機械密封失效原因與故障分析

     機械密封是由至少一對垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的端面在流體壓力和補償機構(gòu)彈力的作用及輔助密封的配合下保持貼合并相對滑動而構(gòu)成防止流體泄露的裝置。機械密封在石油和化工企業(yè)使用非常廣泛,由于其密封性好,性能穩(wěn)定,泄漏量少,摩擦功耗低,使用周期長,對軸(或軸套)磨損很小,能滿足多種工況要求等特點而被廣泛使用。但是其密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用條件苛刻，價格高及維修技術(shù)高等特點，特別是機械密封工藝條件溫度、壓力等工藝參數(shù)的影響直接關(guān)系到設(shè)備機械密封的性能和使用壽命，因此，找出機械密封失效原因及改進措施是保證企業(yè)安全生產(chǎn)，提高設(shè)備使用壽命的重要任務(wù)。做如下分析。

　   1 機械密封失效時長見的現(xiàn)象

　　1.1 工作時發(fā)生尖叫

　　這是因為密封端面潤滑效果不佳,應(yīng)安裝旁路沖洗管路,加大管徑和相應(yīng)的節(jié)流裝置的尺寸。

　　1.2 密封在工作時發(fā)生爆鳴

　　原因是密封介質(zhì)汽化或閃蒸,應(yīng)在允許范圍內(nèi)提高密封腔壓力,改進密封設(shè)計,降低介質(zhì)

　　溫差,安裝旁路沖洗管路,加大管徑和相應(yīng)的節(jié)流元件;加強密封端面的冷卻,檢查密封平衡設(shè)計,精確測量密封腔內(nèi)的壓力，溫度及介質(zhì)壓力。

　　1.3 石磨粉聚集在密封面外側(cè)

　　原因是密封面潤滑不良,密封端面間的液膜汽化或閃蒸,產(chǎn)生殘留物質(zhì),造成石墨環(huán)磨損，應(yīng)改善潤滑狀態(tài),防汽化。

　　1.4 密封泄露

　　由于密封介質(zhì)汽化或閃蒸密封端面, 應(yīng)先判斷泄漏源,斷面密封問題可能出在端面不平、裂紋、破碎或爆破,發(fā)生熱變形或機械變形;密封零件結(jié)構(gòu)不合理或強度不夠產(chǎn)生變形;因材料及加工原因產(chǎn)生的殘余變形;安裝時零件受力不均等,應(yīng)檢查安裝尺寸是否正確，密封和材質(zhì)是否適于使用工況,密封墊是否壓緊,是否螺栓力矩太大造成密封座變形，是否有安裝損傷,必要時予以更換;檢查填料腔裝配面和其他有關(guān)元件對軸線的垂直度，管道及設(shè)備安裝誤差"輔助密封安裝時可能被壓傷或擦傷;介質(zhì)從軸套間隙中漏出,0型圈老化;密封壓縮屈服變形,化學(xué)腐蝕"檢查密封槽和導(dǎo)角是否正常,起動設(shè)備前應(yīng)將密封端面重新研磨以保證密封面的光滑平整。

　　2 機械密封失效的原因分析

　　2.1 腐蝕失效

　　(1)表面腐蝕。

　　機械密封件會因腐蝕介質(zhì)的侵蝕而導(dǎo)致表面腐蝕，嚴(yán)重時會造成腐蝕穿透。

　　(2)點腐蝕。

彈簧套常出現(xiàn)大面積或區(qū)域性的點蝕，有的導(dǎo)致穿孔。此類局部腐蝕對密封的使用雖未造成嚴(yán)重后果，但大修時也應(yīng)更換.　　    

(3)晶間腐蝕

　　碳化鎢環(huán)不銹鋼環(huán)座以銅焊連接，使用中不銹鋼座易發(fā)生晶間腐蝕，為克服敏化的影響，不銹鋼應(yīng)進行固溶處理。圖2所示為帶波紋管的動環(huán)采用有填充劑的聚四氟乙烯，靜環(huán)為陶瓷，此裝置對大部分腐蝕介質(zhì)都適用。

 　　(4)應(yīng)力腐蝕破裂

　　在應(yīng)力和介質(zhì)腐蝕的共同作用下，金屬焊接管道、軸承、彈簧等會發(fā)生破裂現(xiàn)象。

        (5)間隙腐蝕。因介質(zhì)濃度之差而導(dǎo)致縫隙泄露而長生腐蝕。

　　(6)電化學(xué)腐蝕。密封中使用的金屬因工作環(huán)境的介質(zhì)而發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致密封失效。　　

        2.2 高溫失效

　　當(dāng)密封腔內(nèi)的溫度高達(dá)150℃時，機械密封可能出現(xiàn)一些問題：1.配對使用的密封環(huán)摩擦副發(fā)生熱變形和熱裂是材料發(fā)生腐蝕和磨損加快，發(fā)生失效。2.密封圈在超出須用溫度時會發(fā)生高溫老化、變硬、龜裂等現(xiàn)象是之失效。3.對與碳-石墨形式的密封環(huán)可能造成炭化從而產(chǎn)生泄露密封失效。4.對于有彈簧的裝置可能使其高溫失彈。5.運轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的摩擦熱使局部發(fā)生溫度變化，如果沒有合理的沖洗冷卻控制會使機密件發(fā)生失效。

　　2.3 摩擦失效

　　摩擦副使用的材料耐磨性差、摩擦系數(shù)大、端面比壓過大，當(dāng)密封面進入固體顆粒雜質(zhì)時使摩擦面磨損，端面間液膜難以形成和維持，造成密封失效。

　　2.4 壓力造成失效

　　(1)高壓和壓力波動造成機械密封失效

　　密封腔內(nèi)壓力超過須用壓力時，會時密封端面比壓過大，液膜難以形成，端面磨損嚴(yán)重，發(fā)熱量過多。還會使密封零件變形。高壓條件下的機密應(yīng)采取方法使端面受力合理，減少變形;加強冷卻和潤滑措施;使用平衡型機密和較小的載荷系數(shù);采用多端面密封結(jié)構(gòu)等。

　　工作壓力的波動會影響密封零件的彈性變形量，影響密封效果。當(dāng)壓力變化幅度較大時會產(chǎn)生很明顯的泄露量。應(yīng)選用WC對WC摩擦副等措施降低壓力波動的影響。

　　(2)真空狀態(tài)造成失效

　　真空會引起密封干摩擦、漏氣等現(xiàn)象。.實踐證明,半濕摩擦?xí)r,摩擦系數(shù)通常是百分之幾,而半干摩擦和干摩擦?xí)r則為十分之幾. 〔3〕即干摩擦釋放的熱量為潤滑時的十幾倍甚至更多,從而加劇了密封件的磨損.由于表面受到損壞,表面溫度升高,加上材料機械性能的變化,使磨損劇烈程增大,磨損速度增快,造成密封環(huán)熱裂或燒損,最終導(dǎo)致設(shè)備不能正常工作.為解決此問題，應(yīng)采用雙端面繼續(xù)密封，注入封液保證潤滑和提高密封性能，變氣相密封為液相密封。

　　2.5 密封形式或密封材料與密封工況不相適應(yīng)造成失效

　　若密封材料選擇不當(dāng),則密封很容易因腐蝕、高壓、高速或過熱而損壞。機械密封用于腐蝕性介質(zhì)時,因密封件經(jīng)受化學(xué)和電化學(xué)腐蝕,其摩擦副應(yīng)選擇既耐腐蝕又耐磨的材料,在強腐蝕性介質(zhì)中,可選用聚四氟乙烯波紋管，用于高壓介質(zhì)中時,一般選用雙端面平衡型結(jié)構(gòu)或多端面串聯(lián)式密封裝置用于高溫下時,零件應(yīng)進行穩(wěn)定性熱處理,且各零件應(yīng)盡量選用膨脹系數(shù)近似材料,高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備用的機械密封,應(yīng)盡量減少轉(zhuǎn)動零件.

　　2.6 安裝、運轉(zhuǎn)時失效分析

　　由于安裝不良造成機械密封的泄露有以下幾個方面的原因

　　(1)動、靜環(huán)接觸表面不平，安裝時碰傷或損壞。

　　(2)動、靜環(huán)密封圈尺寸有誤、損壞或未被壓緊。

　　(3)動、靜環(huán)表面有異物夾入。

　　(4)動、靜環(huán)V形密封圈方向裝反或安裝時反邊。

　　(5)密封腔端面與軸垂直不夠。

　　(6)靜環(huán)壓緊不均勻。

　　(7)緊固螺釘未擰緊，彈簧座后退。

　　(8)軸套處泄露，密封圈未裝或壓緊力不夠，軸套上密封圈活動處有腐蝕點。

　　綜上所述，引起機械密封失效的原因很多，某公司共有84臺運轉(zhuǎn)設(shè)備采用機械密封，1998～2000年引起機械密封失效的各中原因的出現(xiàn)頻率見下表：

　　表1 機械密封失效原因統(tǒng)計

　　3 其他原因造成的失效

　　密封件本身由于設(shè)計、工藝、制造、選材、安裝或選型配對不正確等缺陷造成機械密封點泄露失效，比如密封端面制造不平，安裝密封件時沒有對稱，導(dǎo)致存在密封間隙而泄露;密封沖洗系統(tǒng)存在問題，導(dǎo)致密封腔溫度過高使機械密封失效;密封輔助系統(tǒng)選擇不當(dāng)，工藝條件苛刻，環(huán)境差等因素均可能導(dǎo)致密封失效。

　　4 預(yù)防機械密封失效的措施

　　(1)密封結(jié)構(gòu)的選擇

　　密封結(jié)構(gòu)的選擇應(yīng)以結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、可靠性高、安裝與維修容易為佳。使用機械密封時應(yīng)該對密封的選用參數(shù)、結(jié)構(gòu)、形式、材料、標(biāo)準(zhǔn)及其特點加以了解，選擇質(zhì)量可靠的機械密封裝置。

　　(2)機械密封設(shè)備的選擇

　　當(dāng)機械密封設(shè)備輸送的是腐蝕性高及高溫介質(zhì)，要考慮密封設(shè)備的耐腐蝕、高強度、硬度和較小的熱膨脹系數(shù)。

　　(3)工藝條件的改善

　　對于高溫、高壓介質(zhì)，采用耐高溫、導(dǎo)熱好的摩擦副材料，在設(shè)備管理工作中，應(yīng)合理利用現(xiàn)場條件，優(yōu)化機械密封的工藝條件，提高密封性能和使用壽命，降低設(shè)備維護和維修費用。

　　(4)輔助措施的實施

　　冷卻、潤滑、沖洗等輔助措施應(yīng)根據(jù)機械密封環(huán)境的需要加以完善，保證機械密封的穩(wěn)定性和可靠性。

　　(5)安裝、維修管理的高效性

　　機械密封零部件的安裝質(zhì)量直接影響密封效果，安裝前要仔細(xì)檢查各個部件的完好性和規(guī)范性，正確安裝和調(diào)試，之后要試運行，如果發(fā)現(xiàn)問題一定要及時處理，以免后患。另外，合理的使用和維護也非常重要，操作人員一定要遵守操作規(guī)范，培訓(xùn)后上崗，實行責(zé)任制保證設(shè)備的正常運行的可靠性、安全性。

　　5 結(jié)語

　　以上總結(jié)了機械密封在使用過程中比較常見的失效原因，其實機械密封失效的原因很多,也很復(fù)雜。機械密封是較為精密的部件，可是泄露點多，對于零件的加工精度和安裝、維修質(zhì)量都有很高的要求。機械密封失效在生產(chǎn)實際中有各種因素造成的，因此，正確分析失效的原因，并非容易。首先要找到密封失效點，然后采取具體的措施進行改進。

　　選用合理的機械密封以提高安裝質(zhì)量和減少運轉(zhuǎn)設(shè)備的振動，加強工藝管理以確保工藝指標(biāo)的穩(wěn)定，防止壓力、溫度等條件的變化過大是提高機械密封可靠性的有效方法，保證機械密封系統(tǒng)的正確應(yīng)用，使機械密封長期有效的運轉(zhuǎn)。運用新材料的開發(fā)和計算機技術(shù)，進行機械密封失效地方的計算機建模，利用有限元知識分析失效點及機械密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化，借鑒國外機械密封技術(shù)和經(jīng)驗，提高機械密封穩(wěn)定性、長期性，節(jié)約能耗，提高經(jīng)濟效益。