某型艉軸密封裝置故障分析及處理對象

顏少平

·（海軍駐武漢四六一廠軍事代表室，湖北 武漢430084）

某型艉軸密封裝置故障分析及處理對象

顏少平

·（海軍駐武漢四六一廠軍事代表室，湖北 武漢430084）

結(jié)合某型艉軸密封裝置結(jié)構(gòu)和工作原理，對其故障現(xiàn)象和失效機理進行了分析，提出了有針對性的處理對策和改進建議。

艉軸密封裝置；故障；分析；對策

0 引言

艉軸密封裝置[1]是阻止海水通過耐壓殼體與艉軸之間的環(huán)形間隙進入艙內(nèi)的重要密封設備。該設備在下水后必須保證在設計工況下具有可靠的密封性。本文結(jié)合某型艉軸密封裝置出現(xiàn)的故障現(xiàn)象，對其失效機理進行了分析，并提出了相應的處理對策。

1 該型艉軸密封裝置的結(jié)構(gòu)、工作原理及功用簡介

該型艉軸密封裝置的結(jié)構(gòu)見圖1，主要由機械密封、皮碗密封、修理密封及填料密封組成。皮碗密封、機械密封、修理密封及填料密封按從艉部到艏部的順序串聯(lián)安裝在一起，其中機械密封是正常工況下使用的密封，修理密封是在碼頭修理時使用的密封，填料密封是非正常狀態(tài)下使用的應急密封。

機械密封[2]主要由易被海水腐蝕的轉(zhuǎn)動座或叫動環(huán)、磨損較快的浸漬樹脂的碳精環(huán)或叫靜環(huán)、固定夾圈、密封夾圈、彈簧、矩形橡皮環(huán)及其它輔助密封零件組成。工作原理是：艉軸通過固定夾圈、密封夾圈帶動轉(zhuǎn)動座（動環(huán)）一起轉(zhuǎn)動，靜環(huán)通過螺母與端蓋聯(lián)成一體，端蓋、殼體與船體通過螺栓聯(lián)成一體，動環(huán)與靜環(huán)的磨擦端面在彈簧力和水壓作用下構(gòu)成一對密封端面。功用是阻止大量舷外或舷內(nèi)冷卻機械密封的海水進入艙內(nèi)，保證有效密封，能進行檢修填料密封的工作。

圖1 某型艉軸密封裝置的結(jié)構(gòu)圖

皮碗密封裝置主要由止推環(huán)、皮碗、壓緊環(huán)、螺栓和橡膠墊片等零件組成。工作原理是：在設計工況下且艉軸不轉(zhuǎn)動的狀態(tài)下，靠舷外海水給皮碗一個壓力，使皮碗的唇邊緊壓在艉軸上而起到密封作用；在設計的工況下且艉軸轉(zhuǎn)動時，舷內(nèi)機械密封裝置的冷卻海水可沖開皮碗的唇邊流向舷外。功用是在其功能正常且艉軸不轉(zhuǎn)動時，設計海水壓力范圍內(nèi)保證有效靜態(tài)密封舷外海水進入皮碗密封與機械密封之間的型腔，同時還具有阻擋舷外泥砂和異物進入皮碗密封與機械密封之間的型腔功能，能檢修所有機械密封零部件和填料密封。

修理密封裝置主要由調(diào)節(jié)螺母、橡膠件、彈簧及密封夾圈等零件。工作原理是：拆卸端蓋時，密封夾圈在彈簧力的作用下跟隨著向艏部移動，致使密封夾圈上的橡膠件與調(diào)節(jié)螺母的對應斜面貼緊，阻止舷外海水進入艙內(nèi)。功用是在其功能正常時，設計海水壓力范圍內(nèi)阻止大量海水進入艙內(nèi)。此時可檢修矩形橡皮環(huán)、動環(huán)、靜環(huán)和殼體蓋組件。

填料密封主要由油浸大麻盤根、小齒輪、螺柱、大齒輪、壓緊襯套及擋板組成，也叫應急密封。工作原理是：小齒輪按順時針方向(從首向尾看)轉(zhuǎn)動時，齒輪傳動機構(gòu)工作，帶動填料壓蓋從首向尾移動，其壓入端伸入殼體蓋的填料腔內(nèi)壓緊填料，使填料與腔體之間脹緊，實現(xiàn)設計工況下的密封。不需要填料密封工作時將小齒輪按逆時針方向旋轉(zhuǎn)則適當放松填料。功用是在上述所有密封失效且不便修理時，壓緊填料可實現(xiàn)靜態(tài)密封或短時間內(nèi)以低速運轉(zhuǎn)保持動態(tài)密封。

2 該裝置的常見故障現(xiàn)象及失效機理分析

該型艉軸密封裝置內(nèi)腔從該船下水后一直處于海水中，同時由于軸的旋轉(zhuǎn)、沖擊振動和軸向串動，工作環(huán)境極為惡劣，容易出現(xiàn)故障。從該型艉軸密封裝置使用情況來看，主要故障現(xiàn)象可以歸納為以下幾種情況：1）機械密封漏水量超標，但未出現(xiàn)噴射狀漏水；2）機械密封漏水量嚴重超標，出現(xiàn)噴射狀漏水；3）修理密封不能有效的起到密封作用；4）在水面靜態(tài)時，皮碗密封裝置不能起到密封作用；5）填料密封效果不好或出現(xiàn)嚴重發(fā)熱現(xiàn)象；6）上述幾種故障的組合。

造成上述故障現(xiàn)象的主要原因除了與裝置的結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還與其工作環(huán)境、艇體狀態(tài)和維護保養(yǎng)等多種因素有關(guān)，具體失效機理分析如下。

出現(xiàn)第一種故障的主要原因是艉軸密封裝置動環(huán)受到腐蝕后密封面受損，造成動環(huán)和靜環(huán)的磨擦面之間密封不良，導致過多海水從磨擦面滲進艙室；另外，由于工作環(huán)境的變化，比如下潛深度的增加，艇體變形或軸線變化，導致靜環(huán)摩擦面與艉軸軸線垂直度發(fā)生變化，出現(xiàn)接觸面的偏斜或間隙而導致泄露超標。

出現(xiàn)第二種故障的主要原因是碳精環(huán)（靜環(huán)）嚴重磨損或破損、動環(huán)出現(xiàn)嚴重腐蝕或者密封夾圈不能正常的軸向靈活補償。由于密封夾圈與固定夾圈的配合段較長，長期使用后無機鹽、泥砂等雜質(zhì)的沉積，導致密封夾圈不能正常的軸向靈活補償，造成機械密封副的軸向補償功能喪失，繼而出現(xiàn)機械密封的漏水量超標，隨著工作壓力的增加，可能出現(xiàn)噴射漏水的后果。

出現(xiàn)第三種故障的主要原因有密封夾圈不能正常的軸向靈活補償、橡膠密封件老化、破損及密封腔內(nèi)有較多的雜質(zhì)等。當密封夾圈不能正常的軸向靈活補償且海水壓力較大時也會出現(xiàn)上述第二種現(xiàn)象故障。由于橡膠密封件隨著使用時間變長，邵氏硬度會變高，導致老化，橡膠件過度老化后僅靠彈簧力不足以壓緊密封。由于碳精環(huán)（靜環(huán)）更換不及時，會使密封夾圈上的橡膠密封件與調(diào)節(jié)螺母發(fā)生磨擦破損，導致修理密封失效。由于橡膠密封件或調(diào)節(jié)螺母錐面上附著較多的雜質(zhì)，兩者貼合不嚴，導致修理密封失效。

出現(xiàn)第四種故障的主要原因是進入艉軸密封裝置中的冷卻水中含有的泥砂和雜質(zhì)大量粘附在皮碗及艉軸表面，皮碗唇邊變形或破損，導致皮碗密封失效。由于保養(yǎng)不及時和多次長時間不開啟冷卻水會導致冷卻水中含有的泥砂和雜質(zhì)在皮碗及艉軸表面累積沉淀，累積沉淀的厚度不一致會使皮碗密封與艉軸貼合不良和皮碗唇邊變形，導致皮碗密封失效。由于使用不當，不開啟冷卻水或冷卻水系統(tǒng)故障情況下艉軸轉(zhuǎn)動，會使皮碗唇邊加重磨損或破損，導致皮碗密封失效。

出現(xiàn)第五種故障中密封效果不好的主要原因是填料變質(zhì)和填料未被壓緊，其中嚴重發(fā)熱現(xiàn)象的主要原因是填料被壓的過緊或艉軸轉(zhuǎn)速過高。由于填料長期在腐蝕性環(huán)境中工作，會使填料出現(xiàn)腐爛變質(zhì)，導致壓緊填料后密封效果不好。由于填料被壓的過緊或艉軸轉(zhuǎn)速過高，艉軸與填料之間的磨擦發(fā)熱無法及時散熱，導致溫度升高即嚴重發(fā)熱的現(xiàn)象。

3 處理對策

出現(xiàn)第一種故障的對策：在航行或不具備檢修條件時，應對艉軸密封裝置的漏水狀態(tài)進行密切觀察，必要時降低密封壓力或按規(guī)定使填料密封投入工作。在碼頭（皮碗密封和修理密封未失效時）或干塢狀態(tài)，檢查動環(huán)密封面腐蝕情況，若發(fā)現(xiàn)動環(huán)密封面腐蝕則需更換動環(huán)或磨削動環(huán)整個密封面削除腐蝕坑。

出現(xiàn)第二種故障的對策：航行時按規(guī)定使填料密封投入工作，同時減小艉軸密封裝置的工作壓力，密切關(guān)注后續(xù)漏水情況和填料發(fā)熱情況，控制冷卻泄漏水溫50℃±5℃。溫度超過55℃時，適當放松填料，增加冷卻泄漏水量。反之，溫度低于45℃時，則適當壓緊填料，減少泄漏水量。返航后或具備修理條件時，應立即對艉軸密封裝置進行拆卸，檢查碳靜環(huán)（靜環(huán)）是否嚴重磨損或破損、動環(huán)是否出現(xiàn)嚴重腐蝕等現(xiàn)象和密封夾圈能不能正常的軸向移動補償。若檢查發(fā)現(xiàn)碳靜環(huán)（靜環(huán)）嚴重磨損或破損，則需更換碳靜環(huán)并研磨碳精環(huán)平面，保證安裝后碳精環(huán)的平面度達到圖樣技術(shù)要求；若檢查發(fā)現(xiàn)動環(huán)出現(xiàn)嚴重點蝕，則需更換動環(huán)；若發(fā)現(xiàn)密封夾圈不能正常的軸向移動補償，則需清除密封夾圈與固定夾圈之間的無機鹽、泥砂等雜質(zhì)和沉積物，保證密封夾圈能軸向靈活移動補償；若檢查發(fā)現(xiàn)其他零部件損壞應及時更換。

出現(xiàn)第三種故障的對策：由于該故障一般是在修理時才能確認，故該故障的修理條件為干塢狀態(tài)或皮碗密封未失效時，檢查密封夾圈能不能正常的軸向移動補償、橡膠密封件是否存在老化、破損及密封腔內(nèi)是否有較多的雜質(zhì)。若檢查發(fā)現(xiàn)密封夾圈不能正常的軸向移動補償，則需清除密封夾圈與固定夾圈之間的無機鹽、泥砂等雜質(zhì)和沉積物，保證密封夾圈能正常的軸向移動補償；若橡膠密封件老化、破損則更換橡膠密封件；若密封腔內(nèi)有較多的雜質(zhì)則清除雜質(zhì)；若發(fā)現(xiàn)彈簧彈性不足或銹蝕，應成組更換所有彈性元器件。

出現(xiàn)第四種故障的對策：由于該故障一般是在修理時才能確認，航行中正常采取的是機械密封，結(jié)合該密封部位是在艉軸密封裝置的最艉端，故該故障的修理條件為干塢狀態(tài)。在干塢狀態(tài)下，檢查皮碗及艉軸表面是否粘附大量泥砂、油污等雜質(zhì)；皮碗唇邊是否變形、老化或破損。若發(fā)現(xiàn)皮碗及艉軸表面粘附大量泥砂、油污等雜質(zhì)則需清除雜質(zhì)；若皮碗唇邊變形、老化或破損則需更換皮碗。

出現(xiàn)第五種故障時的對策：檢查填料密封的密封效果好壞的條件為機械密封失效。若是機械密封失效且在航行狀態(tài)時發(fā)現(xiàn)填料密封效果不好，則需將填料適當壓緊；若是填料適當壓緊后仍密封效果不好，則需將填料密封的壓力減??；若填料密封的壓力減小后仍密封效果不好，則可判斷填料已變質(zhì)，需將艉軸停止轉(zhuǎn)動，停止向艉軸密封裝置供應冷卻水，使皮碗密封投入工作，若皮碗密封效果良好，則緊急在水面狀態(tài)更換填料，若皮碗密封效果不好，則需采用艉艙加中壓氣或其它應急措施；若是航行狀態(tài)時發(fā)現(xiàn)填料出現(xiàn)嚴重發(fā)熱現(xiàn)象，則需將填料適當放松。上述措施主要為應急措施，待具備檢修條件時，應對艉軸密封裝置進行徹底檢查修理。

4 改進建議

針對上述故障現(xiàn)象及其特點分析，認為可在如下幾方面進行結(jié)構(gòu)改進，以改善該裝置的綜合工作性能：1）密封副材料尤其動環(huán)零件的耐海水腐蝕性能要高，至少要保證其在10000h內(nèi)不出現(xiàn)腐蝕，建議將動環(huán)材料由2Cr13改為硬質(zhì)合金[3]或碳化硅，硬質(zhì)合金或碳化硅耐腐蝕能力均比2Cr13強，且也適合用于機械密封副；2）靜環(huán)材料要具有較高的耐磨性能，與配對動環(huán)匹配后靜環(huán)的耐磨性（壽命）應不低于5000h，建議將靜環(huán)材料由石墨浸樹脂改進為石墨浸巴氏合金，以改善其耐磨性能；3）由于艉軸有一定量的軸向竄動，機械密封副中靜環(huán)在使用過程會有磨損，且船體在使用中的變形和軸承的磨損會造成靜環(huán)密封端面對艉軸軸線的垂直度的變化，因此要保證機械密封可靠地動態(tài)密封，一方面必須保證動環(huán)與靜環(huán)的磨擦面完好，另一方面必須保證動環(huán)的軸向補償與垂直補償能力。動環(huán)的軸向補償是靠彈簧力及水壓使密封夾圈沿鍵作軸向移動，補償艉軸軸向位移和靜環(huán)的磨損所需要的動環(huán)位移。建議縮短固定夾圈與密封圈之間的配合長度，既不影響固定夾圈與密封夾圈之間的相對運動和導向性能，同時能改善密封裝置的垂直度補償能力和密封夾圈軸向補償性能；4）該裝置的動環(huán)垂直度補償能力存在不足，其原因是密封夾圈與固定夾圈與之間的配合段較長，如將固定夾圈上與密封夾圈之間O型圈艉部的配合間隙加大，可提高動環(huán)垂直度補償能力。因此，根據(jù)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，可將固定夾圈上與密封夾圈之間O型圈艉部的配合間隙加大至1mm～1.5mm，減少接觸面積，在現(xiàn)有彈簧的作用下，也能提高固定夾圈與密封夾圈相對運動的靈活性，即提高其綜合補償能力，有利于密封裝置總體性能的改善。

[1]陳鋼耀.艉軸密封技術(shù)的發(fā)展[J].世界海運,2000(1):37-38.

[2]顧永泉.機械密封實用技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2001.

[3]黃培云.粉末冶金原理[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1981.

FFault Anally sis on Certain Typpe Sterm-Axis SealDevice ann d Dispose Couuntermeasures

Y
YAN Shao-pinng
(Naval Repreesentation Office SStationed at 461 ffactory,Wuhan 4330084,China)

Uniting with thee structure and thhe working princciple of a certainn type stern-axiss seal device,thee fault phenomennon and the lapse mechhanism are analyyzed,the pertinennce dispose counntermeasures annd the amelioratiion suggestions aare put forwardeed.

stern-axis seal device; fault; aanalysis; counterrmeasure

U698 文獻標志碼：A

顏少平（1964-），男，高級工程師，研究方向為艦船機械。