劉尚明

（本溪市化學(xué)工業(yè)學(xué)?；は?

0 前言

化工企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程是連續(xù)型生產(chǎn)過(guò)程，物料大多具有易燃、易爆、有毒、強(qiáng)腐蝕等特性，物料泄漏不僅會(huì)產(chǎn)生損失，還有可能造成環(huán)境污染甚至引起火災(zāi)、爆炸等嚴(yán)重事故。化工企業(yè)輸送流體的機(jī)械密封主要采用填料密封和機(jī)械密封兩種形式，其中的機(jī)械密封廣泛應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)軸的動(dòng)密封。相對(duì)于填料密封，機(jī)械密封泄漏量較小，一般為10 mL／h，使用壽命長(zhǎng)，一般可連續(xù)使用2年，功率消耗小,約為填料密封的10%～50%[1]。同時(shí)，機(jī)械密封克服了填料密封不適合高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕等工況使用的難題，因此機(jī)械密封在化工生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。石化行業(yè)動(dòng)設(shè)備維修中機(jī)械密封維修工作量最高達(dá)到50%，因此延長(zhǎng)密封壽命尤其重要。本文在介紹機(jī)械密封工作原理、端面摩擦特性和密封特性基礎(chǔ)上，分析了機(jī)械密封的失效形式，進(jìn)而研究了如何避免密封失效、延長(zhǎng)密封使用壽命的問(wèn)題。

1 機(jī)械密封的工作原理

機(jī)械密封主要作用是防止泄漏。機(jī)械密封裝置中起密封作用的零部件稱(chēng)為密封件，主要有密封端面 （摩擦副）、彈性元件、輔助密封圈、動(dòng)環(huán)、靜環(huán)。機(jī)械密封主要靠一組密封端面形成動(dòng)密封，它借助彈簧力和介質(zhì)壓力使靜環(huán)與動(dòng)環(huán)的密封端面相互貼合并做相對(duì)旋轉(zhuǎn)而構(gòu)成密封。

機(jī)械密封常見(jiàn)有四個(gè)密封點(diǎn)。動(dòng)環(huán)和靜環(huán)端面間的密封是動(dòng)密封，是關(guān)鍵的密封點(diǎn)，其密封主要靠泵內(nèi)流體壓力和彈簧壓力使動(dòng)環(huán)、靜環(huán)兩端面互相緊密接觸，在兩環(huán)接觸面上少量泄漏的液體形成液膜起到潤(rùn)滑和密封作用。靜環(huán)和壓蓋，動(dòng)環(huán)和軸，壓蓋與泵體之間的密封是靜密封，通常可以采用各種簡(jiǎn)單密封形式和輔助密封材料防止流體的泄漏。

2 機(jī)械密封的性能

2.1 端面摩擦特性和密封特性

機(jī)械密封主要的性能指標(biāo)是端面摩擦特性和密封特性。端面摩擦特性和密封特性是兩個(gè)相互背離的指標(biāo)。例如提高密封能力就要相應(yīng)地提高端面比壓，而提高端面比壓必然影響摩擦副間建立的流體摩擦工況，改變流體動(dòng)壓效應(yīng)，增大端面磨損，減少機(jī)械密封使用壽命；反之，減小比壓又會(huì)增大泄漏率。雖然理論上應(yīng)該盡量考慮機(jī)械密封的密封特性，但是在工程應(yīng)用中需要綜合考慮上述問(wèn)題。

2.2 機(jī)械密封的使用壽命

機(jī)械密封失效最主要的表現(xiàn)指標(biāo)是未達(dá)到規(guī)定的時(shí)間就出現(xiàn)了泄漏率超標(biāo)的現(xiàn)象，因此需要研究泄漏率與工作時(shí)間的關(guān)系。研究表明，對(duì)于初始密封端面，泄漏率最小。此時(shí)，機(jī)械密封端面磨合完成。隨后的滑動(dòng)摩擦磨損過(guò)程中，由于機(jī)械密封動(dòng)、靜環(huán)接觸面積增大，承載面積增大，以及動(dòng)、靜環(huán)之間存在有一定量的被密封介質(zhì)，因而磨損量較小，泄漏率較低且相對(duì)穩(wěn)定。機(jī)械密封繼續(xù)工作，真實(shí)接觸面積增大，接觸表面之間的被密封介質(zhì)變得越來(lái)越少，泄漏率變得很小，接觸表面間的分子作用加強(qiáng)，粘著趨勢(shì)增大，磨損加劇。端面工作壽命基本符合浴盆曲線的規(guī)律。

機(jī)械密封使用壽命是指在允許泄漏率下工作的時(shí)間總量。按API 682第三版規(guī)定，在正確沖洗條件下，石化行業(yè)泵用機(jī)械密封應(yīng)運(yùn)行25 000 h。即使相同的泵，在不同介質(zhì)、不同工況條件下工作，機(jī)械密封允許的泄漏率也不相同，其使用壽命也不相同。生產(chǎn)實(shí)踐中一般認(rèn)為，有2年使用壽命即為滿足要求。

3 機(jī)械密封的失效形式

3.1 腐蝕產(chǎn)生的失效

摩擦副的腐蝕是一個(gè)需要重視的問(wèn)題。機(jī)械密封的摩擦副要在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的工況下滿足強(qiáng)度、剛度、耐磨的性能，特別是要具有非常高的耐蝕性。如果材料表面的耐蝕性能較差，當(dāng)接觸腐蝕性介質(zhì)時(shí)就會(huì)造成表面腐蝕和應(yīng)力腐蝕，進(jìn)而在薄弱區(qū)產(chǎn)生裂紋，然后向縱深發(fā)展產(chǎn)生破裂[2]。密封環(huán)裂紋一般沿徑向延伸，造成密封裝置振動(dòng)、發(fā)熱、發(fā)煙、泄漏量加大，這種失效在化工企業(yè)尤其突出。

3.2 過(guò)熱產(chǎn)生的失效

由于密封結(jié)構(gòu)決定的動(dòng)環(huán)和靜環(huán)端面相互摩擦產(chǎn)生熱量，當(dāng)出現(xiàn)非正常工況時(shí)，動(dòng)靜環(huán)端面之間液膜汽化產(chǎn)生干摩擦而使溫度急劇升高。溫度升高還會(huì)使動(dòng)靜環(huán)變形，輔助密封材料老化。

最近的研究表明，動(dòng)靜環(huán)密封端面的溫度場(chǎng)呈拋物線形分布，最高溫度出現(xiàn)在動(dòng)環(huán)內(nèi)徑處[3]。

3.3 磨損產(chǎn)生的失效

機(jī)械密封的摩擦工況一直具有爭(zhēng)議。機(jī)械密封只能在設(shè)計(jì)點(diǎn)穩(wěn)定工作，當(dāng)工作條件發(fā)生變化時(shí)，會(huì)發(fā)生密封接觸端面劇烈磨損，或者端面液膜加厚，導(dǎo)致泄漏加劇而造成密封失效。

4 有效延長(zhǎng)機(jī)械密封使用壽命的措施

4.1 材料的選擇

工程實(shí)踐表明，端面比載荷對(duì)機(jī)械密封泄漏率有一定的影響，但是影響不大。材料性能，特別是表征特性對(duì)泄漏率有一定的影響。因此機(jī)械密封裝置零件材料合理選擇是保證密封效果、提高使用壽命的重要因素。

一般情況下一對(duì)動(dòng)環(huán)、靜環(huán)應(yīng)該選用不同的材料制造，通常動(dòng)環(huán)選用較硬的材質(zhì)，靜環(huán)選用較軟的材質(zhì)，實(shí)現(xiàn)硬軟配對(duì)，從而避免發(fā)生咬合現(xiàn)象。

4.2 沖洗和冷卻

為了降低摩擦副工作溫度，減緩裝置老化，保證機(jī)械密封穩(wěn)定工作，必須有效地采取措施帶走摩擦熱。常見(jiàn)的方法是沖洗和冷卻。

利用密封液體沖洗密封端面。在輸送的流體介質(zhì)溫度不高、雜質(zhì)含量較少時(shí)，可以在泵的出口處引入高壓流體沖洗密封面。當(dāng)輸送的流體介質(zhì)溫度較高、雜質(zhì)含量較多時(shí)，可以在沖洗回路中加冷卻器和過(guò)濾裝置。若流體本身不適合清洗，可選與之相容的另一種液體清洗[4]。

進(jìn)行冷卻可以在靜環(huán)背面引入冷卻水結(jié)構(gòu)，或?qū)⒗鋮s水直接與摩擦副內(nèi)徑接觸。冷卻的效果受到密封材料、尺寸形狀、散熱條件等多種因素制約。應(yīng)該注意到，冷卻受介質(zhì)工況等條件的影響較大。如輸送可能結(jié)晶的介質(zhì)，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行加熱和保溫；如輸送高溫介質(zhì)，沖洗和冷卻往往要同時(shí)使用。

采用冷卻時(shí)應(yīng)該注意避免水中的鈣鎂離子沉淀并附在機(jī)械密封內(nèi)側(cè)，造成水垢。采用壓縮空氣代替循環(huán)冷卻水作為高溫介質(zhì)機(jī)械密封的強(qiáng)制冷卻介質(zhì)，可解決使用冷卻水時(shí)因水質(zhì)不合格造成機(jī)械密封結(jié)垢的問(wèn)題，可以提高裝置的安全性，減少水資源浪費(fèi)，另外還可以延長(zhǎng)機(jī)械密封的使用壽命，節(jié)約生產(chǎn)成本[5]。

4.3 機(jī)械密封的檢測(cè)與調(diào)整

4.3.1 摩擦副接觸面的檢測(cè)

離心泵工作一段時(shí)間后應(yīng)檢測(cè)機(jī)械密封動(dòng)靜環(huán)貼合面的磨損情況和形位偏差。檢測(cè)可以用萬(wàn)用量角器測(cè)量貼合面對(duì)中心的垂直度偏差，同時(shí)對(duì)每個(gè)接觸面還要檢查劃痕、凹陷、裂紋等現(xiàn)象。

4.3.2 彈簧的檢測(cè)

機(jī)械密封的彈簧受到介質(zhì)腐蝕、應(yīng)力破壞的影響。介質(zhì)腐蝕會(huì)使彈簧的彈性逐漸減小，進(jìn)而增大泄漏量甚至導(dǎo)致密封完全失效。應(yīng)力變化容易引起彈簧斷裂。因此應(yīng)定期檢查彈簧是否斷裂、是否腐蝕嚴(yán)重和彈簧彈性大小的變化。

4.3.3 機(jī)械密封的調(diào)整

軸與密封腔的調(diào)整，主要是垂直度和同軸度的調(diào)整。泵用機(jī)械密封的密封圈與密封腔的垂直度允許值是0.05～0.08 mm。同軸度測(cè)量值大于0.25 mm時(shí)要考慮重新裝配，以保證機(jī)械密封磨損均勻。

軸的徑向竄動(dòng)和軸向跳動(dòng)調(diào)整。軸的徑向跳動(dòng)過(guò)大會(huì)使密封效果降低，增大泄漏量，因此對(duì)機(jī)械密封的徑向跳動(dòng)有一定要求。同時(shí)，機(jī)械密封嚴(yán)格要求軸向跳動(dòng)不超過(guò)0.05 mm，如超標(biāo)應(yīng)檢查軸承或調(diào)整轉(zhuǎn)子的裝配精度。

綜上所述，化工企業(yè)泵用機(jī)械密封只有合理選擇摩擦副材料，正確設(shè)計(jì)沖洗和冷卻方式，科學(xué)合理地進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)整，才能有效地延長(zhǎng)密封使用壽命，延長(zhǎng)檢修周期，降低生產(chǎn)成本。

[1] 李宏范，胡金平，朱健，等.泵用機(jī)械密封失效原因分析與預(yù)防措施 [J] .化工裝備技術(shù)，2012，33（3）：57-59.

[2] 米樂(lè).淺談機(jī)械密封的腐蝕與防護(hù) [J] .科技向?qū)В?011 （24）： 29.

[3] 汪義高，楊昌明，向代忠.基于ANSYS的機(jī)械密封副溫度場(chǎng)模擬 [J] .機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（10）：28-29.

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[5] 謝作汪，劉洋.機(jī)械密封冷卻介質(zhì)設(shè)計(jì)改進(jìn)分析 [J] .機(jī)械研究與應(yīng)用，2011（11）：138-142.