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一、机械密封概述
机械密封（端面密封）是一种用来解决旋转轴与机体之间密封的装置。它是由至少一对垂直于旋转轴线的端面的流体压力和补偿机构弹力（或磁力）的作用及辅助密封的配合下保持贴合下并相对滑动而构成防止流体泄漏的装置，常用于泵、压缩机、反应搅拌釜等旋转式流体机械，也用于齿轮箱、船舶尾轴等密封。因此，机械密封是一种通用的轴封装置。
机械密封结构多种多样，最常用的机械密封结构是端面密封。端面密封的静环、动环组成一对摩擦副，摩擦副的作用是防止介质泄漏。它要求静环、动环，具有良好的耐磨性，动环可以在轴向灵活的移动，自动补偿密封面磨损，使之与静环良好的贴合；静环具有浮动性，起缓冲作用。为此，密封面要求有良好的加工质量，保证密封副有良好的贴合性能。构成机械密封的基本元件有静环、动环、压盖、推环、弹簧、定位环、轴套、动环密封圈、静环密封圈轴套密封圈等。
弹性元件（弹簧、波纹管）它主要起预紧、补偿和缓冲的作用，要求始终保持足够的弹性来克服辅助密封和传动件的摩擦和动环等的惯性，保证端面密封副良好的贴合和动环的追随性，材料要求耐腐蚀、耐疲劳。
辅助密封（0 形圈、V形圈、U 形圈、楔形圈和异形圈等）它主要起静环和动环的密封作用，同时也起到浮动和缓冲作用。要求静环的密封元件能保证静环与压盖之间的密封性，静环有一定的浮动性，动环的密封元件能保证动环与轴或轴套之间的密封性和动环的浮动性。材料要求耐热等。
1、基本结构
1）端面密封摩擦副
2）缓冲补赏和压紧机构
3）辅助密封（二级密封挠性元件）
4）传动机构
2、基本密封点
1）端面主密封点
2）静环与端盖辅助密封点
3）动环与轴（轴套）辅助密封点
4）端盖与泵体连接密封点
二、机械密封的优缺点
1、优点
（1）结构可靠，泄漏量可以限制到很少，只要主密封面的表面粗糙度和平直度能保证达到要求，只要材料耐磨性好，机械密封可以达到很少泄漏量，甚至肉眼看不见泄漏。
（2）寿命长。在机械密封中，主要磨损部分是密封摩擦副端面，因为密封端面的磨损量在正常工作条件下不大，一般可以连续使用1～2年，特殊场合下也有用到5～10年。
（3）运转中无需调整。由于机械密封靠弹簧力和流体压力使摩擦副贴合，在运转中自动保持接触，装配后就不用像普通软填料那样需调整压紧。
（4）具有耐耐振性。在转速为3000r/min下最大振幅不超过 0.05mm使用PV值不断提高。
（5）功率损失小。填料密封是靠盘根的压紧在轴上或轴套上起作用的。填料密封与轴直接摩擦，填料压的越紧摩擦力就越大、消耗功率也就越大。而机械密封的摩擦是处于半液摩擦状态，摩擦系数非常的小，机械密封的功率损失是填料密封的10～50%。
（6）波纹管密封轴或轴套不受磨损，对旋转轴的振摆和轴对壳体的偏斜不敏感。
（7）适用范围广。当介质易燃、易爆、有毒有害时，采用机械密封可保证密封。它还适用于高温、低温、高压、真空各种转速的及腐蚀介质的设备密封。
2、缺点
（1）如结构比填料密封复杂，加工精度要求高，并要求一定的安装技术等，特别是干气密封的安装要求更高。而且密封技术发展的很快，新技术不断出现给我们维修带来了新的课题。
（2）结构复杂、拆装不便。与其它密封比较，机械端面密封的零件数目多，要求精密，结构复杂。特别是在装配方面较困难，拆装时要从轴端抽出密封环，必须把机器部分（联轴器）或全部拆卸。这一问题目前已作了某些改进，例如采用拆装方便并可保证装配质量的剖分式和集装式机械密封等。
三、机械密封的工作原理
机械密封亦称端面密封，是靠一对或数对垂直于轴作相对滑动的端面在流体压力和补偿机构的弹力（或磁力）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。
四、机械密封常用材料的选用
清水，常温：（动）9Cr18，1Cr13 堆焊钴铬钨，铸铁；（静）浸树脂石墨，青铜，酚醛塑料。
河水（含泥沙），常温：（动）碳化钨，（静）碳化钨。
海水，常温：（动）碳化钨，1Cr13 堆焊钴铬钨，铸铁；（静）浸树脂石墨，碳化钨，金属陶瓷。
过热水 100度：（动）碳化钨，1Cr13 堆焊钴铬钨，铸铁；（静）浸树脂石墨，碳化钨，金属陶瓷。
汽油，润滑油，液态烃，常温：（动）碳化钨，1Cr13 堆焊钴铬钨，铸铁；（静）浸树脂或锡锑合金石墨，酚醛塑料。
汽油，润滑油，液态烃，100度：（动）碳化钨，1Cr13 堆焊钴铬钨；（静）浸青铜或树脂石墨。
汽油，润滑油，液态烃，含颗粒：（动）碳化钨；（静）碳化钨 。
五、密封材料的种类及用途
密封材料应满足密封功能的要求。由于被密封的介质不同，以及设备的工作条件不同，要求密封材料的具有不同的适应性。对密封材料的要求一般是：
1） 材料致密性好，不易泄露介质。
2） 有适当的机械强度和硬度。
3） 压缩性和回弹性好，永久变形小。
4） 高温下不软化，不分解，低温下不硬化，不脆裂。
5） 抗腐蚀性能好，在酸，碱，油等介质中能长期工作，其体积和硬度变化小，且不粘附在金属表面上。
6） 摩擦系数小，耐磨性好。
7） 具有与密封面结合的柔软性。
8） 耐老化性好，经久耐用。
9） 加工制造方便，价格便宜，取材容易。
六、机械密封安装、使用技术要领
1）设备转轴的径向跳动应≤0.04毫米，轴向窜动量不允许大于0.1毫米；
2）设备的密封部位在安装时应保持清洁，密封零件应进行清洗，密封端面完好无损，防止杂质和灰尘带入密封部位；
3）在安装过程中严禁碰击、敲打，以免使机械密封摩擦副破损而密封失效；
4）安装时在与密封相接触的表面应涂一层清洁的机械油，以便能顺利安装；
5）安装静环压盖时，拧紧螺丝必须受力均匀，保证静环端面与轴心线的垂直要求；
6）安装后用手推动动环，能使动环在轴上灵活移动，并有一定弹性；
7）安装后用手盘动转轴、转轴应无轻重感觉；
8）设备在运转前必须充满介质，以防止干摩擦而使密封失效。
七、机械密封在工业方面发展及应用
橡胶是最常用的密封材料。除橡胶外，适合于做密封材料的还有石墨等，聚四氟乙烯以及各种密封胶等。
当前采用新材料和工艺的各种机械密封的新技术，进展较快，有下列的机械密封新技术。密封面开槽密封技术近年来，在机械密封的密封端面上开了各种各样的流槽，以产生流体静、动压效应，现在还在不断更新。
零泄漏密封技术过去总认为接触式和非接触式机械密封不可能达到零泄漏（或无泄漏）。以色列利用开槽密封技术，提出零泄漏非接触式机械端面密封的新概念，并已用于核电站润滑油泵中。干运转气体密封技术这类密封是将开槽密封技术用于气体密封。上游泵送密封技术即利用密封面上开流槽将下游少量泄漏流体泵送回上游。
上述几类密封的结构特点是：采用浅槽，且膜厚和流槽的深均属微米级，并采用润滑槽，径向密封坝和周向密封堰组成密封和承载部分。也可以说开槽密封是平面密封和开槽轴承的结合。其优点是泄漏量小（甚至无泄漏）、膜厚大，消除接触摩擦、功耗和发热量小。热流体动压密封技术它是利用各种形状较深的密封面流槽，造成局部热变形，以产生流体动力楔效应。这种具有流体动压承载能力的密封，称之为热流体动力楔密封。
波纹管密封技术可分为成型金属波纹管和焊接金属波纹管机械密封技术。
多端面密封技术分为双密封、中间环密封、多密封技术。另外还有平行面密封技术、监控密封技术、组合密封技术等。
八、机械密封冲洗方案及特点
冲洗的目的在于防止杂质集积，防止气囊形成，保持和改善润滑等，当冲洗液温度较低时，兼有冷却作用。冲洗的方式主要有如下：
（一）内冲洗
1、正冲洗
1）特点：利用工作主机的被密封介质，由泵的出口端通过管路引入密封腔。
2）应用：用于清洁流体， p1稍大于p进，当温度高或有杂质时，可在管路上设置冷却器、过滤器等。
2、反冲洗
1）特点：利用工作主机的被密封介质，由泵的出口端引入密封腔，冲洗后通过管路流回泵入口。
2）应用：用于清洁流体，且p进
3、全冲洗
1）特点：利用工作主机的被密封介质，由泵的出口端通过管路引入密封腔，冲洗后再经管路流回泵入口。
（二）外冲洗
特点：引入外系统与被密封介质相容的清洁流体至密封腔进行冲洗。
应用：外冲洗液压力应比被密封介质大0.05--0.1MPa，适用于介质为高温或固体颗粒的场合。冲洗液的流量应保证带走热量，还需满足冲洗的需要，不会产生对密封件的冲蚀。为此，需控制密封腔的压力和冲洗的流速，一般清洁冲洗液的流速应小于5m/s；
含有颗粒的浆状液体须小于3m/s，为达到上述的流速值，冲洗液与密封腔压力的差值应<0.5MPa>
九、机械密封典型失效原因分析
（一）机械密封本身问题
1、镶装不到位或不平整。
2、载荷系数太大或端面比压设计不合理。
3、材质选用不当。
4、密封面不平。
5、密封面太宽或太窄。
（二）辅助系统问题
1、工况条件复杂，但没有冲洗等辅助设施。
2、冲洗管堵塞。
3、冷却管结垢。
（三）介质及工作条件问题
1、介质腐蚀性强。
2、介质中有固体颗粒。
3、设备抽空。
4、密封面结晶。
5、介质粘度太大。
（四）泵的问题
1、轴的加工精度不佳、串轴、跳动、安装间隙过大。
2、泵开启后振动太大。
3、压盖垫环不佳。
4、密封箱不平。
5、机械密封安装没有达到应有的压缩量。
十、常见的渗漏现象
机械密封渗漏的比例占全部维修泵的50 %以上，机械密封的运行好坏直接影响到水泵的正常运行，现总结分析如下：
1、周期性渗漏
（1）泵转子轴向窜动量大，辅助密封与轴的过盈量大，动环不能在轴上灵活移动。在泵翻转，动、静环磨损后，得不到补偿位移。
对策：在装配机械密封时，轴的轴向窜动量应小于0．1mm ，辅助密封与轴的过盈量应适中，在保证径向密封的同时，动环装配后保证能在轴上灵活移动（把动环压向弹簧能自由地弹回来）。
（2）密封面润滑油量不足引起干摩擦或拉毛密封端面。
对策：油室腔内润滑油面高度应加到高于动、静环密封面。
（3）转子周期性振动。原因是定子与上、下端盖未对中或叶轮和主轴不平衡，汽蚀或轴承损坏（磨损），这种情况会缩短密封寿命和产生渗漏。
对策：可根据维修标准来纠正上述问题。
2、由于压力产生的渗漏
（1）高压和压力波造成的机械密封渗漏由于弹簧比压力及总比压设计过大和密封腔内压力超过3MPa时，会使密封端面比压过大，液膜难以形成，密封端面磨损严重，发热量增多，造成密封面热变形。
对策：在装配机封时，弹簧压缩量一定要按规定进行，不允许有过大或过小的现象，高压条件下的机械密封应采取措施。为使端面受力合理，尽量减小变形，可采用硬质合金、陶瓷等耐压强度高的材料，并加强冷却的润滑措施。
（2）真空状态运行造成的机械密封渗漏泵在起动、停机过程中，由于泵进口堵塞，抽送介质中含有气体等原因，有可能使密封腔出现负压，密封腔内若是负压，会引起密封端面干摩擦，内装式机械密封会产生漏气（水）现象，真空密封与正压密封的不同点在于密封对象的方向性差异，而且机械密封也有其某一方向的适应性。
对策：采用双端面机械密封，这样有助于改善润滑条件，提高密封性能。
3、由于介质引起的渗漏
（1）大多数潜污泵机械密封拆解后，静环和动环的辅助密封件无弹性，有的已经腐烂，造成了机封的大量渗漏甚至有磨轴的现象。由于高温、污水中的弱酸、弱碱对静环和动环辅助橡胶密封件的腐蚀作用，造成了机械渗漏过大，动、静环橡胶密封圈材料为丁腈—40 ，不耐高温，不耐酸碱，当污水为酸性碱性时易腐蚀。
对策：对腐蚀性介质，橡胶件应选用耐高温、耐弱酸、弱碱的氟橡胶。
（2）固体颗粒杂质引起的机械密封渗漏如果固体颗粒进入密封端面，将会划伤或加快密封端面的磨损，水垢和油污在轴（套）表面的堆积速度超过摩擦副的磨损速度，致使动环不能补偿磨耗位移，硬对硬摩擦副的运转寿命要比硬对石墨摩擦副的长，因为固体颗粒会嵌入石墨密封环的密封面内。
对策：在固体颗粒容易进入的位置应选用碳化钨对碳化钨摩擦副的机械密封。
4、因其他问题引起的机械密封渗漏
机械密封中还存在设计、选择、安装等不够合理的地方。
（1）弹簧压缩量一定要按规定进行，不允许有过大或过小的现象，误差±2mm ，压缩量过大增加端面比压，摩擦热量过多，造成密封面热变形和加速端面磨损，压缩量过小动静环端面比压不足，则不能密封。
（2）安装动环密封圈的轴（或轴套）端面及安装静环密封圈的密封压盖（或壳体）的端面应倒角并修光，以免装配时碰伤动静环密封圈。
十一、机封正常运行和维护问题
1、启动前的准备工作及注意事项
a 全面检查机械密封，以及附属装置和管线安装是否齐全，是否符合技术要求。
b 机械密封启动前进行静压试验，检查机械密封是否有泄漏现象。若泄漏较多，应查清原因设法消除。如仍无效，则应拆卸检查并重新安装。一般静压试验压力用2-3公斤/平方厘米。
c 按泵旋向盘车，检查是否轻快均匀。如盘车吃力或不动时，则应检查装配尺寸是否错误，安装是否合理。
2、安装与停运
a 启动前应保持密封腔内充满液体。对于输送凝固的介质时，应用蒸气将密封腔加热使介质熔化。启动前必须盘车，以防止突然启动而造成软环碎裂。
b 对于利用泵外封油系统的机械密封，应先启动封油系统。停车后最后停止封油系统。
c 热油泵停运后不能马上停止封油腔及端面密封的冷却水，应待端面密封处油温降到80度以下时，才可以停止冷却水，以免损坏密封零件。
3、运转
a 泵启动后若有轻微泄漏现象，应观察一段时间。如连续运行4小时，泄漏量仍不减小，则应停泵检查。
b 泵的操作压力应平稳，压力波动不大于1公斤/平方厘米。
c 泵在运转中，应避免发生抽空现象，以免造成密封面干摩擦及密封破坏。
机械密封本身是一种要求较高的精密部件，对设计、机械加工、装配质量都有很高的要求。在使用机械密封时，应分析使用机械密封的各种因素，使机械密封适用于各种泵的技术要求和使用介质要求且有充分的润滑条件，这样才能保证密封长期可靠地运转。
十二、机械密封摩擦副材料
碳化硅陶瓷是近年发展的新材料。它具有很低的摩擦因数，很高的硬度，良好的耐磨性。它具有良好的化学稳定性、耐热性和抗热振性。
碳化硅有反应烧结碳化硅、常压烧结碳化硅和热压碳化硅。
表1列出国产碳化硅的性能。
性能
反应烧结氮化硅
热压氮化硅
密度/gNaN-3
孔隙率/%
抗弯强度/MPa
抗压强度/MPa
抗拉强度/MPa
抗冲击强度/MPa
弹性模量/MPa
摩擦因数
硬度(HRA)
热膨胀系数/℃-1
热导率/W·(m·K)-1
电阻率(200℃)/Ω·cm
(700℃)/Ω·cm
2.5～2.6
13～16
196.13
1176.8
117.68～137.29
0.15～0.2
(1.670～2.16)×105
0.1
80～85
2.5×10-6
5.02
1018
108
3.13
688.47～784.52
1569.1
-
0.39
-
-
91～92
(2.7～2.8)×10-6
-
-
-
硬质合金。硬质合金主要是碳化钨WC，分别有钴基碳化钨WC-Co、镍基碳化钨WC-Ni和钴-镍基碳化钨WC-Co-Ni。碳化钨的特点：硬度高，耐磨性好；机械强度高，抗弯性好；导热率较高而膨胀系数较小，密封面摩擦热容易导出；无钴硬质合金耐腐蚀性较好。
材料
密度/gNaN-3
抗弯强度/MPa
弹性模量/MPa
热膨胀系数/℃-1
硬度(HRA)
热导率/W·(m·K)-1
热压SiC
3.1～3.2
441.3～539.37
3.92×105
4.5×10-6
93～94
83.74
常压烧结SiC
3.0～3.10
372.65～451.11
4.07×105
4.3×10-6
91～92
92.11
反应烧结SiC
3.05
343.23～362.85
3.33×105
4.3×10-6
91～92
125.6
表2列出国产碳化钨的性能。
机械辅助密封材料
机械密封的辅助密封是保证密封可靠和延长使用寿命的重要零件。辅助密封包括动、静环的辅助密封圈。其作用是保证密封的轴与动环之间的静环座（压盖）与静环之间密封，补偿密封面的偏斜和振动；保证使动、静环端面紧密结合具有浮动性。
牌号
化学成分/%
物理-力学性能
备注
WC
Co
密度
硬度(HRC)
抗弯强度/MPa
膨胀系数/℃-1(0～300℃)
YG3
97
3
14.9～15.3
91
10.29
耐腐蚀性好，可在高速下使用
YG6
94
6
14.6～15
89.5
10.20
4.5×10-6
耐摩性较高，有一定的冲击韧性，常用作动、静环材料
YG8
92
8
14.4～14.8
89
14.71
4.5×10-6
耐摩性较YG6差，有时也用作动、静环材料
YG15
85
15
13.9～14.1
87
18.63
5.3×10-6
强度高，冲击韧性好，常用作动、静环材料
表3.国产碳化钨硬质合金的物理-力学性
机械密封对辅助密封圈材料的要求：
1）材料弹性好，特别是要求良好的复原性，永久变形要小；
2）不受流体介质的侵蚀，而且在介质中的膨胀和收缩都不大；
3）摩擦因数小和耐磨性好；
4）使用温度范围要广，在高、低温下不粘着、不变硬、脆和失弹；
5）要有适当的力学性能，如扯断强度及其延伸率、耐压等，在压力作用下无显着变形，有优良的抗撕裂性、耐磨性和耐压性等；
6）便于加工并可得到高的精度；
7）抗介质腐蚀、溶解、溶胀、老化等性能好，对介质不应有污染等。
作为辅助密封圈的材料有橡胶、塑料、石棉、膨胀石墨、石墨和金属胀圈等。橡胶圈是使用最广的一种辅助密封圈。常用的橡胶密封圈材料有丁腈橡胶、氟橡胶、硅橡胶、氯丁橡胶、丁苯橡胶等。
丁腈橡胶是常用的一种耐油橡胶。它是丁二烯和丙烯腈的共聚物。根据丙烯腈含量多少分成若干种：低丙烯腈（丁腈-18）、中丙烯腈（丁腈-26）和高丙烯腈（丁腈-40）、丙烯腈含量越高，它的耐油性越好，抗张强度、硬度和耐磨性、耐水性增加，透气性减小。随之而来，它在极性溶剂中是溶解度却增大，耐腐蚀性也受到影响，弹性和耐寒性也变差。丁腈橡胶不耐挠曲，抗撕裂也较差。
氟橡胶具有耐高温、耐油、耐化学腐蚀的优点。氟橡胶中应用最广的是含氟烯烃共聚物，主要是26型和23型。26型中有氟橡胶-26系偏氟橡乙烯与六氟丙烯的乳液共聚物和氟橡胶-246系偏氟乙烯、六氟丙烯与四氟丙烯的三元共聚物。23型氟橡胶由偏氟乙烯与三氟氯乙烯在室温及3.24MPa压力下用悬浮聚合法制得的一种无定形橡胶状共聚物。它不能用于液氨、氨水中。
硅橡胶是由二甲基硅氧烷与其他有机硅单体在酸或碱性催化剂存在下聚合成的一种极性高分子聚合物。硅橡胶有很高的热稳定性，但它有极性，容易在酸碱作用下发生离子型裂解，因此耐腐蚀性差，不适宜用于石油系溶剂（如苯、甲苯等）、丙酮、酮醚等有机溶剂。
聚四氟乙烯具有优异的化学稳定性和耐油、耐溶剂、抗老化、耐温性能，并有相当低的摩擦因数和一定的强度、弹性、柔性和不粘着性，因此广泛用作各种温度、压力、腐蚀性介质条件下的密封圈。
综上所述，辅助密封材料，在一般介质中可使用橡胶材料制成的O形圈、垫圈和波纹管等；在腐蚀性介质中可使用聚四氟乙烯制成的V形圈、楔形环、垫圈和波纹管等；在高、低温条件下可使用金属波纹管。选用时应考虑材料的使用温度和耐腐蚀性。
几种材料的使用温度、适用介质见表4。
材料名称
使用温度/℃
使用介质或特性
橡胶
丁晴橡胶
-30～100
油、水、醇等
氯丁橡胶
-40～100
无机酸、碱溶液、水、醇等
乙丙橡胶
-50～100
碱、溶剂和各种化学、放射性介质
氟橡胶
-20～100
酸、油类、溶剂等
硅橡胶
-60～230
醇、碱、低溶胀性矿物质
聚四氟乙烯
-100～250
各种腐蚀性介质
金属
沉淀硬化不锈钢AM350
-40～450
热处理后强度高，耐腐蚀性与1Cr18Ni9Ti相似
高镍合金Inconel-750
-250～750
高、低温强度好，耐腐蚀性好，但焊接困难，成本高
镍钼合金HastelloyC
约1000
耐腐蚀性最好，不用热处理，强度高，但成本高
表4.机械密封辅助密封材料列表
机械密封主要零件材料选择：
机械密封各主要零件的材料应根据使用工况进行选择，见表5。
工况
摩擦副
辅助密封
介质
浓度
温度/℃
旋转环
静止环
清水
室温
石墨
陶瓷、高镍铸铁、堆焊钴铬钨
丁晴橡胶
河水
（含泥沙）
碳化钨、碳化硅
碳化钨、碳化硅
丁晴橡胶
海水
石墨
陶瓷，碳化钨
丁晴橡胶
汽油
-20～80
石墨
高镍铸铁，碳化钨，陶瓷
氟橡胶
80～135
PTFE
煤油
-20～80
石墨
高镍铸铁，碳化钨，陶瓷
丁晴橡胶
80～200
氟橡胶，PTFE
柴油
-20～80
石墨
高镍铸铁，碳化钨，陶瓷
丁晴橡胶
80～200
氟橡胶，PTFE
机油
-20～30
石墨
高镍铸铁，碳化钨，堆焊钴铬钨，青铜、陶瓷
丁晴橡胶
原油
-20～135
石墨
碳化钨，陶瓷
氟橡胶
135～200
PTFE
（含杂质）
-20～135
碳化钨
碳化钨
氟橡胶
135～200
PTFE
轻质碳氢化合物
-20～80
石墨
碳化钨
氟橡胶、PTFE
硫酸
<10%
-20～80
石墨
陶瓷
氟橡胶
>10%
-20～135
填充PTFE
PTFE
硝酸
<5%
-20～80
石墨
陶瓷、高硅铸铁
氟橡胶
>5%
填充PTFE
陶瓷
PTFE
醋酸
<30%
-20～135
填充PTFE
陶瓷
乙丙橡胶、PTFE
>30%
石墨
PTFE
碱
-20～80
石墨、填充PTFE
高镍铸铁、陶瓷、碳化钨
乙丙橡胶
80～200
PTFE
食品
-20～80
石墨
陶瓷
丁晴橡胶
植物油
-20～80
石墨
高镍铸铁、陶瓷
乙丙橡胶、PTFE
有机物
-20～80
石墨
碳化钨、铸铁、堆焊钴铬钨
乙丙橡胶、PTFE
