机械密封 目 录 一、机械密封原理 （一）定义与组成（图1-1） 二、机械密封的基本零件 （一）对摩擦副密封环的要求 （十）整体式密封
环 三、机械密封的计算 （一）补偿环的受力状况 摩擦副密封环是机械密封的主要元件，它在很大程度 上决定了机械密
封的性能和寿命。因此，对它有一些基本 要求。 （1）足够的强度和刚度 保证在工作条件（如压力，温度，滑动速度
等）下不损坏，变形小，工作条件波动时影响小。 （2）端面有足够的硬度、耐腐蚀性能确保使用寿命。 （3）耐热冲击力
高的导热系数，低的线膨胀系数。 （4）较小的摩擦系数，良好的自润滑性，材料与介质有很好的浸润性短时间干
摩擦，不损伤端面。 （5）易加工，材料成本低 （1）一般选择一软一硬的材料配对，软环作窄环，如 YG6/M106K，只有介
质含固体颗粒、易结晶、粘度高 时才选用硬对硬。 （2）尽量采用内装、内流式结构，防止机械杂质进入密封 端面，减少泄漏量。 （3）选
导热性良好材料作动环。 以利散热，降低端面温度。 （4）环的壁厚不可太薄，以保证整体强度、刚度，也利散 热（导
热欠佳的材料，可薄一些）。 （5）动环和轴（轴套）间隙A11（0·4~0·6）以利补偿 静环和轴（轴套）间隙1
~3mm以免摩擦 （二）摩擦副匹配要考虑的因素 （1）主要决定窄环（软环）宽度，宽环外径—窄环外径 ≥0.5
，宽环内径≤窄环内径－0.5； （2）泄漏量与摩擦副端面宽度关系不大 （3）窄的端面摩擦热少，温度梯度小，热变形小，磨损均匀
； （4）从受力角度出发，窄的端面整体强度和刚度差，易损坏 或变形。因此应综合考虑。对于普通密封，端面宽度推
荐值如下： （三） 密封端面宽度 宽系列用于组对性能好（如YG6/M106K、SiC/M106K）、工
况条件好的场合 窄系列用于组对性能欠佳（如YG6/YG6、YG6/青铜）、饱和蒸气压高、易挥发、颗粒介质，高速机械密封，（对于轻
烃介质，在强度够的情况下，取窄系列）。 3.0 3.0 2.5 2.0 2.0 1.5 窄系列 5.0 5.0 4.0 3.0
2.5 2.0 中系列 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.5 宽系列 ≤120 ≤100 ≤70 ≤55 ≤35 ≤16
轴 径 （１）平面度0.0009，硬质Ｒａ≤0.2，软质Ｒａ≤0.4，表 面不应有裂纹、划伤、气孔、疏
松等缺陷。 （２）密封环端面与安装辅助密封圈处的平行度、垂直度按 ＧＢ１１８４－８０的７级精度要求。 （３
）安装辅助密封圈处粗糙度：Ｒａ≤3.2，径向尺寸公 差Ｈ８或ｈ８。 上述要求是对普通机械密
封而言，对转速较低的釜用 机械密封可适当放宽标准，对高速机封要求更高。 （四）密封环的主要技术要求 平面度0.
0009，普通量具无法检测，通常利用光波的干 涉效应来检测。 （1）光波的干涉效应 根据波动学原理，两波产生干涉
的条件是： （a）两波在相遇点振向一致； （b）两波具有相同的频率； （c）两波在相遇点有固定的周相差 。（两个同样的钠光灯
不行，只有用同一光源发出的光设法分成两束，才 满足相干条件） （五）摩擦副端面平
面度检测 满足相干条件的两束光的叠加效果是：在波程差为波长 整数倍的地方，光强度加强；在波程差为半个波长的奇数倍 的
地方，光强度减至零（变暗）。这就是光的干涉原理。 （2）平面度检测原理 设入射角i=0，e为气膜厚度（即是被检测
面上点到平 晶的距离），λ为光波波长，δ为光的波程差，那么 δ=2e＋λ/2 当δ=kλ时，被检测面上点变暗； δ=(2k＋1)λ
/2 ，被检测面上点变亮 ；（其中k=0,1,2,3,4,…， k为整数） 由以上公式可以得出下面结论： （ⅰ）相邻两条光带所对
应两点的气膜厚度差（高度差） 为λ/2，（对于钠光灯λ=0.589μm，λ/2≈0.3μm） （ⅱ）相邻两条光带宽b=λ/2Sin
θ，（θ为空气膜倾斜角） （ⅲ）当e=0时，δ=λ/2（半波损失），出现暗条纹； （1）合格光带举例 （2）平面度检测器（图2
-3） 平晶：由派利克斯玻璃、熔凝水晶或折射系数为1.516的光学玻璃制造。表面平面度0.1μm(2级)，0.03μm (1级)
。 光源:钠光灯(λ=0.589μm) 密封端面承载能力与表面粗糙度有很大关系，大约有 如下关系： （六）密封
端面的粗糙度要求 0.05 1.5 7.3 24 端面比压增加（倍） 95 40 12 4 承载面积（%） 0.2 0.4 0.8
3.2 粗糙度 由此可以看出，密封端面粗糙度应在0.2以上，否则，端面比压比理论值高的多，结果是高点接触，局部压
力很高；由于摩擦副的硬度、刚度的差异，局部高点发热甚至产生裂纹。石墨环表面磨出细微的环状沟纹。泵的振动和动、静环的不同心会加剧这种
磨损。被磨掉的颗粒存在于端面中，形成磨粒磨损，磨损加剧，有时在泄漏的介质中可以看到石墨黑浆。 非补偿动环（只旋转，不能补偿，其后
无弹性元件。) 补偿动环（既旋转，又作轴向补偿，其后有弹性元件。) （ⅰ）辅助密封圈受轴向力，轴向、径向都起密封作用，这
种密封方式较为可靠。 （ⅱ）辅助密封圈只受径向力，易产生老化、冷流变形，从 而导致密封失效
。 （ⅲ）波纹管：无作轴向补偿的辅助密封圈，因此，浮动 性好，密封圈不易失效。 （七）动环（旋转环）
非补偿静环（不旋转不补偿）：主要有三种安装方式： 浮装式、托装式、夹固式。 补偿静环（不旋转只补偿
）：其辅助密封圈情况和补 偿动环基本一致。 （八）静环(不旋转) 整体式（用同一种材料制造）、组合式（如镶嵌）、
表面堆焊、表面喷涂 （九）密封环的种类 各个部位性能均匀一致，最常用的有：石墨、SiC、钴 基硬质合金、镍基硬
质合金、NiCr基硬质合金、陶瓷等。 整体环价格高，加工困难，因此出现组合式密封环。 组合式包括： （ⅰ）热装式
（ⅱ）带密封圈式（无组合应力、无应力变形；开槽、打 孔麻烦，多一泄漏点） （十一）组合式 优点：
结构简单，性能优异，价格较低，运用较多。 缺点：（ⅰ）因过盈接触不均匀，而产生机械变形。 （ⅱ）两种材料线
膨胀系数不一致，当温度变化
时，过盈量变化，会产生应力变形。 （十二）热装式密封环 Δδ=δ－Dp（α1－α2）ΔT 式中 Δδ：工作温度时的过盈量
δ：常温过盈量 Dp：镶嵌直径
α1：座线胀系数 α2：环的线胀系数 ΔT=工作温度－常温（20。C
） （YG6：4.5×10－6 1/。C 1Cr18Ni9Ti：16.6×10－6 1/。C
3Cr13：11.5×10－6 1/。C） （1）在满足传递扭矩的情况下，取最小过盈值；
（十三）热装式密封环的过盈值选择 （2）由上式，当使用温度为300°C时，对 YG6/1Cr18Ni9Ti，
过盈量为： δ= Dp（16.6－4.5）×10－6×（300－20） =3.4×10－3 Dp （以便
记忆） （3）长期放置的镶嵌环，使用前要检查平面度； （4）对大直径、高转速(环座产生离心力)、弹性模量小
的材质(4J42、钛合金)，过盈量可相应大一些。 （5）高温200°C以上少用热装式结构，否则要核算过 盈量
。 （1）材料要求 （ⅰ）在工作温度下耐介质腐蚀 （ⅱ）足够的弹性 （ⅲ）有一定强度(柔性石墨因强度差，使用场合受到限制) （ⅳ
）耐磨 （ⅴ）易加工、价格低 （2）种类 （ⅰ）按材料分：合成橡胶、聚四氟乙烯、柔性石墨等； （ⅱ）按截面形状分：圆形、矩形、V形
、楔形、包四氟形等； （十四）辅助密封圈 把轴或轴套的运动方式(旋转)传递给动环，一般是通过 键、紧定螺钉、传动
螺钉、销、R槽、拨叉、弹簧、波纹管 等的组合来传递运动。 （1）紧定螺钉（顶丝）传动：在轴表面划凹坑，否则易打
滑失效，特别当直径较大和温度较高时。 （2）键＋台阶传动 （3）拨叉传动（一边开槽一边伸爪） （4）并圈弹簧传动（弹簧旋向必须和
轴旋向一致） （十五）传动机构的作用 （5）销钉传动 （6）凸耳传动 （7）勾圈弹簧传动 （8）波纹管传动 （9）螺帽固定 （1）
浮装式（可以在轴向、径向设计防转销） （2）托装式(一般小扭矩可不用销，要注意端面垂直度) （3）夹固式(浮动性差，注意端面垂直度
) （4）防抽空(前加卡环) （十六）静环防转方式 螺旋压缩弹簧 锥形弹簧：轴向尺寸较小 碟形弹簧：轴向尺寸小 波片弹簧：轴向
尺寸小 并圈弹簧、带勾弹簧：双功能(弹力、传动) 波纹管：三功能(弹力、传动、密封) （十七）机械密封的弹性元件 橡胶波纹管：用
于中性介质：水、油，压力、温度都不高 的场合； 聚四氟乙烯波纹管：用于腐蚀性介质，
酸、碱； 金属波纹管：用于高温、高速(追随性好)。 (十八)波纹管种类 （1）???? 制造 采用厚度为0.1-
0.2mm的沉淀硬化不锈钢薄带(AM350、0Cr17Ni17Ti、0Cr15Ni17Mo2Al、INCONEL-X-750及Ti
合金、Hasterlloy C-276等)冲压成截面为S形的片状环形件，再焊接成型(用微束等离子焊)。 沉淀硬化不
锈钢焊接后须经热时效处理，将奥氏体转变为马氏体，并使马氏体中析出金属化合物，沉淀出硬化相，从而获得高强度、较高的塑性及屈强比（σS
/σD＞0.8~0.9）。 例：AM350 热失效：真空炉850°C进行淬火处理，再进行－80°C的低温处理(制冷剂F12)，以
达到增加弹性、稳定尺寸的目的。 （十九） 焊接金属波纹管密封 （2）特点 焊接金属波纹管密封不用会产生较小滑移的辅
助密封圈，使用温度范围广：－200~600°C。高速下对轴的振动、振摆适应性强，追随性好。 （3）弹率(刚度N/mm)
k=πEt3（d1＋d2）/2nB3·d2/d1 E：工作温度下弹性模量（N/mm2）： AM350： 1.75
×10－6(315.6°C)、 INCONEL：2.14×10－6(26.7°C)、1.59×10－6(649°C)、 17-7P
H： 2.0×10－6(21.1°C)、 Ti： 1.31×10－6(－196°C)、1.14×10－
6(23.9°C)、 0.70×106(538°C)。 t：波片厚度mm n：波数
d1/d2：管子内外径mm B：波纹管片宽（d2－d1）/2 公式中未考虑波片断面形状，具有一定误差，实际 生产中
用弹簧测力计测弹率(刚度)。 要进行端面比压计算，首先要分析补偿环的受力情况。 如图，补偿环受到的力有： 一、机械密封原
理 二、机械密封的基本零件 三、机械密封的计算 四、机械密封用材料 五、机械密封辅助系统 六、机械密封性能的影响因素 七、石化行业
典型泵的密封 八、机械密封的安装和使用 九、机械密封故障分析 十、补充内容 （一）定义与组成 （三）密封机理 （四）辅助设施 （五
）机械密封的种类 （六）旋转式和静止式机械密封 （七）内装式和外装式机械密封 （八）内流式和外流式机械密封 （九）多弹簧和单弹簧机
械密封 （十）平衡型和非平衡型机械密封 一、机械密封原理 （十一）补偿机构形式 （十二）双端面机械密封 （十三）串联式机械密封
（十四）波纹管机械密封 （十五）集装式机械密封 （一）对摩擦副密封环的要求 （二）摩擦副匹配要考虑的因素 （三）密封端面宽度 （四
）密封环的主要技术要求 （五）摩擦副端面平面度检测 （六）密封端面的粗糙度要求 （七）动环（旋转环） （八）静环（不旋转） （九）
密封环的种类 （十）整体式密封环 二、机械密封的基本零件 （十一）组合式 （十二）热装式密封环 （十三）热装式密封环的过盈值选择
（十四）辅助密封圈 （十五）传动机构的作用 （十六）静环防转方式 （十七）机械密封的弹性元件 （十八）波纹管种类 （十九）焊接金属
波纹管密封 （一）补偿环的受力状况 （二）密封端面中液膜反力的分布情况 （三）液膜反力的计算 （四）易汽化介质中密封端面间的液膜压
力分布 （五）膜压系数的影响因素 （六）弹簧比压的计算 （七）载荷系数K （八）端面比压 （九）波纹管的有效作用直径de （十）P
V值 三、机械密封的计算 （一）摩擦副材料要求 （二）制造摩擦副的常用材料 （三）碳石墨 （四）硬质合金WC （五）SiC陶瓷 （
六）Al2O3 陶瓷及其它陶瓷介绍 （七）表面堆焊硬质合金 （八）作摩擦副的金属材料 （九）填充聚四氟乙烯 （十）辅助密封圈材料要
求 四、机械密封用材料 （十一）合成橡胶 （十二）柔性石墨（也称膨胀石墨） （十三）弹性元件材料 （十四）机械密封中基体材料 （一
）为什么机械密封要采用辅助系统 （二）什么是辅助系统 （三）自冲洗的形式 （四）循环冲洗 （五）注入式冲洗 （六）冲洗液进入密封腔
的方式 （七）冲洗量的确定 （八）冲洗量的控制 （九）冲洗压力的确定 （十）密封腔中的压力确定 五、机械密封辅助系统 （十一）对冲
洗流体的要求 （十二）热油泵的冲洗液选择 （十三）烷基化装置中浓硫酸的冲洗液的选择 （十四）轻烃、轻油泵密封冲洗液的选择 （十五
）机械密封的冷却方式 （十六）辅助设施在何种工况下必须选用 （一）密封性的影响因素 （二）机械密封端面的摩擦状态 （三）载荷系数
对密封性能的影响 （四）弹簧比压对密封性能的影响 （五）端面粗糙度对密封性能的影响 （六）端面间缝隙形状对密封性能的影响 （七）产
生端面不平行的原因 （八）密封端面的机械变形 （九）密封端面的热变形 （十）影响机械密封性能的其它因素 六、机械密封性能的影响因素
（一）石化行业高温泵（热油泵）密封分析 （二）轻烃泵密封分析 （三）低温泵密封分析 （四）高速机械密封 七、石化行业典型泵的密封
（一）安装机封的泵的技术要求 （二）安装密封前要了解泵及介质情况 （三）机械密封的安装 （四）泵的抽空和汽蚀 八、机械密封的安装
和使用 （一）摩擦痕迹大于端面宽度 （二）摩擦痕迹小于端面宽度 （三）硬环上无摩擦痕迹 （四）石墨端面出现均匀的环状沟纹 （五）石
墨端面中间产生环状深沟 （六）石墨内缘磨损 （七）石墨环台阶过早全磨掉 （八）石墨环外缘出现缺口 （九）石墨环断裂 （十）石墨环出
现蚀坑 九、机械密封故障分析 （十一）硬质合金表面灼伤和裂纹 （十二）其它故障简介 （十三）泵抽空密封失效现象 （十四）密封腔中汽
蚀，密封失效现象 （十五）密封端面汽化的失效现象 （十六）泵振动过大的失效现象 （十七）没有冲洗的故障现象 （十八）动环选材注意事
项 （一）机械密封标准介绍 （二）机械密封辅助系统 （三）机械密封的安装 （四）磁力密封介绍 （五）高压机械密封研制 十、补充内容
组成: 1.密封端面： 动环、静环─摩擦副 2.缓冲补偿机构： 由弹性元件(圆柱弹簧、圆锥弹簧、波片弹簧、波纹管等)构成。—使贴
合; 3.辅助密封圈： 包括动环密封圈、静环密封圈等，有各种形式：如O型圈、V型圈、楔形圈等 机械密封是一种用于旋
转流体机械的轴封装置。（用 于离心泵、离心机、反应釜、压缩机等设备，轴和设备腔 体间存在一个圆周间隙，设备介质从中泄漏，因此必须设
一道阻漏装置。因机械密封具有泄漏少、寿命长等优点， 成为了主要的轴密封方式，又叫端面密封。） 在国家有关标准中的
定义：由至少一对垂直于旋转轴 线的端面组成,在流体压力及补偿机构弹力(或磁力)共同作 用下，以及辅助密封圈的配合下， 该对端面保持
贴合并相 对滑动，而构成的防止流体泄漏的装置。 3、原理 通过一系列零件将径向密封转化为轴向密封，在弹簧和介质压力共同作
用下，对由于设备运行所造成的轴向磨损可以及时补偿，使轴向密封面始终保持贴合。由于机械密封（轴向密封）在运行中可以对轴向磨损进行补偿
，而填料密封（径向密封）不能对径向磨损进行补偿，故机械密封比填料密封寿命长。 2、传动关系 轴或轴套───紧固螺钉5──
弹簧座4──弹簧3─补偿环1 压盖──防转销8─非补偿环6 （三）密封机理 1、4个密封点（亦称4个泄漏点，如图1-1）
泄漏点1—摩擦端面泄漏点，依靠弹力和介质压力保持贴和（动密封点,两个摩擦副之间有相对转动） 泄漏点2—补偿环密封圈，静密封点，密封
圈与轴或轴套之间有微动; 泄漏点3—非补偿环密封圈，静密封点，密封圈与相配合件之间相对静止; 泄漏点4—压盖与腔体间的密封圈，静密
封点，密封圈与相配合件之间相对静止. 通过冲洗、冷却、过滤、分离等方式进行冷却 和润滑，从而改善密封的工作环境，减
少密封的泄 漏量，延长使用寿命。应当把它看作机械密封的组 成部分。 （四）辅助设施 1、 按使用条件分类 （1）高速密封（ZBJ
22-001-88：线速度25～100m/s）和普通密封 （2）高压和低压密封 （3）高温、常温和低温密封 （4）泵用、釜用和压缩
机用密封 （5）耐腐蚀、抗颗粒机械密封 2、 通常按结构分类 多弹簧、单弹簧密封 旋转式、静止式密封 外装式、内装式密封 外流式、
内流式密封 （五）机械密封的种类 （六）旋转式和静止式机械密封（图1-2） （1）旋转式：补偿机构（弹性元件）随轴旋转。) （由
于安装方便，普通密封大多采用，但易产生不平衡，不能用于高速, 且消耗搅拌功率 （2）静止式：补偿机构（弹性元件）不随轴旋转。（用于
高速） （七）内装式和外装式机械密封（图1-3） （1） 内装式：静环装在压盖内侧，静环端面面向工作腔。
（用于温度、压力较高，腐蚀性不强的场合） （2） 外装式：静环装在压盖外侧，静环端面背向工作腔。 （用于低压、
腐蚀性强的场合） （一般和内装式、外装式一致） （1）内流式：泄漏方向朝向轴心。（一般密封都采用这
种结构） （2）外流式：泄漏方向朝向离心力方向。（泄漏量大， 只有在压力、温度都不高的腐蚀性
介质中用） （八）内流式和外流式机械密封 （九）多弹簧和单弹簧机械密封 （1）多弹簧：（又叫小弹簧，轴向尺寸小，轴向弹力均
匀）宜用于高速，不宜用于腐蚀性介质。 （2）单弹簧：（又叫大弹簧，轴向尺寸大，轴向弹力不 均匀
）不宜用于高转速的场合。 （1）平衡型：载荷系数K＜1.0 （用于高压场合） （2）非平衡型：载荷系数K≥1.0 （用于普通压力场合） （十）平衡型和非平衡型机械密封 （十一）补偿机构形式 （1）磁力：系统压力较低时用 （2）波片弹簧、锥形弹簧、螺旋圆柱大弹簧、小弹簧 （3）橡胶波纹管、聚四氟乙烯波纹管、金属波纹管 两套密封面对面或背对背安装在一起。 用于工作介质有毒、易燃、易爆、易挥发、易结晶、高温、低温，或气体、高真空度等场合。 两套密封之间形成一个密封腔，在密封腔中引入封液：堵封、润滑、冷却，选洁净、润滑性好的封液介质。 （十二）双端面机械密封（图1-4） 两套密封沿同一方向布置，密封腔压力逐级降低, 用于高压场合。 （十三）串联式机械密封（图1-5） 去掉了补偿环密封圈及其摩擦阻力，补偿环密封圈改至弹簧座处, 补偿环追随性提高. 避免了补偿环密封圈因轴串、振动所产生的磨损。 金属波纹管用于高温介质 聚四氟乙烯波纹管用于腐蚀性介质。 （十四）波纹管机械密封 将机械密封、轴套、压盖组合成一个整体。 安装时只需固定压盖、轴套，取下定位挡块即可。 安装方便，排除了安装不良的影响。 （十五）集装式机械密封（图1-6） |
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