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2024年9月25-27日 | 上海世博展览馆1&2号馆

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医疗器械制造展Medtec解读机械密封结构原理及失效分析

2024-06-12

1、机械密封的基本原理

机械密封依靠弹性元件提供弹力,克服补偿环辅助密封圈与轴之间的摩擦力,使补偿环紧密地贴合在非补偿环的端面,形成密封端面初始闭合力,当主机充满压力介质并开始工作时,可使密封端面产生闭合力,从而使密封端面达到合理的比压,实现流体的密封。

2、机械密封的基本结构

由补偿环、补偿环辅助密封圈、弹性元件、传动件、弹簧座、紧固件等组成的补偿组件,以及由非补偿环、非补偿静环辅助密封圈等组成的非补偿组件,共同组成一套完整的机械密封。

1)典型的旋转式(见图1)和静止式(见图)

2)机械密封基本结构

医疗器械制造展Medtec表示构成典型的旋转式机械密封的基本元件有:摩擦副(补偿环4、非补偿环3)、辅助密封圈(O形圈2、5)、传动件(推环6)、弹性元件(弹簧7)、弹簧座8、紧固件(紧定螺钉9)、防转销1及密封端盖11和密封腔10组成。

图1 机械密封基本结构(旋转式)

1-防转销  2-非补偿环辅助密封圈  3—非补偿环(静环)  4—补偿环(动环) 5-补偿环辅助密封圈  6-传动件  7-弹簧  8—弹簧座
 9—紧定螺钉  10—密封腔  11—密封端盖

图2 机械密封基本结构(静止式)

1-弹簧座  2-防转套  3-弹簧  4-推环  5-补偿环辅助密封圈  6-补偿环(静环) 7—卡环  8—非补偿环(动环)
9—非补偿环辅助密封圈  10—密封腔 
11—密封端盖  12—密封压盖

2)机械密封主要泄漏途径

当密封腔内充满有压的被密封介质时,由图1所示机械密封的泄漏点主要有4处:

泄漏点1:密封摩擦副端面处,称为主密封,是决定密封性能及寿命的关键密封点,据统计大约有80%以上的密封泄漏都是由此造成的。

泄漏点2:位于密封静环与压盖之间。

泄漏点3:位于密封动环与轴(或轴套)之间,称为机械密封的辅助密封,主要形式有:O形圈、V 形圈、矩形圈等。工作时辅助密封基本无相对运动,属相对静止的密封,但动环辅助密封圈对机械密封的追随性起着关键作用。

泄漏点4:位于密封腔与压盖之间的静密封,狭义讲不属于机械密封零件,主要形式有:O形圈、垫片等。

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3、机械密封零件的功能

1)主密封  端面密封副由补偿环和非补偿环(动、静环)组成,主要作用是其有一定的端面比压,使密封面贴合,防止被密封介质泄漏(见图1、图2)。

2)辅助密封  主要是对动、静环起浮动、缓冲密封作用(见图1、图2)。

3)传动件  主要作用是传递轴的转矩(见图1、图2)。

4)弹性元件  指弹簧、波纹管等起预紧、补偿作用并始终保持一定的弹力,用于克服补偿环辅助密封滑动时的摩擦力及端面密封副的摩擦力(见图1、图2)。

5)弹簧座  用于弹簧或波纹管轴向定位的零件(见图1、图2)。

6)紧固件  用于弹簧座轴向定位和紧固的零件(见图1)。

7)防转件  防止静环转动的零件(见图2)。

机械密封失效泄漏的原因分析

化工设备中使用的机械密封种类繁多,型号各异,但主要泄漏点有五处:

①轴套与轴间的密封;
②动环与轴套间的密封;
③动、静环间密封;
④对静环与静环座间的密封;
⑤密封端盖与泵体间的密封。
机械密封中流体可能泄漏的途径如图1中的A、B、C、D 四个通道。
2.1动静环端面磨损导致机械密封泄漏
不管哪种类型的机械密封,最主要的特点即密封面为垂直于旋转轴线的端面,也就是将极易泄漏的轴向密封改为不易泄漏的端面密封。所以,机械密封失效的主要形式是静、动环之间的磨损失效。动、静环端面摩擦副主要靠弹簧推力来压紧, 阻止泄漏。动、静环压得越紧越不易泄漏,但其间的摩擦力也随之增大,动、静环接触端镜面在较大摩擦力的作用下会很快磨损,最后失效泄漏。
2.2工艺条件不稳定和安装不良导致机械密封泄漏
工艺条件不稳定和安装不良造成的振动、设备抽空汽化瞬间断流都会导致机械密封动静环之间的液膜破坏,使机械密封在无润滑条件下“干态”运行,密封环温度迅速上升,有的直接烧毁,有的当泵恢复正常工作状态时被急剧冷却,形成热冲击而碎裂。冲洗流体与冲洗条件不良也会形成热冲击,导致密封环出现径向裂纹,加剧动静环的磨损失效。同时,当石墨环超过使用温度,其表面会析出晶体,在温度较高的摩擦副附近发生炭化,其微粒进入摩擦副使动静环急剧磨损失效。
2.3机械密封的密封圈失效也是密封泄漏主要原因
动静环密封圈装配歪斜;与密封圈相配合的轴或轴套表面光洁度不够,或配合尺寸过小;密封圈与密封介质发生物理或化学反应,腐蚀变形、老化等,均可导致泄漏。
2.4装配不当导致机械密封泄漏
在装配机械密封前机封组件清洗不洁净,组件碰伤或划伤;装配不到位;弹簧装偏、紧固螺钉没紧固;拆卸时损坏等,都是机械密封提前失效的原因。
2.5机械密封选型设计不当造成的机封泄漏
由于在化工装置中工艺介质特性的多样性,机械密封设计选用不当,使密封端面比压偏小、偏大或密封材质冷缩性较大等,极易使机械密封失效而导致其泄漏。

解决措施

根据上述分析,延长机械密封使用寿命应采取以下措施和检修方法。
3.1弹簧压缩量调整
调整弹簧的压缩量就是调整机械密封的端面比压,关系到密封性能及使用寿命的重要参数,与密封的结构型式、弹簧大小和介质压力有关。端面比压过大将损坏摩擦副;比压过小则易泄漏,往往由厂家给定一个适合的范围,一般按3~6kg/cm2取值。弹簧的自由长度A,弹簧刚度K(产生单位压缩量时承受的载荷),规定要求的比压P,这些都是厂家给定的参数。压缩后尺寸为B,则P/(A-B)=k,得出B=A-P/k,这就是弹簧安装压缩后的尺寸。如果弹簧安装后的尺寸过大,可在弹簧座与弹簧之间增加调整垫的厚度,尺寸过小则减少调整的厚度,调整垫的厚度用千分尺量取。
3.2动环密封圈松紧
动环密封圈过紧有害无益,一是加剧密封圈与轴套间的磨损,过早泄漏;二是增大了动环轴向调整、移动的阻力,在工作状况变化频繁时无法适时进行调整;三是弹簧过度疲劳易损坏;四是使动环密封圈变形,影响密封效果。为保证动环的浮动性,其内径比轴径大0.5~1mm,用以补偿轴的振动与偏斜,但间隙不能太大,否则会使动环密封圈卡入而造成机械密封机械性能的破坏。密封圈的松紧程度以涂上润滑剂后能以一只手用力压入为准。
3.3静环密封圈松紧
静环密封圈基本处于静止状态,相对较紧密封效果会好些,但过紧将导致:一是引起静环密封因过度变形,影响密封效果;二是静环材质以石墨居多,一般较脆,过度受力极易引起碎裂;三是安装、拆卸困难,极易损坏静环。因此,静环的内径一般比轴径大1~2mm ,密封圈的松紧程度以涂上润滑剂后能以双手用力压入为准。手能较轻压入则太松,双手用力压不进则太紧。
3.4密封新旧拆换
相对而言,使用新机械密封的效果好于旧的,但新机械密封的质量或材质选择不当时,配合尺寸误差较大会影响密封效果。在聚合性和深透性介质中,静环如无过度磨损(当密封面出现裂纹、掉角、划痕、麻点、飞边及偏磨,划痕、麻点贯穿整个密封端面时称为过度磨损),还是不更换为好。因为静环在静环座中长时间处于静止状态,使聚合物和杂质沉积为一体,起到了较好的密封作用。
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文章来源:泵友联盟
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