机械密封基础：工作原理及选择时应考虑的因素

机械密封基础：工作原理及选择时应考虑的因素

机械密封是精密的动态设备，在正常工作时需要适当的泄漏来实现润滑和冷却。本文将深入探讨机械密封的工作原理及其选择时需要考虑的关键因素，帮助读者更好地理解机械密封的设计原理和实际应用。

机械密封的工作原理

许多密封用户的第一个误解是，机械密封在正常工作时是无泄漏的，这是不正确的。正如上篇文章所述，机械密封是精密的动态设备。旋转面与静止面接触的主密封界面（见图1），必须进行润滑和冷却，否则会迅速产生大量热量和磨损，导致灾难性故障。

图1：主密封界面（图片由A.W. Chesterton公司提供）

实际上，在密封面之间会形成一个很小的间隙，在这个间隙中，流体在压力和温度的作用下会冷却和润滑这对密封面。在含水流体中，该间隙可以小到 0.3 微米（µm）。当流体通过间隙时，其压力会下降，温度会升高，直至汽化，人眼通常无法看到。不过，在某些情况下，对于粘度较高的流体（如油），流体可能不会汽化，表面可能会随着时间的推移而变湿，甚至出现小的液滴。在这两种情况下，机械密封运行良好。图2显示了运行中的密封正在发生的这一过程。因此，所有密封都必须泄漏才能正常工作。

图 2：流体（红色）通过密封界面的过程

如图 2 所示，一对密封面并不是完全平行的，因为在工作中会遇到各种应力，总会出现一定程度的变形。机械密封设计的艺术在于尽量平衡这些不同的变形，以便在设计运行参数下，密封面尽可能接近平行运行，并尽可能靠近，从而限制泄漏量。图3显示了有限元分析（FEA）模型的结果，显示了由于工作密封面副中的压力和热应力而发生的变形。

图 3：有限元分析显示运行中的一对密封面呈正“锥形”。

必须记住，如果密封流体不能为密封面提供所需的适量冷却和润滑，则需要通过所谓的环境控制/密封支持系统提供外部液体或气体。美国石油学会（API）682 标准“泵 - 离心泵和旋转泵的轴封系统”提供了一份完整的清单，并附有可使用的各种管道（冲洗）方案的示意图。大多数机械密封制造商的网站上也有 API 管道方案的详细信息。

如果工艺流体或用于为密封提供冷却和润滑的流体中存在颗粒，则可能需要采取额外措施来限制或清除这些颗粒，因为它们会堵塞密封，使其无法正常工作，或干扰密封所需的冷却和润滑。

图 4：为应用选择机械密封时需要考虑的五个关键特征

机械密封选择的关键因素

既然我们已经知道机械密封是如何“密封”的，那么了解机械密封在特定应用中的成功之处就显得尤为重要。这首先要看密封设计者的目标是什么。这从根本上说很简单，但在实际生活中却很难实现：

• 使密封面尽可能平整和平行
• 使密封面尽可能靠近，以限制泄漏量

不同的密封设计者（制造商）会采用多种方法来实现这一目标。以下是应重点关注的五个关键特征。

1. 受保护的弹簧

许多早期的密封设计将弹簧定位在密封的旋转部分上。这就是众所周知的旋转密封设计（图5）。如图5所示，弹簧暴露在工艺流体中，有可能发生化学侵蚀或堵塞。

认识到这些潜在问题，密封设计人员开发了一种设计，通过将弹簧与工艺流体隔离来保护弹簧，如图6所示。

图5：弹簧暴露在工艺流体中的旋转密封设计

图6：弹簧与工艺流体隔离的密封设计

2. 平衡设计

机械密封平衡是一个可以单独写完这篇文章的话题。简单来说，密封平衡描述了施加在密封面上的液压（负载）量。密封面载荷越大，密封界面产生的变形和热量就越大，这与上述设计目标要求相反，同时也决定了机械密封的运行能力。非平衡型密封的性能极限低于平衡型密封设计。如图6所示，非平衡密封设计是指填料函的全部压力会影响密封面上的负载。

平衡密封设计是指只有部分密封界面暴露在填料函压力下，如图7所示。通过减少密封界面上的液压负载，密封可以在更高的压力、温度和转速下更可靠地工作。

图 7：“平衡”密封设计，其中只有部分密封界面受到填料函压力的影响

机械密封的平衡是由所谓的平衡比来定义的，平衡比是计算施加在密封界面上的闭合力与反向开启力之间的比率。如果该比率大于1.0，则认为密封不平衡。标准平衡密封设计的平衡比在0.65至0.85之间。然而，对于特定应用，密封设计可以利用不同的比率来优化设计。

3. 无微动设计

图8显示了一个泵轴套，在密封的动态弹性体所在区域有一个磨损的小凹槽。这种情况发生在旋转密封设计中，因为没有任何东西是完全对齐和同心的，因此旋转密封面将相对于静止密封面移动。这种非常小的运动会导致动态弹性体（O形圈、波纹管）来回摆动，从而造成所示的磨损。如果这种情况持续一段时间，凹槽可能会变得足够深，足以抑制在运行过程中保持密封面之间的小间隙所需的动态跟踪，从而导致泄漏增加。图9显示了这一过程。

图 8：动态弹性体在运行过程中来回移动，在泵轴套上磨出凹槽

图 9：密封的动态弹性体与泵轴套之间的相对运动导致磨损

对于图10所示动态弹性体的位置，密封设计人员有三种选择。最初，动态弹性体被直接放置在泵的轴套上或直接放置在轴上，这导致了上图所示的损坏。为了解决这个问题，密封设计师可以将动态弹性体移到机械密封本身中，但这只是将内部磨损移到密封的金属表面，在那里仍然会产生问题。或者，密封设计者可以将动态弹性体放置在不接触任何金属表面的地方，从而实现无微动设计。

图 10：动态弹性体位置，其中两个位置随着时间的推移会产生微动

4. 整体密封面

许多第一代和第二代密封设计都采用了所谓的复合密封面技术。其定义是将密封材料插入或嵌入金属支架，通常是不锈钢或制成密封金属部件的合金。图11显示了一种采用复合密封面的密封设计。

图11：密封材料（蓝色）嵌入金属支架

20世纪90 年代，第三代密封设计问世，包括使用整体密封面技术。这意味着整个密封面由碳/石墨、碳化硅或碳化钨等一种材料制成。图12显示的是整体密封面。

图12：带有平衡整体密封面的现代集装式密封

整体密封面设计的主要优势与热膨胀有关。在复合密封面设计中，两种不同的材料具有不同的膨胀系数。在较热的流程介质中，材料会以不同的速度膨胀，导致密封面产生额外的变形，这可能会限制密封在运行期间和之后提供充分的泄漏控制的能力。图13显示了复合密封面在正常运行时的变形情况。

图13：正常工作过程中复合（嵌入）密封面所经历的变形阶段

Stage 1 表示在开始运行前安装在泵中的密封。随着密封开始旋转（Stage 2），温度开始升高，各种材料开始以不同的速度膨胀，导致端面变形。当系统达到平衡时，密封面也将趋于稳定，包括磨损（Stage 3）。当泵关闭时（Stage 4），所有部件开始冷却，导致除密封面以外的零件恢复原状，这可能导致密封泄漏增加。与复合密封面设计不同，整体式密封面可恢复到原来的形状，从而提供更高的可靠性和泄漏控制。

5. 静止密封设计

静止密封设计是指弹簧安装在机械密封的静止面上，如图14所示。静止密封设计的优点是，当出现任何静态不对中时，静止弹簧必须移动一次，使静止面与旋转面对齐。

图14：静止密封设计，板簧安装在密封外部

相反，在旋转密封设计中，轴每旋转一圈，弹簧就必须动作两次，以保持动态跟踪。因此，如果泵以公称的每分钟1,800转 (rpm) 的速度运行，则旋转弹簧和密封面每分钟移动3,600次。在额定转速为 3,600 rpm 的应用中，旋转部件每分钟运动7,200次。如果有任何东西干扰了这一运动，密封面就会瞬间打开，导致泄漏增加。如果有颗粒存在，密封面之间就有可能夹带颗粒，导致泄漏增加、密封面磨损和损坏。

鉴于这种内部运动量，有可能会有东西打断动态跟踪，导致密封界面瞬间 '打开'，从而增加泄漏。这也为污垢或其它碎屑进入密封面之间提供了机会，导致磨损和损坏加剧。