能是靠密封的傳動機構完成的。常用的傳動方式有：緊定螺釘、鍵、撥叉、并圈彈簧、銷釘、凸耳、勾圈彈簧、波紋管、鎖緊螺母等。對于高壓密封，應采用增強措施：緊定螺釘應加大規(guī)格，并在被壓零件上劃凹坑；銷釘規(guī)格需加大；凸耳壁厚應增加或采用實凸耳；波紋管應采用雙層結構。不采用并圈彈簧、勾圈彈簧來傳動，盡可能采用鍵、撥叉來傳動。力的作用點也盡可能遠離軸心，以減小傳動件受的作用力。 （2）采用合理的結構型式1）密封結構型式

6、密封結構形式需具體情況具體分析，通常的方式是平衡軸向力（如采用對稱結構，靜環(huán)背部設立平衡腔等），采用串聯(lián)式或三端面結構，采用平衡型密封。2）零件結構型式對于密封中各零件，應設計成有利于對稱受力、抑制變形的的結構形式。采用圓弧過渡避免零件斷面面積突變，增大零件截面，提高零件加工精度。 3）密封端面形式 （a）偏心式 （b）橢圓式 （c）循環(huán)槽式 （d）內循環(huán)槽式 （e）內螺旋槽式 （f）螺旋槽式 （g）內潤滑槽式 （h）潤滑槽式圖圖1 典型流體動壓端面型式 密封端面可以采用流體動壓槽形式，這種形式是在動環(huán)或靜環(huán)端面上開數(shù)個均布的流體動壓槽，深度1mm左右。槽形多種多樣，如圖1。根據(jù)工況，主要是使

7、用PV值來設計，通過試驗來確立。這是一種新型的流體動壓式密封，專門為在高壓和高摩擦熱的情況下，改善密封端面潤滑膜穩(wěn)定性而研制的。當密封環(huán)旋轉時，槽能使液體強烈地冷卻距它較遠的密封端面（見圖2）。進行這種冷卻時，在密封環(huán)的初始表面上形成與槽數(shù)相等的流體動力楔和高壓區(qū)。由于切向流和壓力降，在每一槽后形成慧星狀潤滑楔。因此，隨著密封面上載荷和滑動速度的增加，摩擦系數(shù)反而減小。 圖2 流體動壓槽端面 圖3 流體動壓式密封端面壓力場和潤滑場 摩擦系數(shù)曲線 1承載區(qū) 2密封區(qū) 試驗條件 介質：鍋爐水 溫度：3060 密封軸經：30 這種密封的熱流體動力效應就是在密封端面縫隙高度為0.21.5m的情況下，在

8、非槽環(huán)帶密封區(qū)2上主要為邊界摩擦，這時密封的泄漏量極小。 （3）采取冷卻措施對于高壓機械密封，應設置介質沖洗和靜環(huán)背部急冷裝置。對于雙密封和多端面密封，應設置緩沖阻塞液循環(huán)系統(tǒng)。與通用型密封比，應加快循環(huán)，增大緩沖阻塞液的循環(huán)量，并在循環(huán)管路中安裝換熱器。循環(huán)可以通過密封腔內部的泵送環(huán)來實現(xiàn)。 （4）合理選取零件材質高壓密封摩擦副中碳石墨的強度及剛度是設計中的關鍵，碳石墨環(huán)變形是影響其性能的重要因素。摩擦副的硬環(huán)材料（如硬質合金、碳化硅等）的強度比碳石墨材料高一個數(shù)量級，因此硬環(huán)的強度與剛度均能滿足要求，但是這些材料一旦變形就不易復原，設計時應注意熱變形以及抗沖擊性能。過高的負荷，特別是可變的

9、密封壓力，會引起端面變形，即使微米級的變形也將影響密封的性能。 （5）選取合理的載荷系數(shù)通過長期的研究和試驗，我們推薦，對于非流體動壓式密封，高壓機械密封的載荷系數(shù)比膜壓系數(shù)高0.050.152，配合彈簧比壓選?。粚τ诹黧w動壓式密封，載荷系數(shù)應設計成0.70.853。這樣，既保證了密封端面始終貼合，又限制了高壓對密封端面比壓的影響幅度。 4.密封的主要型式、技術指標（1）機封總體結構的確定1）單端面高壓機械密封圖4為我們設計的一種典型的高壓泵用帶中間環(huán)的單端面機械密封的結構。在設計中，我們認真仔細地對國外同類型機械密封的結構進行了分析。我們認為進口機械密封靜環(huán)上兩個對稱的橢圓形孔（如圖5）削弱

10、了靜環(huán)的機械強度（曾經出現(xiàn)過進口機械密封連續(xù)失效的情況），其失效的現(xiàn)象均為從兩橢圓形孔處斷裂。為提高摩擦副的強度、剛度，選用整體式結構的動靜環(huán)，避免熱鑲產生的內應力造成摩擦副變形，影響密封性能。靜環(huán)采用浮動式結構。我們對進口機械密封靜環(huán)的結構作了如下的改進，首先改原靜環(huán)的防轉銷防轉為對稱的凸耳防轉，以增大靜環(huán)本身的強度；其次在靜環(huán)的外圓周上開出均勻的半圓槽，讓介質以最短的時間充滿靜環(huán)背面的平衡腔，改善其受力情況。改進后的靜環(huán)結構如圖6所示。從而提高其追隨性，還可以降低對靜環(huán)自身強度和剛度的要求。 圖圖4 帶中間環(huán)的高壓密封結構特點1.石墨靜環(huán)軸向力平衡2.常用于高壓熱水的密封3.輔助系統(tǒng)采用p

11、lan23兩對稱橢圓形孔半圓形槽 圖圖5 進口密封中間環(huán) 圖圖6 改進后中間環(huán)另外小彈簧彈力均勻，并且可使機械密封結構緊湊，因此，選用小彈簧；輔助密封圈選用V形圈，因O形圈在高壓下容易被擠入動環(huán)與軸套（或軸）間的縫隙中，造成密封失效；外接強制沖洗液，帶走摩擦熱，沖洗液應沿摩擦副的切線方向引入。 1彈簧座；2緊定螺釘；3彈簧；4導向銷；5推環(huán)；6動環(huán)V形圈；7動環(huán)組件；8靜環(huán)密封圈；9靜環(huán)；10.防轉銷；11傳動螺釘圖圖7 7 典型單端面高壓泵用密封結構特點1.結構簡單，零件厚實2.鍵加撥叉?zhèn)鲃?.能承受高壓到12MPa圖7也是一種典型的的單端面高壓泵用機械密封，屬于多彈簧、螺釘加鍵傳動、平衡型

12、結構，靜環(huán)端面可以開設流體動壓槽以適應更高的工作負荷。這種密封的特點是結構簡單，零件采用增加了厚壁的結構，動環(huán)、靜環(huán)常采用硬對硬材料組合方式。該種密封型式應用范圍很廣。圖8 204B型高壓機械密封結構特點1.靜止式，可用于大軸徑2.避免鑲嵌結構3.動環(huán)軸向力由臺階承受4.楔形抱軸器使傳動可靠圖8是一種靜止式高壓機械密封，適用于大軸徑或高線速度的場合。該結構考慮了力平衡，并采用楔形抱軸器，最高壓力可達15MPa。2）雙端面、串聯(lián)式及三端面高壓機械密封其設計思路與單端面高壓機械密封的設計思路相同，不同之處在于，對于雙端面密封，其使用壓力低于6MPa時，在靜環(huán)的設計上可不用浮動式結構。在設計中必須要

13、考慮力矩的可靠傳遞，動、靜環(huán)要有最佳的幾何形狀，以及高的強度和剛度，良好的追隨性。對于有毒、易燃、易爆的介質，單端面密封不能適用，因密封一旦失效，將會造成嚴重的后果，給國家和企業(yè)造成巨大的經濟損失，還會造成環(huán)境污染，甚至會危及生命安全。針對這種工況，我們設計了平衡型雙端面機械密封。為了及時將密封腔內的摩擦熱帶走，在傳動套上加一螺旋套，加大密封液的循環(huán)。彈簧選用小彈簧，輔圈選用O形圈，結構如圖9所示。當密封壓力很高時，如超過6MPa，可采用串聯(lián)式密封，若介質為易燃、易爆、有毒或貴重流體時，可采用三端面密封，即雙端面加串聯(lián)式結構。 (2）端面比壓的確定密封負荷水平的標志是PV值，通常軸的轉速是恒定

14、的，密封端面的壓力負荷主要受介質壓力影響，所以可以通過采用平衡型結構來減小有效的壓力值。減小摩擦端面的寬度，可以減小摩擦熱。高壓密封設計的要點之一是確定載荷系數(shù)及端面寬度。要確定載荷系數(shù)和端面寬度的最佳值比較困難，通常端面寬度b=25mm4，根據(jù)載荷系數(shù)設計及強度設計的需要進行調整。我們知道，端面比壓P比=P彈+（K-）P介。在機械密封的設計中，應避免出現(xiàn)K-0的情況，否則機械密封將處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，隨時有被打開的可能，造成密封失效。另外，摩擦熱的大小與端面比壓的大小成正比，要降低摩擦熱，就必須要控制端面比壓，和選擇較小的彈簧比壓P彈。在此，我們選擇載荷系數(shù)K與該工況下的膜壓系數(shù)相近，彈簧比

15、壓P彈選用0.10.15MPa，這樣就可將端面比壓控制在理想的范圍內，從而達到控制摩擦熱的目的，提高機械密封的使用壽命。 圖圖 9 雙端面高壓泵用機械密封 結構特點1.載荷系數(shù)、端面寬度、零件尺寸特殊設計2.結構類似通用型密封，應用范圍廣，成本低，不修改腔體（3）技術指標 我們研制的高壓機械密封的技術參數(shù)如下：1) 密封腔內壓力P=315MPa（軸徑d50，轉速n3000r/min，對于常溫、水介質，采用單端面密封時，P值可達15 MPa）2）密封腔內溫度：T=-401803）轉速：n15000rpm，線速度v35m/s（軸徑d40，壓力P=3.5MPa，對于常溫、水介質，采用單端面密封時，n

16、值可達15000r/min） 4）泄漏量le5300ml/h5）壽命：L40008000h 高壓機械密封重點考核的指標是：壽命L和泄漏量le。5.實驗室試驗和工業(yè)運行情況 研制初期，由于實驗室條件的限制，不能模擬現(xiàn)場工況，因此，我們將實驗室試驗改在現(xiàn)場進行。在現(xiàn)場按要求將機械密封裝上設備，按機械密封試驗規(guī)范，先作靜壓試驗，靜壓合格后，再作動壓試驗。我們的帶中間環(huán)單端面高壓密封產品已經在鎮(zhèn)海煉化化肥廠合成氨裝置4112-P3泵上使用有3年時間，運行狀況良好，已完全替代進口產品。此泵工作參數(shù)如下：介質：水，進口壓力8.6Mpa，出口壓力9.5MPa，密封腔壓力9.65MPa，溫度187。同時在齊魯

17、塑料廠聚丙烯裝置的P200泵上采用的雙端面密封和P201泵上采用的三端面密封，使用也已經有6年時間；在內蒙化肥廠和九江大化肥合成氨裝置A-GA302泵上使用已經有2年時間；在荊門化肥廠P200泵上也使用了幾年時間。通過現(xiàn)場工業(yè)運行，證明我們的設計是合理的，研制是成功的，參數(shù)和結構的選擇也是正確的，我們提供的產品已完全替代進口同類產品，使用壽命有些甚至超過了國外同類產品。經過現(xiàn)場工業(yè)運行試驗的多次裝拆、啟動、停機及長周期連續(xù)運行，證明我們研制開發(fā)的高壓密封性能好、壽命長，并可運用于不同的介質工況。本課題現(xiàn)已圓滿完成，各項考核指標均滿足和超過合同要求。該項目的研制是成功的，我們的設計思想和技術路線

18、是正確的，擴大應用將會產生較大的經濟效益和社會效益。l端面熱量大；l離心力造成振動和不平衡，端面產生沖擊和振動，加大端面摩擦熱和疲勞破壞，同時無法形成穩(wěn)定液膜；l傳動機構易在沖擊載荷或交變載荷下失效；l高頻顫振要求密封有更好的追隨性，抗疲勞性。l1.彈性元件靜止；l2.減小轉動件質量，并盡可能保持與軸中心線對稱；l3.減小轉動件長度，降低渦流損失；l4.充分散熱，加大強化冷卻力度；l5.結構上采取措施，降低端面摩擦熱；l6.提高精度，包括形位公差，尺寸公差和表面粗糙度；l7.強化傳動機構；l8.減小補償還輔圈壓縮量。l1.采用多彈簧靜止式平衡型機械密封；l2.減小密封端面寬度；l3.減小選轉環(huán)外徑，長度；l4.減小徑環(huán)質量；l5.增大彈簧比壓；l6.端面開流體動壓槽；l7.減小靜環(huán)密封圈壓縮率。135 熱水（20B結構），30%氨水（高速機封），烴類，丙烯進料泵，乙烯，油，30