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        淺談機械密封原理及使用

        2021-11-17 12:43:25宋道明
        油氣·石油與天然氣科學 2021年11期
        關(guān)鍵詞:機械密封工作原理安裝

        宋道明

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

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

        一、機械密封結(jié)構(gòu)及原理

        機械密封也稱為端面密封,根據(jù)國家有關(guān)標準定義為:一種防止流體泄漏的裝置,由至少一對垂直于旋轉(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滑動。機械密封是一種旋轉(zhuǎn)機械,如離心泵、反應釜及壓縮機等的軸封裝置[1]。

        機械密封的結(jié)構(gòu)多種多樣,最常見的結(jié)構(gòu)見圖1所示,機械密封安裝在旋轉(zhuǎn)軸上,密封腔內(nèi)裝有補償環(huán)。

        機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。當軸旋轉(zhuǎn)時,彈簧座,彈簧壓板,移動環(huán)等一起旋轉(zhuǎn),并且移動環(huán)由于彈簧力而緊緊地壓在靜環(huán)上。當軸旋轉(zhuǎn)時,移動環(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通道是動態(tài)密封,移動環(huán)和固定環(huán)的端面相互貼合并保持相對滑動。它是機械密封中的主要密封,也對機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滑液膜,必須嚴格控制端面上的每單位面積壓力,壓力過大,難以形成穩(wěn)定的潤滑液膜,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的壽命,在設計和安裝機械密封時,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通道是動環(huán)與軸(或軸套)之間的密封,當端面摩擦磨損后,它僅僅能追隨補償環(huán)沿軸向作微量的移動,實際上仍然是一個相對靜密封。因此,這些泄漏通道相對來說比較容易封堵。靜密封元件最常用的有橡膠O形圈或聚四氟乙烯V形圈,而作為補償環(huán)的動環(huán)或靜環(huán)輔助密封,有時采用兼?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通道是移動環(huán)與軸(或襯套)之間的密封。 當端面磨損時,它只能跟隨補償環(huán)做微小的軸向運動,并且實際上仍然是相對靜態(tài)的密封。因此,這些通道相對來說比較難以泄露。 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)作為補償環(huán)的動態(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、機械密封選用及端面平面度檢測

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

        從力的角度來看,由于整體強度和剛度較差,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),高速機械密封一般采取窄系列(對于輕烴介質(zhì),在強度足夠的場合下采取窄系列 )[3]。

        機械密封端面的平面度對密封的使用有決定性的影響。 密封的常用平面度為0.0009。,普通儀表無法檢測到。 光波的干涉效應通常用于檢測摩擦副端面的平面度[4]。 滿足相應條件的兩束光的疊加效應是:在波程差為波長的整數(shù)倍的情況下,光強度增強; 在波程差是半波長的奇數(shù)倍的情況下,光強度減小到零。

        三、機械密封的安裝

        機械密封安裝時徑向跳動應≤0.04毫米,軸向竄動量不允許大于0.1毫米。

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

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

        (2)對YG6/1Cr18Ni9Ti,當工作溫度為300°C時,其過盈量為:

        (3)如鑲嵌環(huán)長期放置,在使用前要檢查其平面度;

        (4)對于大直徑,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),過盈量的值可以取大一些。

        (5)當溫度高于200℃時, 少用熱裝式結(jié)構(gòu),否則要對過盈量進行核算。

        四、結(jié)論

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

        參考文獻:

        [1] 孫開元, 郝振潔. 機械密封結(jié)構(gòu)圖例及應用[J]. 化學工業(yè)出版社,2017.

        [2] 郝木明. 機械密封技術(shù)及應用[S]. 中國石化出版社,2010.

        [3] 蔣小文, 顧伯勤. 螺旋槽干氣密封端面氣膜特性[J]. 化工學報,2005.

        [4] 聞邦椿. 機械設計手冊[J]. 機械工業(yè)出版社,2015.

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

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