姚輝波

（淄博職業(yè)學院，淄博 255314）

化工機械密封的故障原因與解決措施

姚輝波

（淄博職業(yè)學院，淄博 255314）

Failure reason and resolvent of chemical mechanical face seal

YAO Hui-bo

機械密封作為一種重要的軸封裝置，廣泛應用于各工業(yè)領域。欲使密封具有良好的性能，則必須做到受載后的動、靜環(huán)密封端面間保持平行或近似平行的幾何形狀。然而，密封環(huán)在外部機械力的作用下，將產(chǎn)生變形。因此，機械密封動、靜環(huán)端面力變形準確的分析和計算對于設計、制造出性能優(yōu)良的機械密封產(chǎn)品是至關重要的。

化工；機械密封；故障；解決措施

0 引言

化工機械源于化學工業(yè)，通常是指化工生產(chǎn)中為了將原料加工成一定規(guī)格的成品，在原料預處理、化學反應以及反應產(chǎn)物的分離和精制等一系列化工過程所用到的機械?；C械密封的可靠性和使用壽命不僅取決于環(huán)境和運行工況，還取決于對故障的診斷和處理。本文總結(jié)了化工機械密封中常見的滲漏原因，并提出解決的具體措施。

機械密封是一種先進的動密封產(chǎn)品，它指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（或磁力）的作用下以及輔助密封的配合下保持貼合并相對滑動而構(gòu)成的防止流體泄漏的裝置。多用于動密封部位，是因為與填料密封相比其具有密封效果好，不磨損轉(zhuǎn)軸，使用壽命長，消耗功率小等優(yōu)點。特別是在一些工作環(huán)境比較惡劣的場合，一般的密封產(chǎn)品是無法勝任的。時至今口，機械密封以其綜合優(yōu)良的使用性能已在諸多重要工業(yè)領域如石化、石油、化工等得到廣泛應用。

1 機械密封的概述

1.1 機械密封的定義和組成

機械密封簡稱為“機封”，是一種先進的動密封產(chǎn)品，機械密封也稱端面密封，主要用于泵、壓縮機、液壓傳動和其他類似設備的旋轉(zhuǎn)軸的密封。機械密封是指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（或磁力）的作用下以及輔助密封的配合下保持貼合并相對滑動而構(gòu)成的防止流體泄漏的裝置（如圖1所示）。在輕型密封中，還有使用橡膠波紋管作輔助密封的，橡膠波紋管彈力有限，一般需要輔以彈簧來滿足加載彈力。

圖1 機械密封結(jié)構(gòu)示意圖

隨著新型密封材料的不斷涌現(xiàn)、精密加工技術的不斷進步以及計算機技術的廣泛應用，機械密封在密封理論、密封結(jié)構(gòu)、密封工作性能等方面都得以迅速拓展、豐富、完善和提高，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

密封理論：主要涉及密封機理、密封摩擦副的摩擦與潤滑、密封動靜環(huán)的熱力變形分析、動力學特性、流體動壓潤滑理論、流體靜壓潤滑理論、熱彈性流體動壓潤滑理論等。

密封結(jié)構(gòu)：由最初的單端面密封發(fā)展到雙端面密封和多端面密封、平衡型和非平衡型、靜止式和旋轉(zhuǎn)式、單彈簧和多彈簧、內(nèi)流式和外流式、內(nèi)裝式和外裝式、接觸式和非接觸式、集裝式、剖分式、浮動式、組合式、波紋管式、刃邊密封等。

密封工作性能：由最早單純地追求減少泄漏量向?qū)崿F(xiàn)零泄漏、零逸出、長壽命、低功耗、無污染等方面發(fā)展。

主要有以下四類部件組成了機械密封系統(tǒng)：a.主要密封件：動環(huán)和靜環(huán)。b.輔助密封件：密封圈。c.壓緊件：彈簧、推環(huán)。d.傳動件：彈箕座及鍵或固定螺。

1.2 機械密封的分類

機械密封可按照不同的標準分類。按彈簧元件旋轉(zhuǎn)或靜止可分為旋轉(zhuǎn)型和靜止型。旋轉(zhuǎn)型密封在高速運轉(zhuǎn)時，介質(zhì)中的彈簧本身受離心力影響容易變形，強腐蝕性介質(zhì)在彈簧的強烈攪動下更為不利，而靜止型則無這種缺點。由于它們是機械密封中最主要的零配件,其性能好壞直接關系到密封效果和壽命，因此，對密封環(huán)的材料、結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸以及表面加工質(zhì)量等都有較高的要求（表面加工精度如表1所示)。按密封介質(zhì)泄漏方向可分為內(nèi)流失和外流式。按介質(zhì)在端面引起的卸載情況可分為平衡式和非平衡式。按靜環(huán)位于密封端面內(nèi)側(cè)或外側(cè)可分為內(nèi)裝式和外裝式。按密封腔溫度分類：高、中、普、低溫密封。按密封腔壓力分離：超高、高、中、低壓機械密封。按彈簧的個數(shù)可分為單彈簧式和多彈簧式。按非接觸式機械密封結(jié)構(gòu)分類流體靜壓式、流體動壓式、干氣密封式。按密封端面的對數(shù)可分為單端面和雙端面。按彈性元件分類彈簧壓縮式和波紋管式。

表1 摩擦環(huán)端面粗糙度值

2 化工機械密封故障的主要原因

機械密封一般為內(nèi)裝式，常常需根據(jù)經(jīng)驗、現(xiàn)場觀察及儀器測量分析來確定密封泄漏的原因。首先，弄清受損傷的密封件對密封性能的影響，然后依次對密封環(huán)、傳動件、加載彈性元件、輔助密封圈、防轉(zhuǎn)機構(gòu)、緊固螺釘?shù)茸屑殭z查磨損痕跡。對附屬件及密封系統(tǒng)等也應進行全面的檢查。

圖2 靜止環(huán)示意圖

圖3 旋轉(zhuǎn)環(huán)示意圖

2.1 安裝不良造成的機械密封泄露

操作中，由于抽空、氣蝕、憋壓等異?，F(xiàn)象產(chǎn)生較大的軸向力，使動靜環(huán)接觸面分離；動環(huán)密封圈過緊，彈簧無法調(diào)整動環(huán)的軸向浮動量；對安裝機械密封時壓縮量過大，導致摩擦副端面嚴重磨損、擦傷；靜環(huán)密封圈過松，當動環(huán)軸向浮動時，靜環(huán)脫離靜環(huán)座；設計選型有誤，密封端面比壓偏低或密封材質(zhì)冷壓縮較大等；工作介質(zhì)中有顆粒狀物質(zhì)，運轉(zhuǎn)中進入摩擦副端面，探傷動靜環(huán)密封端面。

2.2 過熱損傷造成的機械密封泄露

過熱不僅引起密封副變形產(chǎn)生磨損,還可能引起熱裂和皰疤。通常,在過大的熱應力作用下密封環(huán)表面上出現(xiàn)徑向裂紋, 稱為熱裂。在短時間的機械負荷或熱負荷作用下會出現(xiàn)熱裂,例如由于干摩擦、冷卻系統(tǒng)中斷等熱裂時密封環(huán)磨損加劇泄漏量迅速增長。對于平衡型密封, 甚至密封環(huán)分開。為了避免熱裂,必須掌握材料的機械－物理性能,在設計時考慮到可能產(chǎn)生熱裂,并給定運轉(zhuǎn)條件。介質(zhì)潤滑性差、過載、操作溫度高、線速度高、配對材料組合不當?shù)纫蛩?或者是以上幾種因素的疊加,都可以產(chǎn)生過大的摩擦熱,若摩擦熱不能及時散發(fā),就會產(chǎn)生熱裂紋,從而引起泄漏。

2.3 長期磨損造成的機械密封泄露

機械磨損將引起密封副的正常配合關系被破壞,當端面出現(xiàn)一定的磨損,傳動軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)密封件都要作軸向位移和徑向擺動。根據(jù)磨損痕跡可以判斷運動和磨損情況,也可以確定密封泄漏的原因。例如,密封副磨損痕跡均勻,各零件的配合良好,這就說明傳動部分的同軸度良好。這時密封端面產(chǎn)生的泄漏,可能不是由密封本身問題引起的。若泄漏量為常數(shù),就意味著泄漏不是發(fā)生在兩端面之間,有可能發(fā)生在其他部位上, 如靜密封處。再如,密封開始使用時就泄漏,且觀察不到摩擦端面磨損痕跡,可能是旋轉(zhuǎn)環(huán)相對于靜止環(huán)不旋轉(zhuǎn)或打滑, 其原因可能是防轉(zhuǎn)銷松脫或折斷,或是底座的孔徑小于密封件的外徑,由于安裝不到位所致。

2.4 化學腐蝕造成的機械密封泄露

由于密封接觸腐蝕性介質(zhì)就會產(chǎn)生表面腐蝕，甚至在表面各處產(chǎn)生劇烈腐蝕點而形成點蝕。在金屬的晶界上產(chǎn)生的晶間腐蝕，會深入到金屬的內(nèi)部，并進一步破壞而引起斷裂。腐蝕的性能影響很大。由于密封件比主機的零件小，而且更精密,通常要選用比主機更耐腐蝕的材料。經(jīng)驗表明，壓力、溫度和滑動速度都能使腐蝕加速。密封件的腐蝕率隨溫度升高呈指數(shù)規(guī)律增加。處理強腐蝕流體時，采用雙端面密封，可以最大限度減輕腐蝕對密封件的影響，因為它與工藝流體相接觸的零件數(shù)量少。這也是在強腐蝕條件下，選擇密封結(jié)構(gòu)的一條最重要的原則。

2.5 密封零件失效造成的機械密封泄露

機械密封零件失效大部分是輔助密封圈失效，機械密封由于泄漏而不能正常工作的一個主要原因也是因為O形圈失效引起的。O形圈失效的表現(xiàn)為老化、永久性變形、溶脹變形、扭曲及擠出損傷。因此,在選用O形圈時應考慮合成橡膠的安全使用溫度,盡可能地選用截面較大的橡膠O形圈，適當提高硬度，采用溝槽式的裝配結(jié)構(gòu), 通過沉浸試驗合理選材，必要時選用復合材料，如橡膠包覆聚四氟乙烯密封圈。

3 機械密封泄漏問題對策

機械密封是由于密封端面間存在著端面膜而起到密封作用，而端面膜的形態(tài)又決定了密封的效果。由于工況的不同，機械密封端面間存在著液相、氣相與氣液混相等三種形式的端面膜。端面膜存在著不同形態(tài)的原因是被密封液體接近飽和狀態(tài)時，出現(xiàn)沸騰或閃蒸，即發(fā)生相變。而端面膜一旦發(fā)生相變，膜的反壓力就會發(fā)生較大變化，從而導致端面貼合不穩(wěn)定。所以解決問題的關鍵是如何保證機械密封的端面膜為穩(wěn)定膜。很顯然，要確保端面膜為穩(wěn)定膜，只需確保端面膜不發(fā)生相變或雖發(fā)生相變但不破壞端面的貼合?；谝陨显虻姆治觯瑱C械密封設計和造型一定要結(jié)合生產(chǎn)實際情況，盡量選用密封可靠、壽命較長的摩擦副材料及靜密封圈材料。本文對機械密封的泄漏和解決措施總結(jié)分析如下。

3.1 周期性滲漏

泵轉(zhuǎn)子軸向竄動量大，輔助密封與軸的過盈量大，動環(huán)不能在軸上靈活移動。在泵翻轉(zhuǎn)，動、靜環(huán)磨損后，得不到補償位移。解決措施：在裝配機械密封時，軸的軸向竄動量應小于0.1mm，輔助密封與軸的過盈量應適中，在保證徑向密封的同時， 動環(huán)裝配后保證能在軸上靈活移動(把動環(huán)壓向彈簧能自由地彈回來)。密封面潤滑油量不足引起干摩擦或拉毛密封端面。解決措施：油室腔內(nèi)潤滑油面高度應加到高于動、靜環(huán)密封面。轉(zhuǎn)子周期性振動。原因是定子與上、下端蓋未對中或葉輪和主軸不平衡，汽蝕或軸承損壞(磨損)，這種情況會縮短密封壽命和產(chǎn)生滲漏。解決措施：可根據(jù)維修標準來糾正上述問題。

3.2 小型潛污泵機封滲漏

7.5kW以下小泵機封失效常常產(chǎn)生磨軸，磨軸位置主要有以下幾個：動環(huán)輔助密封圈處、靜環(huán)位置、少數(shù)彈簧有磨軸現(xiàn)象。

磨軸的主要原因：1）雙端面機械密封，反壓狀態(tài)是不良的工作狀態(tài)，介質(zhì)中的顆粒、雜質(zhì)很容易進入密封面，使密封失效。2）磨軸的主要件為橡膠波紋管，且是由于上端密封面處于不良潤滑狀態(tài)，動靜環(huán)之間的摩擦力矩大于橡膠波紋管與軸之間的傳遞轉(zhuǎn)矩，發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。3）動、靜環(huán)輔助密封由于受到污水中的弱酸、弱堿的腐蝕，橡膠件已無彈性。有的已腐爛，失去了應有的功能，產(chǎn)生了磨軸的現(xiàn)象。為解決以上問題，現(xiàn)采取如下措施：1）保證下端蓋、油室的清潔度，對不清潔的潤滑油禁止裝配。2）機封油室腔內(nèi)油面線應高于動靜環(huán)密封面。3）根據(jù)不同的使用介質(zhì)選用不同結(jié)構(gòu)的機封。對高揚程泵應重新設計機封結(jié)構(gòu)，對腐蝕性介質(zhì)橡膠應選用耐弱酸、弱堿的氟橡膠，機封靜環(huán)應加防轉(zhuǎn)銷。

3.3 由于壓力產(chǎn)生的滲漏

高壓和壓力波造成的機械密封滲漏由于彈簧比壓力及總比壓設計過大和密封腔內(nèi)壓力超過3 M P a 時，會使密封端面比壓過大，液膜難以形成，密封端面磨損嚴重，發(fā)熱量增多，造成密封面熱變形。解決措施：在裝配機封時，彈簧壓縮量一定要按規(guī)定進行， 不允許有過大或過小的現(xiàn)象，高壓條件下的機械密封應采取措施。為使端面受力合理，盡量減小變形，可采用硬質(zhì)合金、陶瓷等耐壓強度高的材料，并加強冷卻的潤滑措施。真空狀態(tài)運行造成的機械密封滲漏泵在起動、停機過程中，由于泵進口堵塞，抽送介質(zhì)中含有氣體等原因，有可能使密封腔出現(xiàn)負壓，密封腔內(nèi)若是負壓，會引起密封端面干摩擦，內(nèi)裝式機械密封會產(chǎn)生漏氣( 水)現(xiàn)象，真空密封與正壓密封的不同點在于密封對象的方向性差異，而且機械密封也有其某一方向的適應性。解決措施：采用雙端面機械密封，這樣有助于改善潤滑條件，提高密封性能。

[1]胡國楨.化工密封技術[M].北京:化學工業(yè)出版社,1990.

[2]羅志新.石油化工釜用機械密封的失效分析與對策[J].聚氯乙烯,2000,(2).

[3]顧永泉.機械密封實用技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002.

[4]徐灝.密封[M].北京:中國冶金工業(yè)出版社,2002.

[5]李系會.泵串聯(lián)機械密封及系統(tǒng)改造[J].石油礦場機械,2006,35(2):93-94.

[6]李德儉,管洪君.可控式機械密封設計[J].石油礦場機械,2006,35(6):42- 44.

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1009-0134(2010)06-0159-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.06.52

2010-03-24

姚輝波（1963－）男，山東巨野人，副教授，碩士，研究方向為機械。