泵用機(jī)械密封失效原因分析與檢修

周曉寧 中電投電力工程有限公司 上海 （200233）

泵用機(jī)械密封失效原因分析與檢修

周曉寧 中電投電力工程有限公司 上海 （200233）

對泵用機(jī)械密封失效的原因進(jìn)行了全面的分析，提出了對機(jī)械的檢修和維護(hù)措施。

機(jī)械密封；失效；泄漏；組裝

1 引言

泵是工業(yè)領(lǐng)域最常用的機(jī)械設(shè)備之一，同樣也是重要的核心設(shè)備。泵用機(jī)械密封種類繁多，型號各異，但泄漏點(diǎn)主要有五處：軸套與軸間的密封、動環(huán)與軸套間的密封、動、靜環(huán)間密封、對靜環(huán)與靜環(huán)座間的密封、密封端蓋與泵體間的密封[1]。

2 泵用機(jī)械密封失效原因分析

2.1 安裝靜試時(shí)泄漏

機(jī)械密封安裝調(diào)試好后，一般要進(jìn)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(shí)，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(shí)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(shí)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。

2.2 試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)的泄漏。

泵用機(jī)械密封經(jīng)過靜試后，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)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：

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(jī)械密封時(shí)壓縮量過大，導(dǎo)致摩擦副端面嚴(yán)重磨損、擦傷；

動環(huán)密封圈過緊，彈簧無法調(diào)整動環(huán)的軸向浮動量；

靜環(huán)密封圈過松，當(dāng)動環(huán)軸向浮動時(shí)，靜環(huán)脫離靜環(huán)座；

工作介質(zhì)中有顆粒狀物質(zhì)，運(yùn)轉(zhuǎn)中進(jìn)入摩擦副，擦傷動、靜環(huán)密封端面；

設(shè)計(jì)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(yùn)轉(zhuǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)，有時(shí)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。

2.3 由于兩密封端面失去潤滑膜而造成的失效

因端面密封載荷的存在，在密封腔缺乏液體時(shí)啟動泵而發(fā)生干摩擦；

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；

如介質(zhì)為易揮發(fā)性產(chǎn)品，在機(jī)械密封冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)結(jié)垢或阻塞時(shí)，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。

2.4 由于腐蝕而引起的機(jī)械密封失效

密封面點(diǎn)蝕，甚至穿透；

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；

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。

2.5 由于高溫效應(yīng)而產(chǎn)生的機(jī)械密封失效

熱裂是高溫油泵，如油渣泵、回?zé)捰捅?、常減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，雜質(zhì)進(jìn)入密封面、抽空等情況下，都會導(dǎo)致環(huán)面出現(xiàn)徑向裂紋；

石墨炭化是使用碳-石墨環(huán)時(shí)密封失效的主要原因之一。由于在使用中，如果石墨環(huán)一旦超過使用溫度（一般在-105～250℃）時(shí)，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(shí)，會發(fā)泡軟化，使密封面泄漏增加，密封失效；

輔助密封件（如氟橡膠、乙丙橡膠、全橡膠）在超過使用溫度后，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(shí)容易損壞[2]。

2.6 由于密封端面的磨損而造成的密封失效

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(jī)械密封的使用壽命。對常用的材料，按耐磨性排列的次序?yàn)椋禾蓟?-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。

對于含有固體顆粒介質(zhì)，密封面進(jìn)入固體顆粒是導(dǎo)致使密封失效的主要原因。固體顆粒進(jìn)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(jī)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(jìn)入的主要原因。

機(jī)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(jī)械密封，由于端面摩擦熱較大，β一般取65%～70%為宜，對低沸點(diǎn)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。

2.7 因安裝、運(yùn)轉(zhuǎn)或設(shè)備本身所產(chǎn)生的誤差而造成機(jī)械密封泄漏

由于安裝不良，造成機(jī)械密封泄漏。主要表現(xiàn)在以下幾方面：

動、靜環(huán)接觸表面不平，安裝時(shí)碰傷、損壞；

動、靜環(huán)密封圈尺寸有誤、損壞或未被壓緊；

動、靜環(huán)表面有異物；

動、靜環(huán)V型密封圈方向裝反，或安裝時(shí)反邊；

軸套處泄漏，密封圈未裝或壓緊力不夠；

彈簧力不均勻，單彈簧不垂直，多彈簧長短不一；

密封腔端面與軸垂直度不夠；

軸套上密封圈活動處有腐蝕點(diǎn)。

設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)中，機(jī)械密封發(fā)生泄漏的原因主要有：

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；

摩擦副損傷或變形而不能跑合引起泄漏；

密封圈材料選擇不當(dāng)，溶脹失彈；

大彈簧轉(zhuǎn)向不對；

設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)振動太大；

動、靜環(huán)與軸套間形成水垢使彈簧失彈而不能補(bǔ)償密封面的磨損；

密封環(huán)發(fā)生龜裂等。

泵在停一段時(shí)間后再啟動時(shí)發(fā)生泄漏，這主要是因?yàn)槟Σ粮备浇橘|(zhì)的凝固、結(jié)晶，摩擦副上有水垢、彈簧腐蝕、阻塞而失彈。

泵軸擾度太大。

3 泵用機(jī)械密封的檢修和維護(hù)

要掌握機(jī)械密封檢修與維護(hù)，首先要知道機(jī)械密封的工作原理。機(jī)械密封是由兩塊密封元件（靜環(huán)與動環(huán)）垂直于軸的、光潔而平直的表面相互貼合，并作相對轉(zhuǎn)動而構(gòu)成的密封裝置。它是靠密封介質(zhì)的壓力在旋轉(zhuǎn)的動環(huán)和靜環(huán)的接觸表面（端面）上產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膲壕o力，使這兩個端面緊密結(jié)合，端面間維持一層極薄的液體膜而達(dá)到密封目的的。這層液體膜具有液體動壓力與靜壓力，起著潤滑和平衡力的作用。泵機(jī)械密封的檢修工藝主要有以下幾個方面，如圖1。

3.1 機(jī)械密封的清掃與檢查

機(jī)械密封的工作原理要求機(jī)械密封內(nèi)部無任何雜質(zhì)。在組裝機(jī)械密封前要徹底清掃動環(huán)、靜環(huán)、軸套等部件。重點(diǎn)檢查：

1）動靜環(huán)（5、6）表面是否存在劃痕、裂紋等缺陷，這些缺陷存在會造成機(jī)械密封嚴(yán)重漏泄。有條件的可以用專用工具檢查密封面是否平整，密封面不平整，壓力水會進(jìn)入組裝后機(jī)械密封的動靜環(huán)密封面，將動靜環(huán)分開，機(jī)械密封失效。必要時(shí)可以制作工裝在組裝前水壓試驗(yàn)[3,4]。

2）檢查動靜環(huán)座（2）是否存在影響密封的缺陷。如動靜環(huán)座與動靜環(huán)密封膠圈配合表面是否存在傷痕等缺陷，我廠3＃機(jī)組汽動給水泵曾經(jīng)由于靜環(huán)座存在類似的缺陷而產(chǎn)生漏泄。

3）檢查機(jī)械密封補(bǔ)償彈簧（7）是否損壞及變形，倔強(qiáng)系數(shù)是否變化。

4）檢查密封軸套（8）是否存在毛刺、溝痕等缺陷。

5）清掃檢查所有密封膠圈是否存在裂紋、氣孔等缺陷，測量膠圈直徑是否在工差范圍內(nèi)。

具有泵送機(jī)構(gòu)的機(jī)械密封還要檢查螺旋泵的螺旋線是否存在裂紋、斷線等缺陷[5,6]。

3.2 機(jī)械密封組裝技術(shù)尺寸校核

機(jī)械密封檢修工藝較為復(fù)雜，要保證組裝后的機(jī)械密封無漏泄，機(jī)械密封技術(shù)尺寸的校核必不可少。

1）測量動環(huán)、靜環(huán)（5、6）密封面的尺寸。這項(xiàng)數(shù)據(jù)是用來驗(yàn)證動靜環(huán)的徑向?qū)挾?，?dāng)選用不同的摩擦材料時(shí)，硬材料摩擦面徑向?qū)挾葢?yīng)比軟的大1－3mm，否則易造成硬材料端面的棱角嵌入軟材料的端面上去。

2）檢查動環(huán)、靜環(huán)（5、6）與軸或軸套（8）的間隙，靜環(huán)的內(nèi)徑一般比軸徑大1－2mm，對于動環(huán)，為保證浮動性，內(nèi)徑比軸徑大0.5－1mm，用以補(bǔ)償軸的振動與偏斜，但間隙不能太大，否則會使動環(huán)密封圈卡入而造成機(jī)械密封機(jī)能的破壞。

3）機(jī)械密封緊力的校核。我們通常講的機(jī)械密封緊力也就是端面比壓，端面比壓要合適，過大，將使機(jī)械密封摩擦面發(fā)熱，加速端面磨損，增加摩擦功率；過小，容易漏泄。端面比壓是在機(jī)械密封設(shè)計(jì)時(shí)確定的，我們在組裝時(shí)只能靠測量機(jī)械密封緊力來確定。通常情況的測量方法使測量安裝好的靜環(huán)端面至壓蓋（2）端面的垂直距離，在測量動環(huán)端面至壓蓋端面的垂直距離，兩者的差極為機(jī)械密封的緊力。

4）測量補(bǔ)償彈簧（7）的長度是否發(fā)生變化。彈簧性能的發(fā)生變化將會直接影響機(jī)械密封端面比壓。一般情況下彈簧在長時(shí)間運(yùn)行后長度會縮短，補(bǔ)償彈簧在動環(huán)上的機(jī)械密封還會因?yàn)殡x心力的原因而變形。機(jī)組給水泵前置泵機(jī)械密封檢修過程中曾發(fā)現(xiàn)補(bǔ)償彈簧變短造成機(jī)械密封機(jī)能下降的情況。

5）測量靜環(huán)防轉(zhuǎn)銷子的長度及銷孔深度，防止銷子過長靜環(huán)不能組裝到位。這種情況出現(xiàn)會損壞機(jī)械密封[7]。

3.3 機(jī)械密封的組裝

經(jīng)過清掃檢查、技術(shù)尺寸校核后的機(jī)械密封即可回裝，在這個過程中要注意以下幾點(diǎn)：

1）組裝時(shí)所有密封圈應(yīng)該涂以肥皂水等潤滑劑，這樣可以避免組裝過程中損壞膠圈。動靜環(huán)的密封面之間涂以潤滑脂，防止動靜環(huán)密封面在水泵開車前磨損。

2）浮動環(huán)組裝時(shí)，一定要小心不要碰倒浮動環(huán)彈簧，以免彈簧碰倒后影響浮動環(huán)的浮動性能。

3）浮動環(huán)組裝后，可以輕輕按浮動環(huán)，以確定是否就有良好的浮動性能。

4）安裝密封時(shí)應(yīng)輕拿輕放，防止損壞密封件，安裝時(shí)應(yīng)將密封及腔體擦洗干凈。

5）緊固機(jī)械密封壓蓋時(shí)緊固螺栓應(yīng)均勻受力，防止受力不均損壞機(jī)械密封。對于快裝式機(jī)械密封在整體組裝完畢后一定不要忘記將定位片徑向移動道遠(yuǎn)離軸的位置固定[8,9]。

泵的機(jī)械密封按照以上三個步驟進(jìn)行組裝，可以實(shí)現(xiàn)組裝后的機(jī)械密封無漏泄及其它問題的出現(xiàn)。但機(jī)械密封檢修過程中也要做到具體問題具體分析，因?yàn)闄C(jī)械密封所密封的介質(zhì)是不同的，涼水和熱水的溫度不同，密封的介質(zhì)是否具有腐蝕性，腔室內(nèi)壓力的不同，機(jī)械密封的設(shè)計(jì)就會不同，檢修工藝也會有所差別，這就需要我們在檢修工作中靈活應(yīng)變，只有這樣才能保證檢修質(zhì)量。

4 結(jié)語

泵用機(jī)械密封失效原因具有多樣性、復(fù)雜性，只有不斷在實(shí)踐當(dāng)中發(fā)現(xiàn)問題，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，才能找到機(jī)械密封失效的原因，從而采取有效地解決措施檢修維護(hù)，保障泵的安全、有效地運(yùn)行。

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周曉寧（1983-）碩士研究生，控制理論與控制工程專業(yè)，助理工程師。中電投電力工程有限公司海陽核電項(xiàng)目部。

2011-8-5