機(jī)械密封失效原因及維護(hù)探討

摘 要：機(jī)械密封是一種由組件構(gòu)成的機(jī)械裝置，不同于常規(guī)墊片或填料的密封。機(jī)械密封常安裝在化工行業(yè)的介質(zhì)輸送泵和攪拌器等設(shè)備上， 其性能遠(yuǎn)好于常規(guī)的填料密封和墊片密封。但由于機(jī)械密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)含量高，如果使用不當(dāng)也會(huì)直接影響設(shè)備性能和系統(tǒng)的穩(wěn)定生產(chǎn)。針對(duì)機(jī)械密封經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題，本文進(jìn)行了認(rèn)真分析，并提出了解決方案。

關(guān)鍵詞：機(jī)械 密封 泄露 結(jié)構(gòu) 壓力 性能

中圖分類號(hào)：TD407 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）05（c）-0000-00

1 機(jī)械密封的工作原理及特點(diǎn)

機(jī)械密封是一種軸用動(dòng)態(tài)密封，其安裝位置在軸上，靠近泵或攪拌器一側(cè)。彈簧和密封介質(zhì)的壓力在它和旋轉(zhuǎn)的動(dòng)環(huán)和靜環(huán)之間的接觸面形成油膜，然后通過(guò)適當(dāng)?shù)膲壕o力達(dá)到兩個(gè)端面緊密貼合的目的來(lái)阻止介質(zhì)泄露。以泵為例，機(jī)械密封一般安裝在軸的端部，與泵構(gòu)成一個(gè)完整的整體，如圖1所示。

圖1.泵的機(jī)械密封

由于機(jī)械密封特殊的結(jié)構(gòu)形式， 使其具有耐高溫，耐磨，壽命長(zhǎng)及適應(yīng)作業(yè)模式廣等特性。與普通的墊片和填料密封相比，機(jī)械密封的泄露率遠(yuǎn)低于普通墊片和填料密封。所以，當(dāng)今世界上許多重要設(shè)備都采用機(jī)械密封。但是機(jī)械密封的安裝精度和制作相對(duì)要求較高，結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，這就提高了成本，另外對(duì)維修工程師來(lái)講要求的技術(shù)也要過(guò)高，過(guò)硬。因此，延長(zhǎng)此密封的使用壽命就是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

2 機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

機(jī)械密封主要由由動(dòng)環(huán)和靜環(huán)組成的密封端面；輔助密封圈；以彈性元件為主要零件的補(bǔ)償機(jī)構(gòu)五部分組成（彈性元件一般有彈簧和橡膠波紋管兩種，參見圖2）；使動(dòng)環(huán)隨軸旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)械密封殼體。下圖2圖示了機(jī)械密封的主要構(gòu)成。

圖2.機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)

1-靜環(huán) 2-動(dòng)環(huán) 3-彈性元件 4-彈簧座 5-固定螺栓 6-動(dòng)環(huán)密封圈 7-防轉(zhuǎn)銷 8-靜環(huán)密封圈 9-殼體

1.動(dòng)環(huán)和靜環(huán)，是構(gòu)成機(jī)械密封的主要元件，動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的質(zhì)量直接影響機(jī)械密封的使用性能。

2.動(dòng)環(huán)和靜環(huán)或者靜環(huán)和壓蓋之間的兩個(gè)密封是機(jī)械密封的輔助密封圈。輔助密封圈的材料大多是合成橡膠或柔性石墨或聚四氟乙烯，輔助密封圈采用什么材料取決于輸送介質(zhì)的化學(xué)特性。如輔助密封圈的材料選擇不當(dāng)，可能會(huì)造成介質(zhì)泄露或降低機(jī)械密封的使用壽命；安裝質(zhì)量也是影響機(jī)械密封壽命的重要因素，當(dāng)密封端面和軸的中心線不垂直時(shí)會(huì)加速機(jī)械密封的失效。

3.補(bǔ)償機(jī)構(gòu)， 主要由彈性元件構(gòu)成，如彈簧或波紋管，采用那種材料作為彈性元件取決于設(shè)計(jì)要求，如工作溫度和介質(zhì)的化學(xué)特性等。補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的作用是保持密封端面在動(dòng)態(tài)下貼合，阻止液體泄露。

4.傳動(dòng)機(jī)構(gòu)， 主要由軸套和固定元件構(gòu)成。軸套可在軸上滑動(dòng)，當(dāng)軸套磨損或銹蝕時(shí)，會(huì)增加軸套的移動(dòng)阻力，影響軸套滑動(dòng)的動(dòng)態(tài)性能。當(dāng)彈簧或波紋管的彈性力不足以克服軸套移動(dòng)阻力時(shí)將產(chǎn)生泄漏。

5. 機(jī)械密封殼體，用以保護(hù)工作元件。

3 機(jī)械密封常見故障及處理

1.雜質(zhì)進(jìn)入密封面導(dǎo)致泄露

當(dāng)雜質(zhì)進(jìn)入機(jī)械密封動(dòng)靜環(huán)之間的密封面時(shí)，會(huì)加速機(jī)械密封面的磨損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致機(jī)械密封失效，造成液體泄露。保持機(jī)械密封良好的工作環(huán)境有助于延長(zhǎng)機(jī)械密封的使用壽命。發(fā)現(xiàn)機(jī)械密封工作異常時(shí)，應(yīng)及時(shí)停止設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)， 查找原因。 如發(fā)現(xiàn)有雜質(zhì)進(jìn)入機(jī)械密封， 應(yīng)及時(shí)清理，并采取措施避免雜質(zhì)再次進(jìn)入。

2.彈性元件工作狀態(tài)失常導(dǎo)致泄露。

根據(jù)機(jī)械密封的工作狀態(tài)，通過(guò)調(diào)整彈性元件來(lái)調(diào)整機(jī)械密封的端面比壓。適宜的端面比壓有助于阻止泄露和延長(zhǎng)機(jī)械密封的使用壽命。機(jī)械密封端面比壓P？可按下式計(jì)算：

P？=P？+（K-λ）P

式中：P？-端面比壓；P？ 一橡膠波紋管或彈簧的彈性力；K-載荷系數(shù)；λ一反壓系數(shù)；P一密封流體壓力。香蕉波紋管或者彈簧的彈性力Ps將動(dòng)環(huán)密封端面直接推動(dòng)緊貼到東環(huán)表上，以此保證動(dòng)環(huán)和靜環(huán)之間的密封。密封端面間流動(dòng)體膜平均壓力相對(duì)于密封流體壓力的比就是反壓系數(shù)λ。端面比壓P？ 與橡膠波紋管或彈簧的彈性力P？、載荷系數(shù)K 成正對(duì)應(yīng)關(guān)系都可以從上式推出。而載荷系數(shù)K值主要指密封流體壓力相對(duì)動(dòng)環(huán)，作用在靜環(huán)上趨于貼合的有效作用面積與密封端面面積之比。

3.機(jī)械密封安裝不當(dāng)導(dǎo)致泄露

動(dòng)環(huán)密封圈不能過(guò)緊，否則有害無(wú)益，其一，會(huì)使密封圈和軸套間的磨損加劇，縮短機(jī)械密封壽命，泄漏提前；其二，動(dòng)環(huán)軸向調(diào)整、移動(dòng)的阻力變大，會(huì)無(wú)法適應(yīng)變化頻繁的工作狀態(tài)去進(jìn)行軸向補(bǔ)償和調(diào)整；其三，過(guò)度疲勞易導(dǎo)致彈簧損壞；其四，會(huì)造成動(dòng)環(huán)密封圈變形，密封效果受影響。

因?yàn)殪o環(huán)密封圈一本是靜止?fàn)顟B(tài)，所以密封效果相對(duì)較緊，但是過(guò)緊仍將產(chǎn)生不良后果。其一，導(dǎo)致靜環(huán)密封變形，密封效果受影響；其二，靜環(huán)多以石墨為材質(zhì)，比較脆，受力過(guò)度會(huì)產(chǎn)生碎裂；其三，過(guò)緊導(dǎo)致的安裝拆卸困難等問(wèn)題易損壞靜環(huán)。所以，一般靜環(huán)的內(nèi)徑都會(huì)較軸頸稍大，以涂上潤(rùn)滑劑后的密封圈雙手能用力壓入的松緊狀態(tài)為準(zhǔn)。手輕松壓入則過(guò)松，雙手用力都?jí)翰贿M(jìn)則過(guò)緊。

4.工況變化導(dǎo)致泄露

如泵進(jìn)口壓力的波動(dòng)可能會(huì)引起泵的出口壓力出現(xiàn)波動(dòng)，使泵體轉(zhuǎn)子的軸向竄動(dòng)量增大。由于靜環(huán)密封面來(lái)不及補(bǔ)償位移，可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)生泄漏。

5.端面溫升過(guò)高導(dǎo)致機(jī)械密封熱損失效

當(dāng)使用溫度超過(guò)橡膠波紋管許用溫度（約120℃）后仍繼續(xù)使用，橡膠會(huì)迅速變硬失彈導(dǎo)致密封失效；靜環(huán)石墨環(huán)超過(guò)約180℃（許用溫度）后表面會(huì)析出樹脂，摩擦面附近樹脂發(fā)生炭化，也會(huì)使密封面失效。

機(jī)械密封在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生端面溫升Δt，端面溫升主要是靜環(huán)、動(dòng)環(huán)密封端面相互滑動(dòng)產(chǎn)生的大量摩擦熱。

式中：-靜環(huán)，動(dòng)環(huán)端面間的摩擦因數(shù)

-端面平均滑動(dòng)速度

G-散熱系數(shù)

根據(jù)公式，端面溫升主要與端面比壓Pc、端面平均滑動(dòng)速度 v有關(guān)系?，F(xiàn)場(chǎng)要控制端面溫升，必須控制端面比壓大小。而控制端面比壓大小，主要是控制彈簧的彈性力或橡膠波紋管的彈性力。當(dāng)然，也取決于載荷系數(shù) 值的大小，也就是通過(guò)靜環(huán)密封端面內(nèi)外徑d？ 、d？ 尺寸的變化來(lái)調(diào)整端面比壓的大小。當(dāng)端面溫升時(shí)應(yīng)采取措施保護(hù)機(jī)械密封。

6.泵抽空。由于操作不當(dāng)，水泵被抽空導(dǎo)致泵體內(nèi)沒(méi)有液體，此時(shí)密封處于干摩擦狀態(tài)，造成石墨環(huán)表面磨損出現(xiàn)深且粗的環(huán)狀溝紋，硬環(huán)出現(xiàn)徑向裂紋或斷裂，輔助密封圈老化、龜裂、變色、粘結(jié)，熱裝式密封環(huán)硬質(zhì)合金松脫。泵啟動(dòng)前，應(yīng)仔細(xì)檢查泵的吸入管，避免抽空。

7.機(jī)械密封本身質(zhì)量問(wèn)題而引發(fā)的泄漏

A.密封面的精度不夠。更換機(jī)械密封時(shí)，要認(rèn)真檢查所更換的新機(jī)械密封，特別是動(dòng)靜環(huán)的密封面的光潔度是否良好。一般來(lái)說(shuō)，動(dòng)環(huán)、靜環(huán)的密封面的平面度應(yīng)在0.5 mm以內(nèi)。

B.靜環(huán)的彈簧是否完好。應(yīng)注意靜環(huán)的彈簧壓縮比是否適當(dāng)，端面寬度是否合理以及摩擦副的配對(duì)情況等。

4 日常檢修中的安裝、維護(hù)

4.1 機(jī)械密封安裝使用的一般原則

（1）弄清設(shè)備的情況。要了解設(shè)備轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速、軸徑；要對(duì)設(shè)備制造精度及密封腔尺寸，設(shè)備本身的使用壽命以及設(shè)備在生產(chǎn)工藝中的地位等方面做全面均衡的考慮。

（2）弄清密封介質(zhì)情況。要了解密封介質(zhì)的狀態(tài)，輸送介質(zhì)是氣態(tài)還是液態(tài)，介質(zhì)是否含顆粒及顆粒狀況；了解介質(zhì)的性質(zhì)、溫度及粘度，以便合理選型及采取必要的冷卻、沖洗、潤(rùn)滑措施。

（3）弄清密封介質(zhì)的壓力。泵的密封腔壓力一般不是泵的出口壓力，而是低于泵的出口壓力。

4.2 機(jī)械密封安裝使用的技術(shù)要求

（1）安裝機(jī)械密封部位的軸或軸套的徑向跳動(dòng)公差應(yīng)符合表1。軸或軸套的表面粗糙度應(yīng)符合技術(shù)要求。

表1.徑向跳動(dòng)公差mm

軸或軸套外徑

徑向跳動(dòng)公差

l0～5O

0.04

大于50～120

0.06

（2）傳動(dòng)軸的軸向竄動(dòng)量不宜超過(guò)0.2mm。

（3）密封腔體端面對(duì)軸表面的跳動(dòng)公差應(yīng)符合表2。

表2.密封腔體端面對(duì)軸表面的跳動(dòng)公差mm

軸或軸套外徑

端面跳動(dòng)公差

l0～5O

0.04

大于50～120

0.06

（4）當(dāng)輸送介質(zhì)溫度偏高、偏低或含有雜質(zhì)顆粒、易燃、易爆、有毒時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)的阻封、沖洗、冷卻、過(guò)濾等措施。

4.3 機(jī)械密封的安裝方法及注意事項(xiàng)

機(jī)械密封部件無(wú)論從制造精度上或安裝精度上要求都很嚴(yán)格。如果安裝不當(dāng)，就會(huì)影響密封的壽命和密封性能，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)使密封迅速失效。

（1）安裝前的準(zhǔn)備工作及安裝注意事項(xiàng)

A.檢查要進(jìn)行安裝的機(jī)械密封的型號(hào)、規(guī)格是否正確無(wú)誤，零件是否缺少。B.檢查機(jī)械密封各元件是否有損壞，特別是動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的密封端面是否碰傷。C.軸或軸套表面及密封腔內(nèi)壁、密封端蓋內(nèi)表面是否有毛刺、溝痕等。D.不要用不干凈的布或棉紗布擦洗動(dòng)環(huán)和靜環(huán)表面，應(yīng)使用干凈柔軟的紗布、脫脂棉之類的東西擦洗。

E.裝配過(guò)程中應(yīng)保持清潔，保證動(dòng)環(huán)、靜環(huán)的密封端面不被劃傷、碰破。

（2） 裝配順序

A.機(jī)械密封靜止部件的組裝B.機(jī)械密封旋轉(zhuǎn)部件組裝。將機(jī)械密封的旋轉(zhuǎn)部件依照先后次序逐個(gè)組裝到軸上。C.端蓋裝在密封體上，并用螺釘均勻擰緊。E.盤動(dòng)試車是否輕松，若盤不動(dòng)或吃力，則應(yīng)檢查裝配尺寸是否正確。

5 結(jié)束語(yǔ)

雖然，機(jī)械密封技術(shù)含量高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但只要做到正確的使用和維護(hù)就能夠大大提高設(shè)備的性能，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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