机械密封的基本原理
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机械密封的基本原理范文第1篇
关键词：泵机械密封；泄漏原因
中图分类号：F407文献标识码： A
一、机械密封的基本原理及选型
1.1机械密封
由于泵内流体和泵外大气间存在着压差，为了防止流体外泄，因此泵在运行时需设密封装置，称其为轴封。机械密封是由两块密封元件：静环和动环组成。垂直于轴的光滑而平直的表面相互贴合，并做相对转动而构成的密封装置。它是靠弹性构件，如弹簧和密封介质的压力在旋转的动环和静环的接触面上产生适当的压紧力，使这两个端面紧密贴合，端面间维持一层极薄的液体膜而达到密封的目的。这层液体膜具有流体动压力与静压力，起着与密封的作用。
1.2机械密封的选型
（1）机械密封的类型。机械密封按其布置形式分为单端面、双端面、串联等几种形式。
（2）机械密封的选择。根据机械密封的不同特点以及现场的不同工况，机械密封的具体选用分为：易腐蚀介质：酸类。密封件受化学腐蚀，密封面上的腐蚀速率为无摩擦表面的2倍。这就要求密封环既耐腐蚀又耐磨，辅助密封圈的材料既要弹性好又要耐腐蚀。高粘度介质：油、齿轮油、渣油等。粘度高时性能好，但过于高会影响动环的浮动，这就要求摩擦辅材料耐磨，弹簧要有足够的能力克服高黏度介质产生的阻力。高温介质：热油、油浆等。随着温度提高，密封磨损和腐蚀加快。材料强度降低，介质易汽化，密封环易变形。含固体颗粒：塔底残油、油浆、原油、浆体等。会引起密封环端面的剧烈磨损，固体颗粒沉积在动环处会失去浮动，这就要求摩擦副要耐磨，要能排除固体颗粒或防止颗粒沉淀
二、泵用机械密封检修中的几个误区
在转动设备特别是机泵密封泄漏的维护维修中常存在一些认识误区，导致过度维修，浪费维修费用增加成本消耗。
（1）弹簧压缩量越大密封效果越好，其实不然，弹簧压缩量过大，可导致摩擦副急剧磨损，瞬间烧损过度的压缩使弹簧失去调节动环端面的能力，导致密封失效。
（2）动环密封圈越紧越好，其实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，过漏。二是增大了动环轴向调整、移动的阻力，在工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。
（3）静环密封圈越紧越好。静环密封圈基本处于静止状态，相对较紧，密封效果会好些，但过紧也是有害的，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。
（4）叶轮锁母越紧越好。机械密封泄漏中，轴套与轴之间的泄漏轴间泄漏是比较常见的。一般认为，轴间泄漏就是叶轮锁母没锁紧，其实导致轴间泄漏的因素较多，如轴间垫失效，偏移，轴间内有杂质，轴与轴套配合处有较大的形位误差，接触面破坏，轴上各部件间有间隙，轴头螺纹过长等都会导致轴间泄漏。锁母锁紧过度只会导致轴间垫过早失效，相反适度锁紧锁母，使轴间垫始终保持一定的压缩弹性，在运转中锁母会自动适时锁紧，使轴间始终处于良好的密封状态。
（5）新的比旧的好。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渗透性介质中，静环如无过度磨损，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，能起到较好的密封作用。
（6）拆修总比不拆好。一旦出现机械密封泄漏便急于拆修，其实，有时密封并没有损坏，只需调整工况或适当调整密封就可消除泄漏。这样既避免浪费又可以验证自己的故障判断能力，积累维修经验提高检修质量。随着材料和制造技术的进步，机械密封的可靠性有了极大的提高，现在机械密封本身可以无故障运转多年。单纯由于机封本身原因造成泵泄漏的情况并不很多。处理机械密封泄漏问题时，我们一定要综合考虑泵的安装精度、操作运转条件、机封装配精度等方面因素，查清原因，有针对性的解决存在的问题。
（7）忽视密封冷却冲洗和的作用。由于机械密封工作时，动环和静环端面间不断产生摩擦热，若冷却冲洗和不到位，则使某些零件发生老化、烧焦现象，影响使用寿命。要根据不同的工况（如温度、介质、环境等）选择合理的冷却冲洗和方式。在使用中要保证冷却水的通畅，以保证机械封正常工作。一般在 0～80℃时，常由泵出口将干净的介质直接引入密封腔冲洗、冷却；当介质温度在 80～200℃时，要在密封腔外加一冷却水套进行间接冷却，当介质易结晶时将冷却水改为蒸汽保温。
三、原因分析及判断
2.1泄漏原因
（1）安装静试时泄漏。机械密封安装好后，一般要进行静试，观察泄漏量。如泄漏量较小，多为动环或静环密封圈存在问题泄漏量较大时，则表明动、静环摩擦副间存在问题。在此基础上，再手动盘车观察，若泄漏量无明显变化则静、动环密封圈有问题如盘车时泄漏量有明显变化则可判定是动、静环摩擦副存在问题如泄漏介质沿轴向喷射，则动环密封圈存在问题居多，泄漏介质向四周喷射或从水冷却孔中漏出，则多为静环密封圈失效。此外，泄漏通道可能几个同时存在，一般有主次区别，只要细致观察，一般都能正确判断。
（2）试运转时出现的泄漏。泵用机械密封经过静试后，运转时高速旋转产生的离心力，会抑制介质的泄漏。试运转时机械密封泄漏在排除轴间及端盖密封失效后，基本上都是由于动、静环摩擦副受破坏所致。引起摩擦副密封失效的因素主要有操作中，因抽空、气蚀、憋压等异常现象，引起较大的轴向力，使动、静环接触面分离动环密封圈过紧，弹簧无法调整动环的轴向浮动量静环密封圈过松，当动环轴向浮动时，静环脱离静环座工作介质中有颗粒状物质，运转中进人摩擦副，探伤动、静环密封端面设计选型有误，密封端面比压偏低或密封材质冷缩性较大等。上述现象在试运转中经常出现，有时可以通过适当调整静环座等予以消除，但多数需要重新拆装，更换密封。
（3）正常运转中突然泄漏。离心泵在运转中突然泄漏，少数是因正常磨损或已达到使用寿命，而大多数是由于工况变化或操作、维护不当引起的。抽空、气蚀或较长时间憋压，导致密封破坏泵实际输出量偏小，大量介质泵内循环，热量积聚，引起介质气化，导致密封失效回流量偏大，导致吸入管侧容器锅、槽、罐底部沉渣泛起，损坏密封较长时间停运，重新起动时没有手动盘车，摩擦副因粘连而扯坏密封面介质腐蚀性、聚合性、结胶性物质增多环境温度急剧变化工况频繁变化或调整突然停电或故障停机等。离心泵在正常运转中突然泄漏，如不能及时发现，往往会酿成较大的事故或损失，须予以重视并采取有效措施。
2.2泄漏部位原因分析解决方法
（1）动环辅助密封环处泄漏。密封圈的材质与介质不相容，重新选用材质。轴套的尺寸或表面粗糙度未达到要求，更换轴套
（2）静环辅助密封环处泄漏。尺寸公差有误，更换合格品。安装错误，重新安装
密封圈质量有问题，更换合格密封圈。密封圈的材质与介质不相容，重新选用材质。
（3）轴套处泄漏。轴套密封未处理好，更换密封垫。
四、结束语
机械密封在机泵中应用非常广泛，但泄漏问题普遍存在，直接影响设备的安全稳定运行和使用寿命。泵的机械密封种类繁多，型号各异，但泄漏点一般分布在五处轴套与轴间的密封动环与轴套间的密封动、静环间密封静环与静环座间的密封密封端盖与泵体间的密封。产生渗漏要进行认真分析判断，然后采取具体的措施进行解决。选用合理的机械密封，提高安装质量和减少运转设备的振动，防止压力、温度等条件的变化过大是提高机械密封可靠性和使用寿命的有效方法。
机械密封的基本原理范文第2篇
[关键词]污水泵 填料密封 机械密封 改造
污水处理工程是环境保护的重要项目,而污水泵作为污水处理工程的主要配套设备被广泛应用于城市排污、矿山、冶金、电力以及石化等污水处理作业,发展前景广阔。污水泵产品除了要求技术性能好之外,密封是污水泵的关键,必须可靠性高,污水泵无故障运行时间长。污水泵在工作中,密封一旦失效,外部介质或油室中的油便会进入电机腔,引起潜水电机缺相、短路、漏电、烧坏电机,甚至影响人身安全。因此,为了进一步提高污水泵使用的安全性、运行可靠性以及提高污水泵无故障运行时间,有必要对污水泵通常使用的机械密封进行结构分析,实行改进。
一、常用的密封形式及不足
目前,污水泵产品常用的密封形式有两种:填料密封和机械密封。填料密封,如图1所示,是最古老的一种密封结构,发源于工业革命之前的传统密封装置,有着100年的材料工艺、剂系统和制造方法,并保持持续进步,目前很多的应用场合。经分析,该软填料密封结构存在如下缺陷:
1.密封介质含有的杂质严重影响密封性能。杂质进入软填料密封内部,进一步增大了填料密封和轴套之间的摩擦、磨损。虽然材料耐磨性较好,但是使用效果仍然不佳,泄漏频繁。另外由于没有采用封液对填料密封进行冷却,也加剧了填料与轴套之间的磨损。
2.工作状态不稳定需频繁调整和更换填料。由于软填料自身具有的粘弹特性,在工作状态下会出现明显的应力松弛。为保持其正常的密封功能,需不断地通过压紧压盖来增大填料与轴的径向接触力,同时也增大了软填料与轴的磨损,因此不得不经常更换(或添加)填料,维修工作量和费用大大增加。
3.磨损严重致使能耗量大。根据软填料密封的工作机理,填料密封与轴(或轴套)之间必须保持较大的径向接触压力以维持密封,因此填料和轴(或轴套)的摩擦、磨损都很严重,在密封很快失去工作能力的同时,造成相当大的能耗浪费。
机械密封具有摩擦功率损失小、寿命长、不泄漏等诸多优点,目前已在水泵上广泛应用。要把填料密封结构的水泵改造成机械密封结构需从设计、结构和加工几方面考虑。
文献讨论了污水泵工况时软填料密封的失效原因,并提出了改进的方案,有一定的借签和实用价值;机械密封亦称端面密封,其有一对垂直于旋转轴线的端面,该端面在流体压力及补偿机械外弹力的作用下,依赖辅助密封的配合与另一端保持贴合,并相对滑动,从而防止流体泄漏。
污水泵中常用的机械密封结构有两种形式:一种方案是在潜水污水泵的油室里安装一套双端面机械密封(见图2);另一种方案是在污水泵油室里设置一套单端面机械密封,而另一套设置在泵腔,使用在所抽送的污水介质中。
1—轴套;2—动环辅助密封圈;3—动环;4—密封垫片;5—静环;6—静环辅助密封圈图机械密封通常由动环、静环、压紧元件和密封元件组成。其中动环和静环的端面组成一对摩擦副,动环靠密封室中液体的压力使其端面压紧在静环端面上,并在两环端面上产生适当的比压和保持一层极薄的液体膜而达到密封的目的。压紧元件产生压力,可使泵在不运转状态下,也保持端面贴合,保证密封介质不外漏,并防止杂质进入密封端面。图2所示为双端面机械密封,水泵侧与电机侧两道密封端面都是靠弹性构件-弹簧和密封介质的压力在旋转的动环和静环的接触表面上产生适当的压紧力,使这两个密封端面紧密贴合,端面间维持一层极薄的液体膜而达到密封的目的。其中水泵侧密封端面与电机侧密封端面结合处B,是密封点,防止所抽介质进入油腔,防止油腔内的油进入电机腔;6为静环与压盖端面之间密封点, A处是动环与轴配合面之间的密封点,C是箱体间的密封。
图2中,A、B、C所示结构机械密封最容易出现泄露现象,由于使用介质的复杂性,易使抱轴橡胶老化,一旦出现老化就直接影响弹簧传动而使得密封失效,同时,两端面密封都得靠同一个弹簧产生压力,若其中一边端面接触失效,整套密封也就失效。因此,这种机械密封一直存在失效快、返修率高的不足之处,直接影响到泵使用寿命。
机械密封在实际运行中不是一个孤立的部件,它是与泵的其它零部件一起组合起来运行的,同时通过其基本原理可以看出,机械密封的正常运行是有条件的,例如:泵轴的窜量不能太大,否则摩擦副端面不能形成正常要求的比压;机械密封处的泵轴不能有太大的挠度,否则端面比压会不均匀等等。只有满足类似这样的外部条件,再加上良好的机械密封自身性能,才能达到理想的密封效果。
因此,在实际应用中,以机械密封来代替填料密封的情况越来越多。
二、填料密封的机械密封改造
1.改装方法
污水泵填料筒的径向尺寸和轴向尺寸较小,影响了机械密封的安装。在满足强度的情况下,将填料筒的内径相应地扩大;若有轴套,可将轴套的外径相应地缩小或将轴套拆除。
2.主要尺寸确定
(1)确定传动套或弹簧座在轴套上的位置。如图3所示。为了防止传动套或弹簧座同填料内套端面碰,把安装机械密封的起点尺寸定为[H-K=5~15mm]。
(2)确定轴套总长度。轴套的总长度一般比原来的总长度稍稍长一点。因为考虑到轴套尾端部分要伸出密封压盖5~10mm左右,以利于安装方便。尺寸根据设计的密封压盖厚度而定。
(3)确定传动套或弹簧座在轴套上的定位尺寸D:D=L-[H-K-(5-10)+l]。
1.填料箱平面 2.填料箱壳体 3.填料内套 4.轴套 5.轴 6.密封圈 E.内套端面 H.填料箱深度 L.套筒长度
(4)轴套与轴的密封。轴套与的形圈轴的密封可采用聚四氟乙烯车制成直径为3mm的O形圈来进行密封。安装机械密封的轴套,要求具有良好的抗腐蚀性和耐磨性,对于放置动环密封圈的轴套表面要求镀铬处理,表面粗糙度为0.8。
(5)密封压盖结构尺寸的确定。机械密封的静环装在压盖上。压盖上安装静环的各种配合尺寸均按静环的几何尺寸进行设计,结构可参照机械密封有关资料。
3.改造技术要求
(1)安装机械密封部位的轴或套。轴或套的径向跳动0.04~0.06mm;表面粗糙度不低于0.8,轴或套外径尺寸公差为h7;密封轴套端部必须做倒角并修光滑。
(2)密封压盖。密封压盖应有足够的厚度,防止在液体压力作用下产生变形;密封压盖固定螺栓不少于3个;与静环密封圈接触部位的表面粗糙度不低1.6,其接触面对轴中心线跳动允差±0.04mm;安装静环密封圈的端部必须做倒角并修光滑。
(3)转子。瞬时轴向窜动量不超过±0.15mm;轴向游动量不超过±0.1mm轴振动量不超过±0.05mm。
(4)密封腔。密封腔与密封压盖配合的止口跳动允差为0.04~0.08mm;密封腔与密封压盖配合的端面跳动允差为 0.06~0.08mm。
三、机械密封结构改造
将图2中C处密封面是机械密封最容易发生泄露处,而锥面机械密封特别适合于含有固体悬浊物的泵送设备,因此将C处改为锥面密封,如图4所示。静环材料为填充聚四氟乙烯,动环材料为不锈钢,锥面喷涂碳化钨。其主要特点为:
1.锥面机械密封的动环为一锥环,其半锥角为α;静环的内径
在设计中注意G与接触母线T的关系,当锥面机械密封的静环磨损后,接触母线长度T不断增加,使得载荷系数G不断减小。图5所示为接触母线长度T与载荷系数G的关系曲线,运转过程中,静环磨损和G值降低所造成的卸载,使密封比压pc降低。由此而产生泄漏时,必须通过调节弹簧压缩量(弹簧加载)来维持足够的密封比压。
机械密封在运转中,弹簧一般不再进行调整。弹簧在锥面机械密封中起着补偿密封环磨损卸载和G值降低卸载双重作用,设计中正确确定弹簧比压是保证密封性能和使用寿命的重要一环。
四、结束语
改造后的密封结构,密封可靠,泵在运转中基本不漏,调节维护方便。提高了密封性能,延长了运行周期,节省了检修费用。经过上述改造之后的污水泵运行良好,延长了设备的连续运行时间。
参考文献:
[1]郝木明,顾永泉.密封填料的粘弹特性及其对密封性能的影响[J].化工机械,1995, 22(5): 277– 282.
[2] 赵丹峰.污水泵用软填料密封改造[J]. 化工机械, 2008,35(4):244-245.
[3]田应雄,徐德东.关于液下污水泵轴封结构的改造[J].通用机械, 2008.73-74.
机械密封的基本原理范文第3篇
【关键词】水力喷射 喷砂射孔 低渗透 增产改造
1 水力喷射压裂技术原理
1.1 基本原理
水力喷射压裂技术是将一套水力喷砂射孔压裂工具连接在油管柱上，下到需射孔、压裂的位置，进行射孔压裂施工，含压裂砂的压裂液首先射穿套管、水泥环层，并在地层射开多个孔，完成射孔作业，在后续压裂时可将压裂砂和支撑剂填充到压裂缝中，从而完成压裂加砂作业，在降压后支撑剂就留在压裂缝中，保证了压裂地缝的渗透性。该工艺由三个过程共同完成，水力喷砂射孔、水力压裂以及环空挤压。通过安装在施工管柱上的水力喷射工具，利用水击作用在地层形成一个（或多个）喷射孔道，从而在近井地带产生微裂缝，实现水力喷射压裂。 1
水力喷射压裂一次管柱可进行多段压裂，施工周期短，有利于降低储层伤害；可进行定向喷射压裂，准确造缝；喷射压裂可以有效降低地层破裂压力，保证高破裂压力地层的压开和压裂施工；该工艺压井次数少，对储层伤害小，而且施工程序简单，能够产生大的经济效益。
2 水力喷射工艺影响因素分析
水力喷射压裂过程中，固体颗粒受水载体加速，高速冲击套管和岩石，产生切割作用。影响水力喷射压裂的因素主要包括流体参数、磨料参数、围压及岩石性质等。优化射流参数是该项技术的关键之一。
2.1 流体参数
流体参数的影响受压力、排量、和喷嘴直径控制。喷射深度随压力的增加呈线性增加，孔径也随压力的升高变大，当压力达到临界压力是才可破压，对应不同的最大破裂深度，当达到最大破裂深度是再增加喷射时间只能增加孔径而对射孔深度几乎不影响。
2.2 磨料参数
磨料参数主要包括磨料类型、浓度、粒度，压力和排量恒定时，磨料的切割能力随硬度的增加而增大，射孔深度并不是随磨料浓度和粒度的增加而一直增加的，相反在磨料粒径增加一定程度时射孔深度反而有下降趋势。实验室实验结果最佳浓度范围为6%―8%，使用浓度4%-10%，最佳粒度为0.4-0.6mm，现场推荐采用6%―8%，0.4-0.8mm，浓度随压力增高而变大。
3 七里村油田应用效果分析
3.1 现场试验
2011年先后进行水力喷射压裂试验5井次，郑685-6井、郑868-6和郭644-1井水力喷射压裂成功；郑844-3井因压裂过程中油套环空返水，水力喷射压裂未成功，后采用不动管柱分层压裂的方式完成压裂过程；郭644-2井因压不开，后采用常规压裂成功。
3.2 应用效果分析
为了对比水力喷射压裂效果，分别在郑685-6井、郑868-6井、郭644-1井井组上选取了同井组上的几口常规压裂井进行对比。下表是在郑685-6井、郑868-6井、郭644-1井同井组上选取的几口常规压裂井进行的压后产量对比（表1）。
可以看出，水力喷射压裂在新井中应用效果较好，郑868-8井、郭644-1井均比同井组常规压裂井增产效果更佳。
4 结论及建议
（1）水力喷射压裂工艺通过在七里村采油厂长6油层进行试验结果看，压裂增产效果明显，同时具有良好的控水效果。
（2）水力喷射压裂定向射孔能够有效控制裂缝起裂位置，降低起裂压力，节省施工时间，减少作业风险和成本。
（3）水力喷射压裂一次管柱可连续进行多段压裂，施工程序简单、周期短，特别适合水平井油层压裂改造，一般需要KQ450以上的专用压裂井口配合使用，才可提高压裂施工的安全系数。。
（4）影响水力喷射压裂的因素主要包括流体参数、磨料参数、围压及岩石性质等，优化射流参数是该项技术的关键之一。
参考文献
[1] 刘永亮，等.水平井储层改造新方法_水力喷射压裂技术[J].钻采工艺，2008
[2] 李根生，等.水力喷射压裂理论与应用[D].中国石油大学（北京），2011.6
3] 田守，李根生，黄中伟，等.水力喷射压裂机理与技术研究进展[J].石油钻采工艺，2008，30
