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摘要：密封在过程装备中起到非常重要的作用，密封件的选型和应用在化工作业中一直是非常关键的一環。本文说明了常用的机械密封结构及工作原理，介绍了机械密封的选用方法，提出其端面平整度的检测方法，并重点说明了机械密封的安装注意事项，对机械密封的选型和使用具有指导意义。
关键词：机械密封 结构 工作原理 端面平整度 安装
一、机械密封结构及原理
机械密封也称为端面密封，根据国家有关标准定义为：一种防止流体泄漏的装置，由至少一对垂直于旋转轴的端面组成，在流体压力和弹性力（或磁力）的作用下保持贴合和相对滑动。机械密封是一种旋转机械，如离心泵、反应釜及压缩机等的轴封装置[1]。
机械密封的结构多种多样，最常见的结构见图1所示，机械密封安装在旋转轴上，密封腔内装有补偿环。
机械密封主要是用不易泄漏的环形密封替换较容易泄漏的轴向密封。当轴旋转时，弹簧座，弹簧压板，移动环等一起旋转，并且移动环由于弹簧力而紧紧地压在静环上。当轴旋转时，移动环与轴一起旋转，固定环固定在框架上静止，使得移动环的环形密封面和固定环相接触，从而阻止介质泄漏。
A通道是动态密封，移动环和固定环的端面相互贴合并保持相对滑动。它是机械密封中的主要密封，也对机械密封性能和寿命起到决定性的作用。因此，密封端面的加工要求非常高，为了在密封端面之间保持必要的润滑液膜，必须严格控制端面上的每单位面积压力，压力过大，难以形成稳定的润滑液膜，这将加速端面磨损， 压力太小，泄漏量增加。因此，为了获得良好的密封性能和较长的寿命，在设计和安装机械密封时，必须确保端面的每单位面积的压力在最合适的范围内。
B通道是动环与轴（或轴套）之间的密封，当端面摩擦磨损后，它仅仅能追随补偿环沿轴向作微量的移动，实际上仍然是一个相对静密封。因此，这些泄漏通道相对来说比较容易封堵。静密封元件最常用的有橡胶O形圈或聚四氟乙烯V形圈，而作为补偿环的动环或静环辅助密封，有时采用兼备弹性元件功能的橡胶、聚四氟乙烯或金属波纹管的结构[2]。
B通道是移动环与轴（或衬套）之间的密封。 当端面磨损时，它只能跟随补偿环做微小的轴向运动，并且实际上仍然是相对静态的密封。因此，这些通道相对来说比较难以泄露。 最常用的静态密封元件是橡胶O形圈或特氟龙V形环，有时使用具有弹性元件功能的特氟隆、橡胶或金属波纹管的结构作为补偿环的动态环或静环辅助密封 [2]。
C泄漏通道属静密封，是静环与静环座之间的密封。D泄漏通道属静密封，是静环座与壳体之间的密封。
二、机械密封选用及端面平面度检测
密封端面的宽度主要决定了窄环（软环）的宽度，宽环的内径≤窄环内径 —0.5，宽环的外径—窄环的外径≥0.5。机械密封的泄漏量与摩擦副的端面的宽度几乎没有关系，因此不能通过增加摩擦副的端面宽度来减少泄漏量。
从力的角度来看，由于整体强度和刚度较差，窄端面容易损坏或变形。
性能良好（如YG6 / M106K，SiC / M106K），工作环境较好的场合一般选用宽系列，性能较差（如YG6 / YG6，YG6 /青铜），高饱和蒸汽压，易挥发，颗粒状介质，高速机械密封一般采取窄系列（对于轻烃介质，在强度足够的场合下采取窄系列 ）[3]。
机械密封端面的平面度对密封的使用有决定性的影响。 密封的常用平面度为0.0009。，普通仪表无法检测到。 光波的干涉效应通常用于检测摩擦副端面的平面度[4]。 满足相应条件的两束光的叠加效应是：在波程差为波长的整数倍的情况下，光强度增强; 在波程差是半波长的奇数倍的情况下，光强度减小到零。
三、机械密封的安装
机械密封安装时径向跳动应≤0.04毫米，轴向窜动量不允许大于0.1毫米。
如何保证跳动值和窜动量在控制范围内是密封安装的重点，通常采用热装法[5]。热封密封环的过盈值的选择是安装中应注意的问题。
其中，Δδ是工作温度过盈量，δ是常温过盈量，Dp是镶嵌直径，α1是座线胀系数，α2是环的线胀系数，ΔT是工作温度和常温的温度差（YG6：4.5×10-6 1/℃，1Cr18Ni9Ti：16.6×10-6 1/℃，3Cr13：11.5×10-6 1/℃）。
因此，由上式可知：
（1）过盈值在满足传递扭矩的情况下取最小值;
（2）对YG6/1Cr18Ni9Ti，当工作温度为300°C时，其过盈量为：
（3）如镶嵌环长期放置，在使用前要检查其平面度;
（4）对于大直径，高速（环座产生的离心力）和弹性模量小的材料（4J42，钛合金），过盈量的值可以取大一些。
（5）当温度高于200℃时， 少用热装式结构，否则要对过盈量进行核算。
四、结论
本文概述了常用的机械密封的结构工作原理及选用方法，说明了端面平整度的检测方法，并对机械密封的安装方法进行了介绍，为机械密封的选型和使用提供技术指导。
参考文献：
[1] 孙开元， 郝振洁. 机械密封结构图例及应用[J]. 化学工业出版社，2017.
[2] 郝木明. 机械密封技术及应用[S]. 中国石化出版社，2010.
[3] 蒋小文， 顾伯勤. 螺旋槽干气密封端面气膜特性[J]. 化工学报，2005.
[4] 闻邦椿. 机械设计手册[J]. 机械工业出版社，2015.
[5] 孙玉霞，李双喜，李继. 机械密封技术[J].化学工业出版社，2014.
关键词：机械密封 结构 工作原理 端面平整度 安装
一、机械密封结构及原理
机械密封也称为端面密封，根据国家有关标准定义为：一种防止流体泄漏的装置，由至少一对垂直于旋转轴的端面组成，在流体压力和弹性力（或磁力）的作用下保持贴合和相对滑动。机械密封是一种旋转机械，如离心泵、反应釜及压缩机等的轴封装置[1]。
机械密封的结构多种多样，最常见的结构见图1所示，机械密封安装在旋转轴上，密封腔内装有补偿环。
机械密封主要是用不易泄漏的环形密封替换较容易泄漏的轴向密封。当轴旋转时，弹簧座，弹簧压板，移动环等一起旋转，并且移动环由于弹簧力而紧紧地压在静环上。当轴旋转时，移动环与轴一起旋转，固定环固定在框架上静止，使得移动环的环形密封面和固定环相接触，从而阻止介质泄漏。
A通道是动态密封，移动环和固定环的端面相互贴合并保持相对滑动。它是机械密封中的主要密封，也对机械密封性能和寿命起到决定性的作用。因此，密封端面的加工要求非常高，为了在密封端面之间保持必要的润滑液膜，必须严格控制端面上的每单位面积压力，压力过大，难以形成稳定的润滑液膜，这将加速端面磨损， 压力太小，泄漏量增加。因此，为了获得良好的密封性能和较长的寿命，在设计和安装机械密封时，必须确保端面的每单位面积的压力在最合适的范围内。
B通道是动环与轴（或轴套）之间的密封，当端面摩擦磨损后，它仅仅能追随补偿环沿轴向作微量的移动，实际上仍然是一个相对静密封。因此，这些泄漏通道相对来说比较容易封堵。静密封元件最常用的有橡胶O形圈或聚四氟乙烯V形圈，而作为补偿环的动环或静环辅助密封，有时采用兼备弹性元件功能的橡胶、聚四氟乙烯或金属波纹管的结构[2]。
B通道是移动环与轴（或衬套）之间的密封。 当端面磨损时，它只能跟随补偿环做微小的轴向运动，并且实际上仍然是相对静态的密封。因此，这些通道相对来说比较难以泄露。 最常用的静态密封元件是橡胶O形圈或特氟龙V形环，有时使用具有弹性元件功能的特氟隆、橡胶或金属波纹管的结构作为补偿环的动态环或静环辅助密封 [2]。
C泄漏通道属静密封，是静环与静环座之间的密封。D泄漏通道属静密封，是静环座与壳体之间的密封。
二、机械密封选用及端面平面度检测
密封端面的宽度主要决定了窄环（软环）的宽度，宽环的内径≤窄环内径 —0.5，宽环的外径—窄环的外径≥0.5。机械密封的泄漏量与摩擦副的端面的宽度几乎没有关系，因此不能通过增加摩擦副的端面宽度来减少泄漏量。
从力的角度来看，由于整体强度和刚度较差，窄端面容易损坏或变形。
性能良好（如YG6 / M106K，SiC / M106K），工作环境较好的场合一般选用宽系列，性能较差（如YG6 / YG6，YG6 /青铜），高饱和蒸汽压，易挥发，颗粒状介质，高速机械密封一般采取窄系列（对于轻烃介质，在强度足够的场合下采取窄系列 ）[3]。
机械密封端面的平面度对密封的使用有决定性的影响。 密封的常用平面度为0.0009。，普通仪表无法检测到。 光波的干涉效应通常用于检测摩擦副端面的平面度[4]。 满足相应条件的两束光的叠加效应是：在波程差为波长的整数倍的情况下，光强度增强; 在波程差是半波长的奇数倍的情况下，光强度减小到零。
三、机械密封的安装
机械密封安装时径向跳动应≤0.04毫米，轴向窜动量不允许大于0.1毫米。
如何保证跳动值和窜动量在控制范围内是密封安装的重点，通常采用热装法[5]。热封密封环的过盈值的选择是安装中应注意的问题。
其中，Δδ是工作温度过盈量，δ是常温过盈量，Dp是镶嵌直径，α1是座线胀系数，α2是环的线胀系数，ΔT是工作温度和常温的温度差（YG6：4.5×10-6 1/℃，1Cr18Ni9Ti：16.6×10-6 1/℃，3Cr13：11.5×10-6 1/℃）。
因此，由上式可知：
（1）过盈值在满足传递扭矩的情况下取最小值;
（2）对YG6/1Cr18Ni9Ti，当工作温度为300°C时，其过盈量为：
（3）如镶嵌环长期放置，在使用前要检查其平面度;
（4）对于大直径，高速（环座产生的离心力）和弹性模量小的材料（4J42，钛合金），过盈量的值可以取大一些。
（5）当温度高于200℃时， 少用热装式结构，否则要对过盈量进行核算。
四、结论
本文概述了常用的机械密封的结构工作原理及选用方法，说明了端面平整度的检测方法，并对机械密封的安装方法进行了介绍，为机械密封的选型和使用提供技术指导。
参考文献：
[1] 孙开元， 郝振洁. 机械密封结构图例及应用[J]. 化学工业出版社，2017.
[2] 郝木明. 机械密封技术及应用[S]. 中国石化出版社，2010.
[3] 蒋小文， 顾伯勤. 螺旋槽干气密封端面气膜特性[J]. 化工学报，2005.
[4] 闻邦椿. 机械设计手册[J]. 机械工业出版社，2015.
[5] 孙玉霞，李双喜，李继. 机械密封技术[J].化学工业出版社，2014.