機械密封（Mechanical Seal）又稱端面密封，是旋轉軸用動密封。機械密封是一種用于旋轉設備（如泵、壓縮機、攪拌器）的軸封裝置，目的是防止工作介質（液體或氣體）沿轉軸泄漏，同時防止外部雜質進入設備內部。它是現代工業中應用廣泛、性能可靠的一種軸封形式。

一、 機械密封的基本原理

機械密封的核心原理是利用兩個精密的、極平坦的密封端面（一個旋轉，一個靜止） 在介質壓力和輔助密封（如彈簧、波紋管）的壓緊力作用下緊密貼合，并保持一層極薄的流體膜（可以是液體或氣體），從而實現相對旋轉運動下的動態密封。這層流體膜起著潤滑、冷卻和平衡壓力的作用。

關鍵組成部分及其作用

1. 旋轉環（動環）： 安裝在旋轉軸上，隨軸一起轉動。其端面是主要的密封面之一。

2. 靜止環（靜環）： 固定在設備殼體（壓蓋）上，不隨軸轉動。其端面與動環端面配對形成主密封面。

3. 主密封端面： 動環和靜環相互接觸（實際是微米級液膜分隔）的精密研磨平面。這是阻止泄漏的主要屏障。

4. 輔助密封件（O型圈、楔形環、墊片等）：

   • 在動環與軸（或軸套）之間、靜環與壓蓋之間提供靜態密封，防止介質從這些部位泄漏。

   • 補償少量的軸向位移和振動。

5. 彈性元件（彈簧、波紋管、金屬波紋管等）：

   • 提供初始壓緊力： 確保密封端面在設備啟動前就能緊密貼合。

   • 補償端面磨損： 隨著密封端面的輕微磨損，彈性元件能自動推動動環（或靜環）向前移動，維持端面貼合。

   • 緩沖振動和軸向竄動。

6. 傳動機構（銷、鍵槽、突耳等）： 確保旋轉環隨軸一起旋轉，不發生相對轉動。

7. 防轉機構： 防止靜止環隨軸轉動。

8. 密封腔（壓蓋）： 容納機械密封組件的空間。

工作過程簡述

當設備運行時，旋轉軸帶動動環旋轉。在彈簧力（或其它彈性元件力）和密封腔介質壓力的共同作用下，動環端面與靜環端面緊密貼合，形成極薄的液膜。這層液膜在摩擦熱和剪切力的作用下形成特定的流體動壓或流體靜壓效應，既防止了介質的大量泄漏（泄漏量極小，表現為微量蒸發或滴漏），又潤滑了密封端面，帶走摩擦熱。輔助密封件則阻止了介質沿軸向其他路徑泄漏。

二、 機械密封的主要特點

優點

1. 泄漏量極小：

   • 這是機械密封突出的優點。正常工作時，其泄漏量遠低于傳統的填料密封（盤根），通常僅為后者的1%甚至更低。理想狀態下可實現“零泄漏”或僅有微量蒸汽逸出，符合嚴格的環保和安全要求。

2. 使用壽命長：

   • 在正確的選型、安裝和使用條件下，機械密封的使用壽命可達數千甚至上萬小時，比填料密封長得多，大大減少了維護頻率和備件成本。

3. 摩擦功耗低：

   • 密封端面間的液膜潤滑大大降低了摩擦系數，其功耗通常僅為填料密封的10%-50%，節能效果顯著，尤其對于大功率設備。

4. 軸（或軸套）無磨損：

   • 機械密封的軸向壓緊力作用在密封端面上，而不是像填料密封那樣直接抱緊在軸上，因此避免了軸或軸套的磨損，延長了主軸壽命。

5. 適用范圍廣：

   • 壓力范圍寬： 從真空到超高壓（可達數百兆帕）。

   • 溫度范圍寬： 從深冷到高溫（-200°C 到 +1000°C，取決于材料和結構）。

   • 轉速高： 可適應高速旋轉設備（線速度可達100m/s以上）。

   • 介質適應性強： 通過選擇合適的端面材料（碳化硅、硬質合金、石墨、陶瓷等）和輔助密封材料（氟橡膠、丁腈橡膠、乙丙橡膠、聚四氟乙烯、柔性石墨、金屬等），可以密封各種腐蝕性、有毒、易燃易爆、含顆粒、高粘度或易結晶的介質。

6. 無需經常調整：

   • 依靠彈性元件自動補償端面磨損，在運行期間一般不需要像填料密封那樣頻繁擰緊壓蓋。

7. 耐振性好：

   • 設計良好的機械密封能夠承受一定的振動和軸向竄動。

缺點

1. 結構復雜，制造成本高：

   • 相比簡單的填料密封，機械密封零件多、精度要求高（特別是密封端面的平面度、光潔度要求極高），因此初始購置成本較高。

2. 安裝和維修要求高：

   • 安裝精度要求嚴格（如軸向竄動量、徑向跳動量、軸套間隙等），需要專業工具和技能。維修更換也比填料密封復雜，通常需要拆卸設備。

3. 故障處理較困難：

   • 一旦發生故障（如突然泄漏增大），現場快速判斷原因和修復有時較困難，可能需要停機和拆解檢查。

4. 對介質清潔度有一定要求：

   • 雖然雙端面密封或帶沖洗方案可以處理含顆粒介質，但顆粒物仍會增加密封端面磨損甚至劃傷的風險。需要配備相應的過濾或沖洗系統。

5. 干運轉風險：

   • 某些類型的機械密封（特別是依靠被密封介質潤滑的）在介質斷流或空轉時，密封端面可能因缺乏潤滑液膜而發生干摩擦，導致瞬間高溫和嚴重損壞。需要采取預防措施（如雙端面密封、外供沖洗液、干運行保護）。

三、 典型應用

機械密封廣泛應用于各種旋轉設備中，特別是：

• 各種離心泵、旋渦泵、轉子泵（化工、石油、制藥、食品、電力、水處理等行業）。

• 離心式壓縮機、鼓風機。

• 反應釜、攪拌器、混合器。

• 船舶推進器軸、潛水電機。

• 汽車水泵、空調壓縮機。

• 真空設備。

總結

機械密封通過精密配合的旋轉端面在流體膜潤滑下實現動態密封，其核心優勢在于泄漏量極小、壽命長、功耗低、對軸無磨損。盡管存在結構復雜、成本較高、安裝維修要求高等缺點，但其卓越的密封性能和廣泛的適用性使其成為現代工業中旋轉設備軸封的首選解決方案，尤其是在要求嚴格密封、長周期運行、節能環保的關鍵場合。選擇合適的機械密封類型、材料和輔助系統（如沖洗、冷卻、保溫）對于其可靠運行至關重要。但是機械密封也具有缺點：1、結構較復雜，對制造加工要求高；2、安裝與更換比較麻煩，并要求工人有一定的安 裝技術水平；3、發生偶然性事故時，處理較困難； 4、一次性投資高。