化工装备密封技术
(Sealing Technology for Chemical
Engineering Equipment )
主讲人: 郝木明
实现以人为本—
健康
安全
环保
经济
—现代化生产新理念
泄漏的主要原因
设计
制造
安装或维修
工艺操作
振动、冲刷、汽蚀等机械破坏
环境变化（温度、压力、转速及其波动）
介质腐蚀
0. 前 言
流体密封技术的重要作用
• ①.虽非核心技术，但有可能是决定性技术
• ②.决定机器设备的安全性和可靠性
• ③.环境保护
• ④.能源和物质节约、提高经济效益
讲授内容
一．流体密封的基本理论和基本知识
二．流体静密封技术
三．流体动密封的基本原理及知识
四．不停车堵漏技术、泄漏检测技术
第一部分:流体密封的基本理论和基本知识
1．密封机理、方法和分类
• 掌握流体泄漏的机理、密封的基本方法和流体密封的基
本类型。
2．密封流体力学基本知识
• 了解密封流体力学基本方程特别体润滑基本方程的物理
意义、密封简单模型中流体流动（缝隙流动、孔口与夹
缝出流、转盘侧隙流动及喷嘴内气体是流等熵流动）的
特点及分析。
3．密封摩擦学基本知识
• 了解密封摩擦学理论中摩擦、磨损与润滑的基本知识。
1.密封机理、方法和分类
• 泄漏机理
• 密封方法和分类
• 对密封产品或密封系统的基本要求
• 流体密封技术的发展
• 两个隔离的区域1和2分别包含同种或
不同种的流体Ⅰ和Ⅱ，但它们具有共
同的边界，这些边界可以是圆柱形的，
例如往复机械或旋转机械中的轴、活
塞或阀杆等，也可以是环形平端面，
如法兰密封面。
1—Ⅰ 2—Ⅱ
边界
1.密封机理、方法和分类
泄漏机理
• 若两个区域存在压力差、浓度差、温度差、速度差等，流体就会通过这一界面
而泄漏。
• “密封”意味控制这两个区域之间流体的相互交换，使界面处“没有泄漏”现
象。
• 重点：揭示泄漏方式 、成因、特点及泄漏量的计算公式。
• 穿漏（Penetration）
• 定义：流体通过密封面间隙的泄漏；
• 成因：①、流体存在压力差Δp；②、泄漏
缝隙h。
• 特点：单向泄漏，从高压测→低压侧；
• 泄漏量：是衡量密封装置密封性能的主要
指标。
• 单向周边泄漏量：
• 渗漏 (Percolation)
• 定义：在压力差ΔP的作用下，被密封流体通过密封件材料的毛细管
的泄漏称之为渗漏。
• 特点：单向分子泄漏。
• 成因：①、压力差Δp；②、密封件材料毛细管。
• 气体重量泄漏量为
•
• 式中，r：毛细管或接触面毛细通道半径。
• 扩散(Proliferation)
• 定义：在浓度差ΔC的作用下，密封介质通过密封间隙或密封材料的
毛细管产生的泄漏，叫做扩散。
• 成因：①、介质浓度差ΔC；②、密封间隙或密封材料毛细管。
• 特点：双向泄漏，泄漏量小。
• 如醚类，渗透性强；采用波纹管密封。
密封方法和分类
• 根据泄漏的成因，阻止或控制流体流动（阻流）的方法有5种：
① 降低引起流动的推动力，Δp↓。
② 增大阻止流体流动的能量（包括力学能量、界面摩擦、流体摩擦、
热力学能量损失等）。
③ 控制流体流动方向（变有害流动为无害流动，如抽气密封、浮环密
封等）。
④ 切断流道。
⑤ 组合。
密封方法和分类
• 密封方式（采用上面一种或多种方法）：
• ①全封闭或部分封闭
• 将机器或设备用机壳或机罩全部密闭或部分密闭住
• 如屏蔽泵、磁力偶合器驱动的泵。
• 特点：无轴封和密封室。
• ②填塞或阻塞（是一种传统的密封方法）
• 利用密封件填塞泄漏点(例如密封圈、软填科密封等)或利用流体阻
塞被密封流体(例如气封、水封、铁磁流体密封等)。
• ③分隔或间隔
• 利用密封件将泄漏点与外界分隔开（隔膜密封、机械密封等）或利
用气体或液体作为中间密封流体(气垫密封、双端面机械密封等)。
• ④引出或注入
• 将泄漏介质引回到吸入室或通常为低压的吸入侧(抽气密封)或将对
被密封流体无害的流体注入密封室以阻止被密封流体的泄漏(如氮气
密封)。
密封方法和分类
• ⑤流阻或反输
• 利用密封件狭窄间隙或曲折途径造成密封所需要的流动阻力(迷宫密
封)或利用密封件对泄漏流体造成反压，使之部分平衡或完全平衡，
将流体反输回上游，以达到密封的目的（如螺旋密封、上游泵送密
封）。
• ⑥贴合或粘合
• 利用研合密封面本身的加工质量使密封面贴合或利用密封剂使密封
面粘合达到密封（密封剂、密封膏等）。
• ⑦焊合或压合
• 利用焊接或钎接的方法将泄漏点堵塞或加压使接触处微观不平处变
形(如垫片密封、软填料密封等)，形成固定的结合达到密封。
• ⑧几种密封方法的组合
• 是密封技术的一个发展方向。
流体密封按运动方式分为：
• ① 流体静密封(Static Seals)：用于密封与流体接触的可拆卸静设备。
如垫片(gasket)、密封胶或密封剂(sealing glue)等。
• ② 流体动密封（Dynamic Seals)：用于机器中将两流体空间隔开并作相
对运动（旋转、螺旋、往复摆动）的部件之间的密封。分旋转密封
(rotating seals)、往复密封(reciprocating seals)、复合运动密封
(complex moving seals)等。
• ③ 伪静密封或微动密封（Pseudo-static Seals):介于静密封与动密封之
间的密封形式，表面为静密封，实则为动密封，如机械密封中补偿环用辅
助密封(secondary seals)。
• ④ 封闭式密封(closed seals)或转化为静密封的动密封：如屏蔽泵
(screened pumps)、磁力传动泵(magnetic transmission pumps)和全封
闭式压缩机(closed compressors)等将动密封转化为静密封的机器设备。
流体静密封分类
• 垫片密封。按材料和结构分为：
① 非金属垫片：橡胶、石棉橡胶、柔性石墨、聚四氟乙烯等，截面
形状均为矩形。
② 金属复合型垫片：各种金属包垫、金属缠绕垫。
③ 金属垫片：金属平垫、波形垫、环形垫、齿形垫、透镜垫、三角
垫、双锥环、C形环、中空O形环。
按密封分类原则：金属平垫、波形垫、环形垫、齿形垫、透镜垫
属于强制式密封，其余为自紧式或半自紧式密封。
• 胶密封。
• 填料密封。
• 波纹管。
流体动密封分类
• 接触式动密封。
① 软填料密封。
② 成型填料密封。
③ 油封。
④ 防尘密封。
⑤ 接触式机械密封。
• 非接触式动密封。
① 非接触式机械密封（气膜密封、液膜密封等）。
② 迷宫密封。
③ 浮环密封。
④ 间隙密封。
⑤ 螺旋密封。
⑥ 离心密封。
⑦ 磁流体密封。
• 封闭式密封。
• 组合式密封。
对密封产品或密封系统的要求
• 密封性：实现密封介质的低微泄漏甚至无泄漏（包括液
相零泄漏和汽相零逸出），实现环保功能。
• 可靠性：使用寿命长、稳定性高、抗干扰能力强。
• 经济性：成本低、能耗和运行费用少、使用维修方便—
—性价比高。
• 适用性：能满足机泵具体的工艺条件要求和现场能提供
的实际条件。
流体密封技术的发展趋势
• 随着现代工业的迅速发展，流体密封的使用环境正在发生深刻的
变化，对其工况要求更加苛刻，操作条件正向高速、高压、高温、
低温、高真空、大尺寸、微尺寸方向发展。
• 以石油化工为例，石化用机泵的发展方向是大型化、高速化、机
电一体化，泵产品成套化、标准化、系列化和通用化，多品种、
性能广、寿命长及可靠性高；使机泵用密封向大型化和专业化方
向发展，特别是适用高压、高速透平，高温、低温和超低温泵，
高速泵，耐腐蚀泵，输送粘稠介质和带固体颗粒介质泵的密封技
术和产品发展很快。
• 电力、冶金等行业设备正向着大型化、高度自动化、智能化、节
能和绿色环保的方向发展，对于高温、高压密封要求越来越高。
比如发电设备，压力要求能承受27～28MPa，耐热温度要求达到
600℃，这都需要密封等设备能够耐高温高压。
(1)密封理论、技术和产品不断创新
• 新技术、新概念、新结构、新材料、新工艺（结构是先导，材料是
基础，工艺是保证）和新标准不断涌现；
① 高参数(如高压、高速、高温、大直径)；
② 高性能(如干运转、零泄漏、无油润滑、密封浆液、高含固体
颗粒)；
③ 高可靠性和高水平(如高PV值、大型剖分式、状态监控)密封产
品大量研制。
• 重点：密封失效机理(如疱疤、热裂、空化-汽蚀、橡胶密封圈泡胀
和老化)、失效分析(如可靠性和失效概率)、密封失效专家诊断系
统、失效监控技术(如流体膜、摩擦状态和相态)的研究和应用。
(2)密封设计由简易的经验性设计向理论性专家系统设计转变
• 经验性设计：以机械密封为例，传统的设计方法是根据经验性知
识，确立密封的几何参数和弹簧压力，依此计算出端面接触压力
Pc、线速度V、摩擦功耗、摩擦热、冲洗液量，并确定相应的辅助
系统；计算机辅助设计主要局限于密封零部件的绘制。
• 理论性专家系统设计：先进的理论性专家系统设计则是以计算机
为工具，根据具体的工艺条件，采用完善的专业数据库和软件，
对密封进行性能分析、动态仿真、结构优化、参数化设计，尽可
能在设计阶段使密封的使用性能达到最优，实现设计的合理准确
和快捷高效，满足密封的规模化和专业化生产的需要。
(3)密封使用范围不断拓宽
• 机械设备方面：机械密封不仅机泵阀采用，而且工艺设备(如反应
釜、转盘塔、搅拌机、离心机等)都采用。
• 工业领域方面：石化、石油、化工、造纸、汽车、船舶、家电、
机械制造、冶金、矿业开采、原子能工业、航空航天、军工、电
力、医药、食品加工等重要工业领域。
• 工况参数方面：高压、高速、高PV值、高温、低温、高真空等。
(4)重视密封系统的开发、应用和维护
• 过去只重视单独密封件的开发、使用和维护，现在已经发展到重
视整个密封系统（包括密封件和密封辅助系统），而且已制订了
新的转子泵用密封系统标准(API-682“离心泵与转子泵的轴封系
统”标准)。
(5)注意安全和环境保护、倡导节能减排
• 过去只注意眼睛可视的“泄漏”，不注意眼睛看不见的易挥发物
的气相“逸出”；现在发展到要求控制易挥发物的逸出量，也就
是说从要求“零泄漏”到要求“零逸出”。美国摩擦学家和润滑
工程师学会(简称STLE摩润学会)已制订了SP-30易挥发物逸出量控
制规定的指南。
• 大力推广应用无危害性泄漏的非接触式气膜密封和液膜密封产品，
在能够满足环保要求的前提下，可极大提高流体机械运行的可靠
性和经济性，实现以人为本的简况、安全、环保和经济的现代化
生产的理念。
(6)密封可靠性不断提高
• 在石油化工方面，为了延长工艺装置的检修周期和装置的操作周
期，要求机械密封的工作寿命由1年延长到2年，国外由2年延长到
3年甚至5年(API682中作了明确规定)。
(7)开发出适应性强的“个性化”实用密封技术和产品
• 不仅要求不断研制出高性能新的密封产品，更重要的是要根据具
体的工况条件研制开发出针对性很强的密封技术和产品，并使其
得到实际应用。
(8)实现“专家型”产品推销
• 要求市场推销人员（或销售工程师）不仅要与用户建立良好的业
务关系，更应具备丰富的密封技术知识，正确分析解答现场问题，
熟知产品特性。
(9)重视技术培训和技术咨询服务
• 涉及对企业内部员工的技术培训和对现场安装、使用和维护维修
人员的技术性咨询服务两个方面。
压差流 剪切流 挤压流
2.密封流体力学基本知识
• ⑴雷诺方程（Reynolds Equation）
⑵密封流动模型
①缝隙流动（机械密封、填料密封、口环密封等间隙
密封、浮环密封等 ）
2.密封流体力学基本知识
②孔口夹缝出流（喷嘴、同心环缝、迷宫密封等）
③转盘侧隙旋流（轮盘密封）
(a) 收缩喷管；(b) 扩张喷管；(c) 缩放(拉瓦尔)喷管
④喷管气流
•• 摩擦学摩擦学：研究作相对运动的相互作用表面及其有关理论与
实践的一门科学和技术，包括摩擦科学和技术。
• 是一门多学科交叉的边缘学科。
• 涉及三部分内容：摩擦、磨损和润滑。
• 摩擦（Friction）：研究具有相对运动的、相互作用的表
面间的有关理论与实践问题；两个相互接触物体在外力作
用下，发生相对运动（或着有相对运动趋势）时产生切向
阻力的物理现象。
• 磨损（Wear）：摩擦产生的重要现象之一，由于表面相对
运动而不断发生损耗的过程或者产生残余变形的现象。
• 润滑（Lubrication）:降低磨损和减少磨损的主要措施。
3. 密封摩擦学基本知识
•• 摩擦表面形貌与表面接触摩擦表面形貌与表面接触
• 了解和研究摩擦表面形态和接触状态是分析摩擦磨损和
润滑问题的基础。
• 任何摩擦表面均由许多不同形状的微凸峰和凹谷组成。
• 表面几何特征对于摩擦磨损和润滑起着决定性的影响。
• 摩擦表面几何形状由表面粗糙度、表面波度和表面形状
误差（如机械密封端面平直度）三部分组成（表面几何
形状：图3-1）
• 表面粗糙度是最常用的表面形貌参数，是取表面上某一
个截面的外形轮廓曲线来表示（表面轮廓曲线：图3-2
～3-6）。
图3-1 固体表面的几何形状
图3-2 表面轮廓的算术平均差 图3-3 微光不平度十点平均高度
•• 实际粗糙表面的接触实际粗糙表面的接触
• 名义接触面积An：宏观几何尺寸所决定的面积。
• 轮廓接触面积Ac：两物体在外载荷作用下相互挤压时，
接触斑点将出现在表面的波峰上，轮廓接触微元面积
的总和即为接触面积，其大小与轮廓形状及所受载荷
有关。
• 实际接触面积Ar：由微突体接触变形区域所形成的面
积之和。
• 对机械密封端面，表面粗糙度为～，实际接
触面积不到1%。
摩擦工况 干摩擦 边界摩擦 混合摩擦 流体摩擦
润滑状态 无 分子吸附膜 部分 全部
粘度影响
（μ） 无 无 部分 起决定作用
过程特征 微凸起接触
分子层、分子机
械作用
混合
流体动静压效
应
摩擦系数大小 ～ ～ ～ ～
膜厚比λ ＜ ≤1 ≤3 3～5
流体膜承载比 0 0 0＜xf＜1 1
各种摩擦状态及其特征对比
磨损的主要形式
•• 磨损磨损是伴随摩擦而产生的必然结果，是相互接触的物
体在相对运动时，表层材料不断发生损耗的过程或者
产生残余变形的现象。
• 磨损不仅是材料消耗的主要原因，也是影响机器使用
寿命的主要原因。
• 材料的损耗，最终反映到能源的消耗上，减少磨损是
节约能源不可忽视的一环。
• 在现代工业自动化、连续化的生产中，某一零件的磨
损失效，就会影响全线的生产。
• 为了延长机械零件的使用寿命，必须探讨磨损机理、
磨损规律、影响因素以及减少磨损的途径。
•• 机械零件失效的主要原因机械零件失效的主要原因：磨损、强度、腐蚀磨损、强度、腐蚀。
•• 磨损主要形式：磨损主要形式：粘着磨损、磨料磨损、表面疲劳磨损、
腐蚀磨损和微动磨损。
• ①．粘着磨损：相对运动时，由于固相焊接，接触点
的材料由一个表面转移到另个表面。
• 如：铝活塞与缸体内壁的擦伤。
• ②．磨料磨损：由硬质颗粒或较硬材料上的微突体引
起表面擦伤或表层材料脱落。最常见。
• 如：球磨机、破碎机、机械密封等。
图 二体和三体磨料磨损示意图
• ③．疲劳磨损：在交变周期性载荷的作用下，使摩擦
副接触区产生很大的变形和应力，并形成裂纹而破坏。
疲劳裂纹一般是在有缺陷的部位产生。
• 如：滚动轴承、齿轮副等。
• ④．微动磨损：两个表面之间由于振幅很小的相对运
动而产生的磨损。
• 如：花键、传动销、螺钉的结合面上等。
• ⑤．腐蚀磨损：在化学或电化学反应的作用下产生的
磨损，如氧化腐蚀磨损、特种介质腐蚀磨损、冲蚀和
汽蚀等。
• 如：水泵叶轮、水轮机叶片等。
•• 应当明确应当明确：多数磨损是以复合形式复合形式出现的，如微动磨
损就是一种复合磨损形式。在实际工程中，应抓住主
要的磨损形式，才能采取有效措施，以减少磨损，延
长寿命。
•• 磨损规律及影响因素磨损规律及影响因素
• 机器零件的工作过程分为三个阶段：跑合阶段、稳定
磨损阶段、急剧磨损阶段。应尽可能延长稳定磨损阶
段。
• 磨损的影响因素主要有：材料、表面硬度、滑动速度、
载荷、表面温度、表面粗糙度、表面粘附物以及润滑
等。
图 磨损量-时间曲线与磨损速度-时间曲线
•• 减少磨损的基本措施减少磨损的基本措施
• ①．材料的选择：相同金属材料的磨损率大于不同金属材
料的磨损率，金属材料配对摩擦副的磨损率大于金属材料
与非金属材料配对的摩擦副。
• ②．润滑：使摩擦副在流体润滑状态下工作。
• ③．表面强化处理：渗碳、渗氮、喷沙等表面处理工艺。
• ④．结构设计：如采用转移性原则，使一摩擦面磨损而保
护另一摩擦面。
• 如：滑动轴承表面油槽的布置，提高其承载能力。
• ⑤．使用保养。
润滑
•• 是减少机械零部件磨损、延长使用寿命的有效措施是减少机械零部件磨损、延长使用寿命的有效措施。
• 为了减少机器的磨损和发热,保证安全运转,延长使用寿
命和降低能源的消耗,摩擦副表面间进行润滑。主要的
润滑剂为液体润滑油。
• 据推算,全世界用于动力的能源,约有30%～40%消耗在无
效摩擦上。因此改善机械的润滑,减少摩擦及其损失,是
节约能源的有效措施。
• 润滑分为流体润滑和非流体润滑两种。当工作状态为
流体润滑时，两摩擦表面不直接接触，由一层厚度为
～2μm以上润滑油膜完全隔开，依靠润滑油的压力
来平衡外载荷。
• 由于两摩擦表面不直接接触，产生的摩擦为润滑油分
子间的内摩擦，因此摩擦系数很小，通常为～
，从而降低了磨损，改变了摩擦副的工作性能。
• 依流体润滑油膜压力形成的方式不同，将流体润滑分
为流体动压润滑、流体静压润滑和弹性流体动压润滑
三大类。
• ①流体动压润滑
• 由摩擦表面间形成的收敛油楔和相对运动，由粘性流
体形成压力以平衡外载荷。（图3-37，图3-38）。
(a) 流体动压型；(b) 流体静压型；
(b) (c) 挤压模型；(d) 流体动、静压混合型
图3-37 流体膜润滑效应
图3-38 各种密封面、流槽形状及对中误差
图3-38 各种密封面、流槽形状及对中误差（续）
• 理论依据：流体润滑理论的基本方程——雷诺
方程。
• 动压流体润滑三个必备条件：摩擦面间存在收
敛间隙、粘性流体、相对运动。
• 举例：滑动轴承、浮环密封、干气密封、上游
泵送机械密封等
压差流 剪切流 挤压流
• ②流体静压润滑
• 在外部压力源的作用下，由内部压差流动引起的，与配
合面的相对运动无关（图3-42）。
• 如：流体静压滑动轴承、流体静压型机械密封等。
(a) 径向波度；(b) 凹槽；(c) 台阶；(d) 节流孔；(e) 毛细管；(f) 过平衡型；(g) 汽化；(h)
平行面（表面张力）；(i) 收敛凹面；(j) 收敛图面；(k) 扩散面；(l) 收敛锥面
图3-42 产生密封流体静压效应的密封面形状
• ③弹性流体动压润滑型
• 特征：摩擦副材料发生变形、润滑介质粘度随压力（及
温度）变化。如：重载滚动轴承（图3-48），唇型油封
（图3-54），热流体动压机械密封（图3-55）。
图3-48 弹流压力分布及变形
重点内容
• 泄漏的主要原因及其危害；
• 流体密封技术的重要作用；
• 泄漏方式及其特点；
• 密封的基本方法和分类；
• 密封产品或密封系统的基本要求；
• 流体密封技术的发展趋势；
• 雷诺方程的推导及各项的物理意义；
• 密封模型中流体流动特点分析；
• 四种摩擦状态及其特点；
• 磨损的主要形式及其特征；
• 磨损规律及其影响因素；
• 流体动压润滑、流体静压润滑和弹性流体动压
润滑的原理及特点。
