泵系统的机械密封是什么原理构造？

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机械密封（Mechanical Seal）作为现代离心泵、化工泵与流程泵的重要部件，自 20 世纪 50 年代起逐渐取代效率较低、维护成本高的填料函（Packing Gland），成为目前工业领域的主流轴封技术。其任务是防止泵送流体从泵轴穿出泵体的位置泄漏，在保持介质安全、减少产品损失、控制挥发排放方面发挥关键作用。

本文从机械密封的工作原理、结构部件、密封类型与工程应用展开系统分析，同时融合标准化分类内容，便于工程师全面理解机械密封的技术体系与应用边界。

一

机械密封是如何工作的？

机械密封的工作原理可概括为：利用两片高度平整且相互贴合的密封端面，使泵送流体保持在泵内，同时实现低磨损、低泄漏与可控蒸发。

1. 密封端面之间的液膜作用

机械密封由两片端面构成静止端面和旋转端面。

两者通过弹簧力或波纹管的弹性紧密贴合，在运行中形成一层极薄的液膜。液膜具有以下作用：

• 润滑端面，减少摩擦

• 带走摩擦热，避免端面热损伤

• 形成可控泄漏，在密封腔—大气之间维持平衡

液膜以液态形式流出并在接触空气后蒸发，因此所有机械密封均存在极小的气态泄漏，这是正常现象。

2. 泵送流体的蒸发式泄漏

机械密封并非绝对零泄漏。即使是高性能密封，也仅能将泄漏降低到可控的蒸发水平。对于绝对不能泄漏的介质（如 VOC、毒性流体），需要使用 双端面密封 与 加压隔离液系统（如 API Plan 53）。

二

机械密封的基本组成部件

一般来说，机械密封由三类关键部件构成：

主要密封端面

常规结构是一片固定，一片随轴旋转，常用材料：碳化硅、碳石墨、硬质合金，端面平面度极高，是密封性能的根本。

辅助密封

用于密封端面与金属结构件之间的间隙，常见类型包括：O 形圈（O-Ring）、PTFE（聚四氟乙烯）楔形圈和V 形圈、石墨环等。辅助密封的材料需与泵送介质兼容。

金属及弹性结构件

包括压盖、弹簧或多弹簧组件、波纹管销、挡圈、定位件等。这些部件用于提供端面压力、限制位移、保证密封的稳定性。

三

机械密封的结构与设计分类

机械密封的分类较多，下文从工程设计常用的几个维度进行总结。

按安装位置分类

（1）内装式密封

密封的旋转部件位于泵密封腔内部，介质压力作用在密封外径，适用于高压力工况，是工业应用最常见的形式。

（2）外装式密封

密封的旋转部件位于密封腔外部，流体不接触金属零件，适用于腐蚀性强且清洁度要求高的介质，多见于非金属泵（如塑料泵）。

按辅助密封的运动方式分类

（1）推入式密封

采用可移动的辅助密封（如 O 形圈）补偿端面磨损

轴向移动，一般结构简单，成本较低。

辅助密封会产生往复运动 → 存在磨损风险

（2）非推入式密封

无需辅助密封移动，多为金属波纹管密封或弹性体波纹管密封，适用于高温、强腐蚀应用。

3.按压力结构分类

（1）平衡式密封

通过几何结构降低端面承载的液压，端面发热降低，可适用于高压场合，工作稳定性更高。

（2）非平衡式密封

直接承受密封腔压力，结构简单且成本低，适合中低压场合，是常见经济型解决方案。

4.按密封面数量分类

（1）单端面密封

结构简单、维护便利，是最常见的选择。适用介质需具备良好润滑性。

（2）双端面密封

分为面对面、背靠背和串联式三类。

双密封之间可引入缓冲液或惰性气体（如氮气），适用于挥发性有机化合物（VOC）、无润滑或高粘度介质、脏污或含颗粒介质和会固化或状态易变化的产品。

四

机械密封的工程意义与应用价值

结合上述结构与工作机理，机械密封的价值主要体现在：

• 防止泵送流体泄漏与产品损失

• 提高泵的整体效率与可靠性

• 减少维护成本，降低停机风险

• 满足环保与安全要求：如 VOC 控制、危险化学品泄漏防控

• 适应高温、高压、强腐蚀、多相介质等复杂工况

与传统填料函相比，机械密封具有更低的摩擦功耗，更长的使用寿命，更低的泄漏率，以及更少的轴磨损。因此在现代工业中已成为主流选择。

五

总结

机械密封作为泵系统的重要部件，其结构、类型与工作机理相对复杂，但核心思路始终围绕一个目标：利用两片工程端面的贴合与液膜控制，实现可靠、可控的密封效果。

通过对密封类型、压力结构、材料选择和安装位置的正确理解，工程师可以根据工况合理选择最适合的密封方案，从而提高设备可靠性，降低运维成本，并满足更严格的环保法规要求。

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PROFILE

计为技术工程师

陈工

陈工，是计为自动化资深工程师，长期专注于液位测量设备的现场应用与技术改进，具备丰富的工程实践经验。曾多次参与石化、电力等行业项目，对雷达液位计、磁翻板液位计等仪表的选型、安装与故障分析有深入研究，尤其擅长解决密封、振动、温差等极端工况下的安装问题，帮助客户提升系统稳定性与测量可靠性。

计为专注于物位测量仪表的研发与生产，提供可靠的自动化解决方案。拥有50+项国家专利，荣获国家高新技术企业认证。

封面丨小黄

文字丨陈工

图片丨阿刀

审核丨小田

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