

科普 | 机械密封的基础知识

世界先进制造技术论坛

2025-11-13

机械密封（ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｅａｌ）是指由至少一对垂直于旋转轴线的端面在流体压力和补偿机构弹力（或磁力）的作用以及辅助密封的配合下，保持贴合并相对滑动而构成的防止流体泄漏的装置。机械密封通常被人们简称为 “机封”。

目前石油化工工艺装备中近８０％的泵、搅拌釜使用了机械密封，虽然只是零部件，但却是减少泄漏、提高效率、降低能耗、决定机器设备的安全性及可靠性的关键零部件。在石油化工工厂中，机械密封一旦失效，不仅影响到设备的正常工作，严重时甚至导致整个化工系统崩溃，并造成燃烧、爆炸、人身伤亡等恶性事故。

随着机械密封技术的进步，端面可控膜技术的成熟，目前机械密封技术可达到以下水平：

单级压力：１０－３～３５ＭＰａ；

使用温度：深冷～１０００℃；

机器转速：５００００ｒ／ｍｉｎ；

ｐｖ值：１０００ＭＰａ·ｍ／ｓ。

1、机械密封的基本原理

机械密封依靠弹性元件提供弹力，克服补偿环辅助密封圈与轴之间的摩擦力，使补偿环紧密地贴合在非补偿环的端面，形成密封端面初始闭合力，当主机充满压力介质并开始工作时，可使密封端面产生闭合力，从而使密封端面达到合理的比压，实现流体的密封。

2、机械密封的基本结构

由补偿环、补偿环辅助密封圈、弹性元件、传动件、弹簧座、紧固件等组成的补偿组件，以及由非补偿环、非补偿静环辅助密封圈等组成的非补偿组件，共同组成一套完整的机械密封。

1）典型的旋转式（见图１⁃１）和静止式（见图１⁃２）机械密封基本结构

构成典型的旋转式机械密封的基本元件有：摩擦副（补偿环４、非补偿环３）、辅助密封圈（Ｏ形圈２、５）、传动件（推环６）、弹性元件（弹簧７）、弹簧座８、紧固件（紧定螺钉９）、防转销１及密封端盖１１和密封腔１０组成。

2）机械密封主要泄漏途径

当密封腔内充满有压的被密封介质时，由图１⁃１所示机械密封的泄漏点主要有４处：

泄漏点１：密封摩擦副端面处，称为主密封，是决定密封性能及寿命的关键密封点，据统计大约有８０％以上的密封泄漏都是由此造成的。

泄漏点２：位于密封静环与压盖之间。

泄漏点３：位于密封动环与轴（或轴套）之间，称为机械密封的辅助密封，主要形式有：Ｏ形圈、Ｖ形圈、矩形圈等。工作时辅助密封基本无相对运动，属相对静止的密封，但动环辅助密封圈对机械密封的追随性起着关键作用。

泄漏点４：位于密封腔与压盖之间的静密封，狭义讲不属于机械密封零件，主要形式有：Ｏ形圈、垫片等。

3、机械密封零件的功能

（１）主密封　端面密封副由补偿环和非补偿环（动、静环）组成，主要作用是其有一定的端面比压，使密封面贴合，防止被密封介质泄漏（见图１⁃１、图１⁃２）。

（２）辅助密封　主要是对动、静环起浮动、缓冲密封作用（见图１⁃１、图１⁃２）。

（３）传动件　主要作用是传递轴的转矩（见图１⁃１、图１⁃２）。（４）弹性元件　指弹簧、波纹管等起预紧、补偿作用并始终保持一定的弹力，用于克服补偿环辅助密封滑动时的摩擦力及端面密封副的摩擦力（见图１⁃１、图１⁃２）。

（５）弹簧座　用于弹簧或波纹管轴向定位的零件（见图１⁃１、图１⁃２）。

（６）紧固件　用于弹簧座轴向定位和紧固的零件（见图１⁃１）。（７）防转件　防止静环转动的零件（见图１⁃２）。

4、机械密封的基本型式

机械密封的基本型式有以下几种（见图１⁃３～图１⁃１６）：

（１）单端面机械密封（见图１⁃３、图１⁃４）　结构简单，制造成本低廉，安装和使用方便。一般用于油、水、有机溶剂及弱腐蚀性介质。

（２）双端面机械密封（见图１⁃７、图１⁃８）　多数用于易燃、易爆、有毒、含颗粒及润滑性差的介质，通常使用时需配备密封辅助系统，即在两端面间的密封腔中通入隔离流体，改善机械密封的润滑和冷却条件。

（３）串联机械密封（见图１⁃９）　一般应用于高温、高压场合，可以通过多级密封及密封辅助系统对介质减压、降温，达到较好的密封效果。

（４）非平衡型（见图１⁃３）和平衡型机械密封（见图１⁃４）　平衡型机械密封可以通过结构设计，使密封端面承受较小的压力（端面比压小），能有效地降低端面的摩擦，减少摩擦热，有较高的承载能力，适用于较高压力条件下的密封。典型结构特点：密封部位的轴或轴套有台阶，但无台阶结构的不一定就不是平衡型机械密封。非平衡机械密封，一般使用在介质压力≤０􀆰８ＭＰａ的场合。

（５）内装式机械密封（见图１⁃３～图１⁃５）　内装式机械密封是静环装于密封端盖内侧的机械密封（见图１⁃３），内装式机械密封的密封元件均处于介质中，可以利用介质压力为密封端面提供密封力，并由介质对密封进行润滑、冷却，是常用的结构型式。

（６）外装式机械密封（见图１⁃６）　静环装于密封端盖外侧的机械密封，因介质压力与密封弹簧力相反，一般使用在介质压力＜０􀆰５ＭＰａ的强腐蚀、颗粒介质场合。一般说来，这种密封可以直观地看到端面运转情况，便于安装和维修。

（７）内流型（见图１⁃３～图１⁃５）和外流型机械密封（见图１⁃６）　内流型密封由于离心力的作用可以阻止介质泄漏，是常用的结构型式。

（８）旋转式（见图１⁃３～图１⁃７、图１⁃９）和静止式机械密封（见图１⁃８、图１⁃１０、图１⁃１２）

（９）波纹管机械密封　按使用的波纹管材料不同，可分为橡胶波纹管、聚四氟乙烯波纹管和金属波纹管的机械密封。波纹管密封在轴上没有相对滑动，对轴无磨损，浮动补偿范围大，可在多种工况条件下使用。金属波纹管密封（见图１⁃１１），使用焊接（或成形）金属波纹管作密封的弹性元件，并可取消动环辅助密封圈，减少一个密封点，一般用在高温、低温条件下。聚四氟乙烯波纹管密封（见图１⁃１２），考虑到聚四氟乙烯材料的特性，这种密封大多在压力不高的强腐蚀条件下使用。橡胶波纹管密封（见图１⁃１３）价格便宜，应用广泛，但受材料限制，一般在常温～８０℃的条件下使用。

（１０）接触式和非接触式机械密封　非接触式密封是指密封端面动、静环微观不接触的机械密封，包括流体静压式密封（见图１⁃１４）、流体动压式密封（见图１⁃１５）以及干气密封（见图１⁃ １６）。普通机械密封绝大多数为接触式机械密封，其结构简单、泄漏量小，但磨损和发热量大，不能适用于高压、高速等工况条件。非接触式密封由于密封端面不接触，工作时密封端面无磨损，发热量极小，可适用于高压、高速等苛刻的工况条件。缺点是结构复杂，制造成本高，需庞大的辅助系统。