機械密封的失效分析

泵用機械密封種類繁多，型號各異，但泄漏點主要有五處：（ l ）軸套與軸間的密封；（ 2 ）動環(huán)與軸套間的密封；（ 3 ）動、靜環(huán)間密封；（ 4 ）對靜環(huán)與靜環(huán)座間的密封；（ 5 ）密封端蓋與泵體間的密封。   
一、泄漏原因分析及判斷
1 ．安裝靜試時泄漏。機械密封安裝調(diào)試好后，一般要進行靜試，觀察泄漏量。如泄漏量較小，多為動環(huán)或靜環(huán)密封圈存在問題；泄漏量較大時，則表明動、靜環(huán)摩擦副間存在問題。在初步觀察泄漏量、判斷泄漏部位的基礎(chǔ)上，再手動盤車觀察，若泄漏量無明顯變化則靜、動環(huán)密封圈有問題；如盤車時泄漏量有明顯變化則可斷定是動、靜環(huán)摩擦副存在問題；如泄漏介質(zhì)沿軸向噴射，則動環(huán)密封圈存在問題居多，泄漏介質(zhì)向四周噴射或從水冷卻孔中漏出，則多為靜環(huán)密封圈失效。此外，泄漏通道也可同時存在，但一般有主次區(qū)別，只要觀察細(xì)致，熟悉結(jié)構(gòu)，一定能正確判斷。
2 ．試運轉(zhuǎn)時出現(xiàn)的泄漏。泵用機械密封經(jīng)過靜試后，運轉(zhuǎn)時高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，會抑制介質(zhì)的泄漏。因此，試運轉(zhuǎn)時機械密封泄漏在排除軸間及端蓋密封失效后，基本上都是由于動、靜環(huán)摩擦副受破壞所致。引起摩擦副密封失效的因素主要有：（ l ）操作中，因抽空、氣蝕、憋壓等異常現(xiàn)象，引起較大的軸向力，使動、靜環(huán)接觸面分離；（對安裝機械密封時壓縮量過大，導(dǎo)致摩擦副端面嚴(yán)重磨損、擦傷；（ 3 ）動環(huán)密封圈過緊，彈簧無法調(diào)整動環(huán)的軸向浮動量；（ 4 ）靜環(huán)密封圈過松，當(dāng)動環(huán)軸向浮動時，靜環(huán)脫離靜環(huán)座；（ 5 ）工作介質(zhì)中有顆粒狀物質(zhì)，運轉(zhuǎn)中進人摩擦副，探傷動、靜環(huán)密封端面；（ 6 ）設(shè)計選型有誤，密封端面比壓偏低或密封材質(zhì)冷縮性較大等。上述現(xiàn)象在試運轉(zhuǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)，有時可以通過適當(dāng)調(diào)整靜環(huán)座等予以消除，但多數(shù)需要重新拆裝，更換密封。   
由于兩密封端面失去潤滑膜而造成的失效   
a ）因端面密封載荷的存在，在密封腔缺乏液體時啟動泵而發(fā)生干摩擦；
b ）介質(zhì)的低于飽和蒸汽壓力，使得端面液膜發(fā)生閃蒸，喪失潤滑；
c ）如介質(zhì)為易揮發(fā)性產(chǎn)品，在機械密封冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)結(jié)垢或阻塞時，由于端面摩擦及旋轉(zhuǎn)元件攪拌液體產(chǎn)生熱量而使介質(zhì)的飽和蒸汽壓上升，也造成介質(zhì)壓力低于其飽和蒸汽壓的狀況。   
由于腐蝕而引起的機械密封失效   
a ）密封面點蝕，甚至穿透。
b ）由于碳化鎢環(huán)與不銹鋼座等焊接，使用中不銹鋼座易產(chǎn)生晶間腐蝕；
c ）焊接金屬波紋管、彈簧等在應(yīng)力與介質(zhì)腐蝕的共同作用下易發(fā)生破裂。   
由于高溫效應(yīng)而產(chǎn)生的機械密封失效   
a ）熱裂是高溫油泵，如油渣泵、回?zé)捰捅谩⒊p壓塔底泵等最常見的失效現(xiàn)象。在密封面處由于干摩擦、冷卻水突然中斷，雜式  朊芊餉妗 ⒊ 榭盞惹榭魷攏  薊岬賈祿訪娉魷志斷蛄鹽疲 ?BR> b ）石墨炭化是使用碳 — 石墨環(huán)時密封失效的主要原因之一。由于在使用中，如果石墨環(huán)一旦超過許用溫度（一般在 -105 ～ 250 ℃ ）時，其表面會析出樹脂，摩擦面附近樹脂會發(fā)生炭化，當(dāng)有粘結(jié)劑時，會發(fā)泡軟化，使密封面泄漏增加，密封失效；
c ）輔助密封件（如氟橡膠、乙丙橡膠、全橡膠）在超過許用溫度后，將會迅速老化、龜裂、變硬失彈?，F(xiàn)在所使用的柔性石墨耐高溫、耐腐蝕性較好，但其回彈性差。而且易脆裂，安裝時容易損壞。   
由于密封端面的磨損而造成的密封失效   
a ）摩擦副所用的材料耐磨性差、摩擦系數(shù)大、端面比壓（包括彈簧比壓）過大等 , 都會縮短機械密封的使用壽命。對常用的材料，按耐磨性排列的次序為：碳化硅 — 碳石墨、硬質(zhì)合金 — 碳石墨、陶瓷 — 碳石墨、噴涂陶瓷 —— 碳石墨、氮化硅陶瓷 —— 碳石墨、高速鋼 —— 碳石墨、堆焊硬質(zhì)合金 —— 碳石墨。
b ）對于含有固體顆粒介質(zhì)，密封面進入固體顆粒是導(dǎo)致使密封失效的主要原因。固體顆粒進入摩擦副端面起研磨劑作用，使密封發(fā)生劇烈磨損而失效。密封面合理的間隙，以及機械密封的平衡程度，還有密封端面液膜的閃蒸等都是造成端面打開而使固體顆粒進入的主要原因。
c ）機械密封的平衡程度 β 也影響著密封的磨損。一般情況下，平衡程度 β=75% 左右最適宜。 β<75% ，磨損量雖然降低，但泄漏增加，密封面打開的可能性增大。對于高負(fù)荷（高 PV 值）的機械密封，由于端面摩擦熱較大， β 一般取 65% ～ 70% 為宜，對低沸點的烴類介質(zhì)等，由于溫度對介質(zhì)氣化較敏感，為減少摩擦熱的影響， β 取 80% ～ 85% 為好。   
因安裝、運轉(zhuǎn)或設(shè)備本身所產(chǎn)生的誤差而造成機械密封泄漏   
a ）由于安裝不良，造成機械密封泄漏。主要表現(xiàn)在以下幾方面：
1 ）動、靜環(huán)接觸表面不平，安裝時碰傷、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；
4 ）動、靜環(huán) V 型密封圈方向裝反，或安裝時反邊；
5 ）軸套處泄漏，密封圈未裝或壓緊力不夠；
6 ）彈簧力不均勻，單彈簧不垂直，多彈簧長短不一；
7 ）密封腔端面與軸垂直度不夠；
8 ）軸套上密封圈活動處有腐蝕點。
b ）設(shè)備在運轉(zhuǎn)中，機械密封發(fā)生泄漏的原因主要有：
1 ）泵葉輪軸向竄動量超過標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)軸發(fā)生周期性振動及工藝操作不穩(wěn)定，密封腔內(nèi)壓力經(jīng)常變化等均會導(dǎo)致密封周期性泄漏；
2 ）摩擦副損傷或變形而不能跑合引起泄漏；
3 ）密封圈材料選擇不當(dāng)，溶脹失彈；
4 ）大彈簧轉(zhuǎn)向不對；
5 ）設(shè)備運轉(zhuǎn)時振動太大；
6 ）動、靜環(huán)與軸套間形成水垢使彈簧失彈而不能補償密封面的磨損；
7 ）密封環(huán)發(fā)生龜裂等。
c ）泵在停一段時間后再啟動時發(fā)生泄漏，這主要是因為摩擦副附近介質(zhì)的凝固、結(jié)晶，摩擦副上有水垢、彈簧腐蝕、阻塞而失彈。
d ）泵軸擾度太大。
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幾點建議
高溫重質(zhì)油泵用機械密封的選用
對石化行業(yè)來說，高溫重質(zhì)油泵用機械密封的選用一直是一大難題，例如催化裂化油漿泵、回?zé)捰捅?、常壓塔底泵、初餾塔底泵、減壓塔底泵、延遲焦化的輻射進料泵等。   
高溫重質(zhì)油泵的介質(zhì)具有以下共同的特點：
溫度高：一般在 340 ～ 400 ℃ ；
介質(zhì)粘度大：在溫度下一般運動粘度為（ 12 ～ 180 ） ×10-6m/s ；
介質(zhì)有顆粒：如催化劑、焦炭、含有砂粒等其他雜質(zhì)。
對于高溫重油介質(zhì)泵用機械密封?，F(xiàn)在各個企業(yè)都采用焊接金屬波紋管機械密封?，F(xiàn)在使用情況較好的有 DBM 型、 XL-604/606/609 型、 YH-604/606/609 型等。波紋管材料采用 AM350 、 INCONEL718 、哈氏 B 、 C 等不銹鋼；耐腐蝕高溫合金等，有的波片采用雙層結(jié)構(gòu)，使其承壓力從 2MPa 上升到 5MPa ，這些都有效解決了波紋管的失彈問題。
針對波紋管內(nèi)側(cè)結(jié)焦和結(jié)炭以及含固體顆粒等情況，解決的辦法有關(guān)資料已做了相關(guān)說明，比如采用蒸汽吹掃、摩擦副采用 “ 硬對硬 ” 、采用外沖洗等等，這些在一定程度上起到了較好的作用，這里不再過多闡述。但是以前提出的各種方法再實際應(yīng)用中由于種種因素的影響效果不夠理想。為了更好的提高機械密封的使用壽命，節(jié)資降耗，針對各種情況，建議應(yīng)把以下措施綜合起來采用：
a ）將金屬波紋管設(shè)計成旋轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)的波紋管機械密封有自清洗的離心作用，這可以減少波紋管外圍沉積和內(nèi)側(cè)結(jié)焦。
b ）對摩擦副組對材料，建議使用 “ 硬對硬 ” 結(jié)構(gòu)，一般采用碳化鎢對碳化鎢（其中選 YG6-YG6 ）和碳化鎢對碳化硅。選用 “ 硬對硬 ” 結(jié)構(gòu)，必須注意以下幾個問題：
1 ）冷卻系統(tǒng)要保障，禁止冷卻水中斷，以防端面升高，潤滑膜閃蒸而降低密封端面的潤滑，加劇磨損；
2 ）機械密封在安裝過程中，要給密封端面澆一些潤滑油（機油或黃油均可）。以防止起泵時。密封端面由于缺乏潤滑而造成的干摩擦；
3 ）采用清潔的外沖洗是解決溶劑顆粒堆積的比較有效的方法之一，但這種方法浪費較大，而且各種泵的介質(zhì)、溫度、壓力（一般要求沖洗液壓力比介質(zhì)側(cè)壓力高 0.07 ～ 0.12MPa ）又各不相同，外沖洗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就更繁雜，加之外沖洗設(shè)施的投入以及維護費用的消耗，有時會造成弊大于利，尤其是一些中小型企業(yè)。因此許多企業(yè)的封油系統(tǒng)棄之不用，或者就沒有設(shè)這套系統(tǒng)，針對這些情況，建議使用配用隔離介質(zhì)的多密封結(jié)構(gòu)，如油漿泵、回?zé)捰捅玫?，使用雙端面機械密封，在兩組密封端面之間充滿隔離介質(zhì)（干凈的機油等）。
這種結(jié)構(gòu)可有效地延長機械密封的使用壽命，一般可達(dá) 6000 ～ 8000h 以上。另外，采用這種考慮以下兩點：
① 靠近葉輪的一組密封端面材料選用 “ 硬對硬 ” 結(jié)構(gòu)（如 YG6-YG6 ）；而靠近機械密封壓蓋的一組密封端面既可選用浸銅或銻的碳 —— 石墨對碳化鎢或碳化硅；
② 對高溫油泵選用的隔離介質(zhì)，要具有熱分解溫度、自燃點、閃點高（一般在 260 ℃ 以上）、熱氧化穩(wěn)定性好、高溫蒸發(fā)損失小的特點。
液態(tài)烴泵用機械密封的選用
液態(tài)烴介質(zhì)是一種低溫液化氣體，具有低沸點、低粘度、高蒸汽壓等特性。在這種工況下應(yīng)用的機械密封，會使密封材料出現(xiàn)冷脆性，大氣中的水汽會在密封裝置的大氣側(cè)面上凍結(jié)，摩擦副端面液膜容易汽化等。尤其是當(dāng)介質(zhì)稍有泄漏，漏出的液態(tài)烴在大氣側(cè)立即汽化，帶走大量熱，機械密封環(huán)境溫度急劇下降，使用一般的密封材料，如橡膠或聚四氟乙烯普遍變脆，導(dǎo)致密封失效，泄漏增大而不可收拾。有些企業(yè)采用雙端面機械密封，在介質(zhì)和大氣端設(shè)一隔離室，其間通以封油以緩和低溫的影響。但這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜且需配封液系統(tǒng)。據(jù)經(jīng)驗，使用波紋管機械密封比較好，主要表現(xiàn)在用金屬波紋管和柔性石墨代替輔助密封圈，解決了密封圈材料發(fā)生冷脆而失彈及緩沖作用的問題，如 DBM 型、 YH-604/606/609 型等。
a ）金屬波紋管材料選用耐低溫、塑性及韌性好的哈 -C ， AM350 ， Carpenter20 等；
b ）摩擦副材料在兩種特殊情況下選用：
1 ）對連續(xù)運轉(zhuǎn)的設(shè)備，介質(zhì)內(nèi)若含較多的固體顆粒，此時選用 “ 硬對硬 ” 結(jié)構(gòu)（在實際中選了 YG6—YG6 ）較好，一般連續(xù)運轉(zhuǎn)壽命 8000h 以上；
2 ）對間歇性的運轉(zhuǎn)設(shè)備，摩擦副選用碳化鎢或碳化硅對特種石墨。
c ）由于在低溫條件下，摩擦副端面的汽化對機械密封性能影響很大，除選取較合適的材料外，合理選用端面比壓（主要是波紋管的壓縮量，一般比通常使用中所給的壓縮量大 15% ～ 30% 為宜），在機械密封元件靠近大氣側(cè)通入 25 ℃ 左右的冷卻水，以改善摩擦副潤滑環(huán)境。