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密封性的影响因素

一、影响密封性的因素有哪些

机械密封的密封性是其最主要的指标。影响因素根多，其中有密封结构、材料、制造、安装，介质性质及使用等。哪个环节出了问题，密封性都要受到影响。可把这些因素分为密封件本身和使用条件两大类。密封结构、材料和制造属于“密封件本身”，这些因素在制造厂完成，密封件的质量取决于制造厂。而安装、介质性质和使用等属于“使用条件”的范围，如何正确使用取决于用户自己。本章只讨论属于密封件本身的影响因素，其它影响I素在以后的章节中讨论。

二、摩擦状态有几种

机械密封是一种接触式密封，在力的作用下，动静环构成一对摩擦副。根据密封结构、介质性质和工作条件（压力、速度、温度等）的不同，密封端面的曦擦状态可分为液体摩擦、混合摩擦、边界摩擦以及干或半干摩擦。摩擦状态对密封性扣使用寿命有重要影响，应当搞清。

三、什么是液体摩擦？泄漏量怎样？

两个密封端面被具有一定压力和一定厚度h。的液膜隔开。液膜厚度h。=3~10μm，远大于密封表面的粗糙度R。两平面互相不按触、不磨损。摩擦系数取决于介质的性质(如粘度等)，与摩擦副材料无关。这种现象经常发生在止推轴承中。普通的机械密封不予采用，因为泄漏量大，失去密封的意义。只有在特殊情况下采用液体摩擦状态的机械密封。

四、什么是混合摩擦？泄漏量怎样？

增加密封的闭合力，密封端面之间的缝隙比液体摩擦状态减小，使两表面的高点接触，其间仍存在局部中断的液膜，液膜厚度h。和缝隙高度h处于同一个数量级。裁荷由液体压力和固体表面的“高点”共同承担。因此，存在着磨损，但很轻微。表面摩擦和磨损性能同时取决于介质性质和摩擦副材料，泄漏量不多。普通机械密封大多处于混合摩擦状态。德国E·迈尔提出了计算混合摩擦状态下泄漏量的经验公式，列出该式的目的，不是用来计算泄漏量，’因为迈尔没有给出流动系数C2的确定方法，目的在于从该式可定性地了解影响泄漏量的因素。从中可见泄漏量与密封结构有关(密封端面直径d和宽度的b)、与介质粘度n成正比、与密封端面承受的压差(P1一P2)和速度(V)有关、与密封端面的比压平方(P)成反比。

五、什么是边界摩擦？影响泄漏量的因素有哪些？

随着端面比压的增大，液膜厚度h。进一步减小，摩擦副表面的高峰接触及相互作用的数目增多，液膜厚度只有几个分子厚，并且不连续，液膜压力趋近于零，载荷几乎都由表面的高峰承担。液膜介质的粘度对摩擦性质没有多大影响。摩擦性能主要取决于膜的润滑性能和摩擦副材料。存在磨损，磨损量不大，泄漏量很小，是机械密封理想的摩擦状态。E.迈尔也提出了计算边界摩擦状态下泄漏量的经验公式，从公式可知，影响泄漏量的因素与混合摩擦状态是有差异的。泄漏量与介质粘度和密封端面宽度均无关，与缝隙高度h2(粗糙度)成正比。此外还引入了缝隙系数S，它主要是滑动速度和泄漏方向的函数。

六、出现边界摩擦的条件是什么?边界摩擦有何特点?

边界摩擦是一种客观存在。经过大量的试验和研究人们渐渐了解到，边界摩擦只有在低速和高比压下才有可能出现。前苏联学者格鲁别夫认为:摩擦副的相对滑动速度高于5m/s，其间的单位压力小于0.98MPa(10kgf/cm²)不会出现边界摩擦。

必须具备一定的条件才会出现边界摩擦。

1)两个密封端面是平行的，在外径处两者不平行度之和不大于0.06μm/㎝；

2)在某一具体的表面粗糙度下，端面比压和介质压力之比达到一定程度，使缝隙中不能形成液膜压力；

3)端面比压Pg>65N/㎝²。

这三条必须同时满足，才能出现边界摩擦。

边界摩擦的特点：

对具体的摩擦副材料，各种介质的摩擦系数均相同。从图76可知，尽管载荷系数和滑动速度不同，进入边界摩擦状态以后(A点以后)摩擦系数不变。

七、干或半干摩擦状态有什么特点

在密封缝隙中不存在液体膜，摩擦副表面上吸附有气体(或介质的蒸气)或氧化层。摩擦主要取决于两表面的固体作用，磨损严重，并且与摩擦副材料以及载荷的关系很大。随着磨损的加剧泄漏量增大，所以是机械密封竭力避免的摩擦状态，但是实际工作中，由于影晌因素很多，干或半干摩擦时有发生。

纵观上述几种摩擦状态，是不以人的意志为转移的客观存在。它们不是孤立的，.而是在某种条件下可以互相转化的。实际工作中以混合摩擦状态居多数，对于压力较高和速度较低的机械密封(如搅拌釜中)，当制造精度和安装水平较高时，则多数里现边界摩擦。运转中如果工作条件发生变化，例如工艺流程泵中由于某种原因(压力下降，温度升高或组分变轻)，在密封腔中出现(或接近)汽化状态，或正常运转的泵发生抽空，这时密封端面将处于干或半干摩擦状态。

八、载荷系数怎样影晌密封性

密封结构和种类不同，载荷系数的计算公式也不同，这在第三章中己讨论过，不再重复。

载荷系数对机械密封的密封性、使用寿命和可靠性等有很大影响。从密封性角度考虑希望载荷系数大一些，可得到较高的比压，密封的稳定性和可靠性都较好。但是载荷系数大产生的摩擦热多，如不能及时散去，使密封端面温度过高，当达到介质汽化温度时，将发生汽化，液膜破坏，磨损加大，使用寿命短。尤其是在压力较高的工作条件下，采用载荷系数大于或等于1.0的非平衡型密封是不允许的。但是对于载荷系数小于1.0的平衡型密封，密封端面有被推开的可能，稳定性较差。实际工作中不希望产生过多的热量，又要有足够的稳定性，权衡利弊，在内流内装式机械密封中，载荷系数在0.75~0.85较好。当密封流体压力较低时也可采用非平衡型密封(K=1.1~1.2)。

据对几个大型石油化工企业的调查，载荷系数与介质性质有关，对较重的组分和不易汽化的介质载荷系数可取大些，反之宜取小值。载荷系数的值不是孤立选取的，要和弹簧比压综合考虑。.弹簧比压大时，载荷系数可小些，反之宜大些。

九、弹簧比压对密封性有何影响

弹簧比压是促使密封端面贴合的重要因素。当泵在停车与启动时压力较低，或密封腔中正常工作的压力低，或工作中压力出现较大的波动时，弹簧比压就成为端面比压的主要组成部分。弹簧比压的大小要根据密封结构、工作条件、介质性质和载荷系数等综合考虑。弹簧比压大了，有利于密封端面的贴合，改善追随性，增强密封稳定性，若过大则摩擦热量大，功率消耗增加，磨损量大，使用寿命缩短。弹簧比压过小，泄漏量大，密封稳定性差。

对内装内流式密封，弹簧比压在0.1~0.25MPa之间。对润滑性好的介质，速度较低或压力较低的工作条件，弹簧比压取上限，反之取下限。如前所述还要和载荷系数缘合考虑。

对外装式非平衡型密封，弹簧比压的作用更大，是促使密封面贴合唯一的力，弹簧比压要比内装内流式密封大得多。当介质压力在0.1MPa左右时，弹簧比压在0.3~0.45MPa；当介质压力为0.25MPa时，弹簧比压应取0.45~0.7MPa。在搅拌釜中，由于其工作转速低、轴摆动较大以及操作压力波动大等特点，弹簧比压也应适当地大些。

对高速机械密封(多属于内流式密封)虽然采用润滑性能好的密封流体，考虑到密封的追随性，弹簧比压宜取大些，一般在0.2~0.3MPa。此时载荷系数较小。

十、密封端面的粗糙度对密封性有什么影响

对普通的机械密封，从宏观角度考虑正常情况下两个端面是平行的，而且是固体接触。从微观角度考虑，任何表面都是高低不平的，即都有一定的粗糙度。通常说两个平面接触，实际上是两个平面中的高点接触了，而大部分表面并没有接触，仍有一定的}缝隙。

表面越粗糙，其缝隙高度h越大，泄漏量越大。为了保持良好的密封性，必须施加更大的端面比压。图80表示了这中关系。众所周知，端面比压过大，必然增加摩擦产生的热量，这是不利的。因此，密封表面的粗糙度有一定的要求。这样既有良好的密封性，又有较长的使用寿命。现在我国制造的机械密封，其表面粗糙度Ra值0.04~0.32μm。碳化物的Ra值0.04~0.10μm（相当于▽11和▽10）。其它材料（包括碳一石墨）Ra=0.16~0.32μm（相当于▽9）。

十一、两密封端面之间的缝隙形状对密封性有何影响

研究机械密封的前提是两个密封端面互相平行，实际情况并非完全如此。由于制造、安装以及密封结构、工作时载荷和温度的影响，两密封端面可能呈现收敛形、喇叭口形和平行形三种密封端面形状(图81)。新安装投用的机械密封经过一个时间运转(俗称“跑合”)后，两密封面趋于平行，泄漏量逐渐减少。跑含时间长短不一，从几个小时到几个月，它取决于缝隙的形状，载荷的大小、滑动速度、摩擦副性能及介质性质等。

所谓收敛形的缝隙形状，就是靠端面的外缘处缝隙较大，内缘处接触，沿泄漏方向缝隙逐渐减小。液膜压力在缝隙里的分布不呈线性，大于平行形的密封端面(图82)，造成密封的开启力增大。由于闭合力中的主要部分弹簧力没有增加，因此，在收敛形密封中泄漏量较大，工作不稳定。但润滑较充分，密封端面磨损速度小。

由于密封的接触面积减小而弹簧力不变，则弹簧比压增大。这时有两种可能，第一种可能如果介质润滑性不好，磨损加剧，接触面积逐渐增大，直到密封端面全部接触，这时两密封端面已趋于平行，跑合时间较短;第二种可能是介质润滑性很好，虽然弹簧比压增大，密封端面的磨损也很小，经过相当长的时间才能完成跑合期，在跑合期内泄漏量比正常密封大一些。

密封端面的缝隙形状如果是喇叭口状的，会出现另一种情况，靠密封端面的外缘处接触，而内缘有间隙。密封端面接触的部分存有液膜压力(图83)，总的液膜压力小，比密封端面平行的要小。弹簧力不变，由于接触面积减小(因内径增大)，弹簧比压和载荷系数增大，最终使端面比压增大很多，泄漏量少，但是磨损加剧。如果介质润滑性较好，磨损较均匀，那么密封端面可能是光洁的，密封尚可继续使用。反之，如果磨损剧烈，破坏了密封端面的光洁度(粗糙度)，泄漏量大增，动静环可能也要更换。

十二、产生密封端面不平行的原因有哪些

两密封端面不平行的原因是多方面的，有制造和安装的原因，也有使用方面的原因。在制造过程中，由于研磨平板不平，造成密封端面内缘处高，外缘处低。这种情况多发生在石墨环中(图84)，用平晶检查，多呈现同心圆状的光圈，如果不超过三个同心圆尚可使用，如果超过三个同心圆或根本无光圈，那么这个静环不能用。这种情况还有时发生在安装过程中，对104型国产密封，静环垫为4F一V型的，当静环的辅助密封圈装到压盖中后，如果辅助密封圈的径向过盈值太大，相当于有一个很大的力作用于A点(图85)，使密封端面变形。当密封环采用热装式结构时，如果过盈值过大，也会产生上述现象。

即使是安装前经平晶检查，密封端面符合标准要求，使用过程中，由于密封环各点的温度不同，其热膨胀值不同，产生了热变形。此外，在密封腔中压力较高时，密封环内外压差较大，也会产生机械(力)变形。这许多原因造成了密封端面不平行。

十三、密封端面的机械变形是怎样引起的

密封环和许多零件一样，受载荷就产生一定的变形。有人对其进行了研究和定量的计算，由于计算较复杂，并且又做了一些假设，计算结果只能是近似的，因此，不做介绍。但是，定性地了解变形的方向及趋势是非常必要的。首先分析104型密封的静环受力状况。以∅55的密封为例，这是一个内装内流非平衡型密封的静环(图86)。密封环的外圆柱表面受有介质压力P₁，该力促使密封环向内径方向变形，简化后在图87上用R表示;在密封端而外径d₂和外径d4之间平画受介质压力P₁的作用，简化在图87上用F₁表示，密封端面受有两个力，一是由介质压力和弹簧比压组成的端面比压用Fb₁表示，另一个力是液膜压力用Fm表示。Fb₁均匀地作用于密封端面上，其作用点位于密封端面的中心，而Fm的作用点半径大于Fb₁的位置。轴向力F₁、Fb₁和Fm通过静环加在静环的辅助密封圈上，静环的反力用W表示(图87)。这样一来静环在这些力的共同作用下，由于作用点的差距产生了一个顺时针方向的力矩M，促使静环端面产生一个变形。变形的结果是密封端面的外缘处高(图88)。对轴∅55的104型密封动环受力简化后见图89。由定性地分析可知动环端面也有一个顺时针方向的反力矩。F₁作用点d=62.5mm，Fb₁作用点d=60mm。由于作用点差距较小，其力距也不大。

其变形的大小与材料的弹性模量成反比。钢铁的弹性模量比石墨大一个数量级，在同样条件下，石墨环的变形量要比钢铁大一个数量级。如果用碳化钨制造密封环，由于其弹性模最比钢铁大几倍，变形量也就小几倍。变形量还与密封结构有关，如果静环密封圈放在静环的外圆表面处(图90)，度渗量要大大减小。变形量还与密封流体的压力成正比，低压下变形量很小可以忽略，只有在压力大于1.5~2.0MPai时才考虑密封环的机械变形。

现举一计算实例来说明力变形的问题。在一平衡型密封中，密封流体压力为5MPa，弹簧力忽略不计。动环用司太利硬质合金制造，静环用石墨制造。经计算动环变形量为0.5μm，静环变形量为15.9μm两密封端面变形方向，均是外径处高，即属于喇叭口状的缝隙，叠加后总变形量为16.4μm。

十四、密封环的热变形是怎样产生的

密封环的结构、摩擦副材料的热力性能(例如导热系数、线膨胀系数和散热系数等)的差异以及密封环各点温度不均匀是产生热变形的根本原因，破坏了密封端面的平行。对于具体的结构和材料，不仅是径向温度差，就是轴向温度差也能影响密封的缝隙形状。为了说明这一问题，假定有个圆筒形的密封环(图91)，密封端面处于高温介质(因摩擦使温度升高)中，下端是大气端。这是实际工作中经常出现的情况。由于两端温度不同，高温端的直径膨胀量必定大于大气端(图91的实线)，使密封端面的内径高于外径，运转中呈收敛形缝隙。

沿密封端面的温度梯度也能改变密封端面的缝隙形状。沿密封端面处，外缘接触高温介质，内缘向大气散热，而温度较低。由于存有温度梯度造成外缘热膨胀大于内缘的热膨胀量，最终形成喇叭口状的缝隙。

热变形量的大小，除了前面谈的影响因素外，还与密封端面的温度差有很大关系。如带急冷水的高温泵机械密封，沿径向和轴向的温度梯度都很大，变形量当然也大。选择导热性能良好和线膨胀系数小的材料制造密封环，对减少密封端面的热变形是有利的。此外，.密封端面的宽度也是重要因素。选择较窄的密封端面不但能减少摩擦热的产生，还能减少热变形量，因为其变形量与密封端面宽度成正比。

十五、滑动速度和摩擦副材料怎样影响密封性

德国的E.迈尔曾经做过试验，由上表试验结果可见:

1)比较序号1和2，动环材料相同，当静环材料导热系数由17.4W/（m.K）改为69.8W//(m.K)时，泄漏量由90cm³/h下降到62cm³/h（v=5m/s时）；

比较序号1}和3，静环材料相同，只是改变了动环材料，导热系数由11.6W/(m.K)改为46.5W/(m.K)，泄漏量由90cm³/h下降到11cm³/h;同理，在序号2和4中，泄漏量由62cm³/h下降到5cm³/h。其原因是:导热系数大，散热及时，密封环温度梯度小，热变形量小，泄漏量少。

2)比较序号2和3，在序号3中，动环导热系数大，泄漏量少(11cm³/h)，序号2中，静环导热系数大，泄漏量大(62cm³/h)。这是因为动环导热系数大，高速旋转中散热性能良好，密封环本身温度梯度小，热变形量小，泄漏最少。

3)各种相同条件下，速度越高，泄i漏量越大。其中主要原因是由于速度高，产生的摩擦热量多，热变形大所致。

十六、介质粘度对泄漏量有何影响

E.迈尔通过水、柴油和润滑油做了大量的试验研究，这些研究都是经过足够长的时间(100小时)跑合后进行的。’在这段时闻内摩擦副表面由于磨损而重新变成平行的。试验证实了在边界摩擦范围内介质的粘度对泄漏量没有影响，而在混合摩擦和液体摩擦中介质粘度不容忽视，这些问题前边讨论过，不再重复。

十七、密封端面的宽度对密封性有何影响

对于密封端面平行的摩擦副，密封端面的宽度没有多大的影响。为了将2MPa的压力密封住，只需0.5mm的宽度就足够了，出于强度和刚度上的考虑而加大了密封端面的宽

度。事实上加大宽度可使发热量增大、热变形大而最终导致泄漏量增大，所以过宽的密封端面是不利的。

十八、离心力对泄漏量有何影响

外流式密封，由于泄漏方向和离心力方向相同，便泄漏量加大;而内流式密封，两者方向相反，离心力阻碍了泄漏。当两种密封参数相同时，外流式密封的泄漏量为内流式密封的10倍。所以一般不选用外流式密封结构，只有在某些腐蚀性介质中才选用外流式密封。

除上述各种因素对密封性有影响外，辅助设施(如冲冼等)、正确安装与合理使用，对密封性和使用寿命也都有重要影响。这些在其它章中讨论。

上一个：整体式密封环有哪些种类？下一个：旋转式机械密封传动座和动环的传动方式有几种？

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