簡析離心泵機械密封泄漏原因及預(yù)防措施

徐一鳴(煙臺巨力精細(xì)化工股份有限公司，山東 煙臺 265200)

0 引言

機械密封具有性能好、使用壽命長、運轉(zhuǎn)可靠等特點，是過程化工設(shè)備中應(yīng)用最廣、最有前途的密封形式，廣泛用于石油、化工、冶金、煤炭、食品、醫(yī)療、電力、紡織、環(huán)保等諸多領(lǐng)域，目前離心泵采用密封方式大多為機械密封，因此深入分析離心泵用機械密封泄漏原因并找到相應(yīng)措施進(jìn)行解決，成為目前過程化工設(shè)備最關(guān)心的基本的問題。

1 機械密封原理

機械密封是指由至少一對摩擦副在介質(zhì)壓力和補償機構(gòu)彈力以及輔助密封件的配合下保持貼合且做相對滑動而構(gòu)成的防止流體泄漏的裝置。由于機械密封具有密封可靠、使用壽命長、維修周期長等優(yōu)點，所以目前機械密封是應(yīng)用最廣泛的軸密封方式。

1.1 機械密封的組成

如圖1所示，機械密封主要由密封端面，緩沖補償機構(gòu)，輔助密封圈三部分組成。其中，密封端面即動、靜環(huán)；緩沖補償機構(gòu)即彈性元件，通常有圓柱彈簧、波片彈簧、波紋管等形式；輔助密封圈最基本需包含動環(huán)密封圈、靜環(huán)密封圈，對于集裝式密封，則還有壓蓋密封圈、軸套密封圈等。

圖1 機械密封結(jié)構(gòu)圖

1.2 機械密封的泄漏點

設(shè)備用機械密封雖然廠家繁多，型號各異，但基本結(jié)構(gòu)都差不多，泄漏點主要有五處(如圖2)：(1)動環(huán)密封圈失效而引起的介質(zhì)沿動環(huán)與機封軸套之間泄漏；(2)軸套密封圈失效而引起的介質(zhì)沿軸套與軸之間泄漏；(3)靜環(huán)密封圈失效而引起的介質(zhì)沿靜環(huán)與靜環(huán)座(壓蓋)之間泄漏；(4)對于集裝式機封，因密封圈或密封墊失效而造成介質(zhì)沿密封壓蓋與泵蓋之間泄漏；(5)介質(zhì)沿動、靜環(huán)端面間泄漏。

一般來說，當(dāng)密封失效，設(shè)備內(nèi)介質(zhì)向大氣泄漏時比較容易發(fā)現(xiàn)和解決，但也需在日常巡檢和維護(hù)保養(yǎng)中仔細(xì)觀察；如圖2所示，當(dāng)工作介質(zhì)向設(shè)備內(nèi)泄漏時(最常見為雙機封系統(tǒng)物料端的密封失效)，發(fā)現(xiàn)相對困難些，有時需要借助壓力表才能對其發(fā)現(xiàn)?？傊畬τ跈C械密封，須在長期管理、維修實踐的基礎(chǔ)上，對泄漏癥狀進(jìn)行觀察、分析、研判，才能得出正確結(jié)論。

圖2 機械密封泄漏點

2 機械密封密封泄漏情況分類及原因分析

2.1 機械密封出廠前靜壓試驗時的泄漏

機械密封出廠以前或我們自行維修安裝好后，必須要進(jìn)行靜壓試驗(一般為1.25倍工作壓力，保壓時間不低于15min)，對機械密封的泄漏量進(jìn)行測量以確定機封是否質(zhì)量合格。如果外接壓力表無法保壓，則說明機封存在泄漏問題，機封無法出廠、無法進(jìn)行二次利用。若外接壓力表壓力緩慢下降，則說明機封泄漏量較小，此時多為輔助密封圈存在問題，用肥皂水對機封進(jìn)行噴淋，找到冒氣泡的漏點，再手動盤車觀察，若泄漏量還是無明顯變化則說明即為輔助密封圈有問題，需重新對機封進(jìn)行解體，組裝，必要時更換新密封圈；若盤車時泄漏量變化明顯，則表明動、靜環(huán)摩擦面間存在問題，可能為動、靜環(huán)不對中或密封端面間進(jìn)去雜質(zhì)顆粒，需重新對機封進(jìn)行解體，清理密封端面，重新組裝；若外接壓力表壓力下降明顯，即機封泄漏量較大，多數(shù)為密封端面出現(xiàn)問題。

當(dāng)然，在實際實驗過程中，大多數(shù)情況下泄漏都不僅僅只有一個原因，而是多種泄漏問題同時存在，主要漏點下面會有次要漏點，只要具備足夠的設(shè)備管理知識，熟悉機封的結(jié)構(gòu)，一定能正確的對泄漏問題作出判斷。

2.2 機封正常工況下的突然泄漏

一般離心泵類設(shè)備的檢修周期都會短于機械密封的使用壽命，在檢修周期內(nèi)對機封進(jìn)行更換、維修。所以離心泵類設(shè)備在正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)下機封突然泄漏，只有極少數(shù)是因機封達(dá)到使用壽命，磨損過重引起的，而大多數(shù)是由于工藝條件變化較大或操作、維護(hù)不當(dāng)引起的。原因主要有以下幾點：泵入口過濾器或管路堵塞，引起泵抽空或泵內(nèi)氣蝕、機封密封端面缺少冷卻液等，導(dǎo)致密封端面干磨，高溫，使密封面剝離破壞；出口閥門未開或開度過小，造成大量介質(zhì)在泵殼內(nèi)自循環(huán)，使熱量積聚，引起介質(zhì)氣化，從而使密封端面高溫，破壞密封端面；介質(zhì)不干凈，或機封冷卻液不干凈含有雜質(zhì)顆粒，雜質(zhì)進(jìn)入密封端面造成密封端面磨損甚至破裂；設(shè)備啟動前未手動盤車，啟動力矩過大，導(dǎo)致密封端面因粘連而剝離密封面；設(shè)備內(nèi)介質(zhì)溫度或機封冷卻液溫度急劇變化，機封因熱脹冷縮發(fā)生泄漏；工藝條件頻繁變化引起機封工作狀態(tài)不穩(wěn)定，發(fā)生泄漏；設(shè)備因停電、連鎖等發(fā)生跳停時，會發(fā)生泄漏。

3 機械密封密封失效分析及措施

準(zhǔn)確了解所用材料的機械物理性能和正確評定失效是提高機械密封工作可靠性，防止失效的前提條件。引起機械密封失效的原因主要分為四類：腐蝕失效、熱損失效、磨損失效、安裝和使用不當(dāng)引起的失效。

3.1 腐蝕失效原因分析及應(yīng)對措施

機械密封因使用工況各種各樣，介質(zhì)條件各異，所以不可避免的需要應(yīng)用于腐蝕性場合，因腐蝕引起的密封失效也在機封失效的原因中占有一定比例，如下列舉幾種常見的腐蝕類型：(1)表面腐蝕：機械密封件在設(shè)備內(nèi)介質(zhì)的侵蝕作用下，會發(fā)生表面腐蝕，甚至發(fā)生點蝕穿孔，彈性補償元件更為明顯，彈簧等因腐蝕發(fā)生彈性失效，動、靜環(huán)不能完美貼合，引起密封失效。機械密封件采用不銹鋼材料，可減輕表面腐蝕。(2)應(yīng)力腐蝕：彈性補償元件在正常工作過程中，存在應(yīng)力，這就導(dǎo)致彈性元件往往收到應(yīng)力腐蝕與介質(zhì)腐蝕的共同作用，金屬波紋管、彈簧等很容易在這兩種腐蝕作用下發(fā)生斷裂，由于彈性元件的突然斷裂而使密封端面分離甚至不對中，導(dǎo)致泄漏發(fā)生。這種情況下一般采用加大彈簧線徑加以解決。(3)縫隙腐蝕：靜環(huán)座銷釘與銷孔之間，軸套上O型圈槽處，由于存在間隙以及間隙內(nèi)外介質(zhì)濃度存在差異而發(fā)生縫隙腐蝕，引起靜環(huán)座銷釘斷裂，靜環(huán)無法定位、軸套O型圈處腐蝕導(dǎo)致密封失效，引起泄漏。一般在軸套表面噴涂陶瓷，銷釘與銷孔表面涂以黏結(jié)劑以減輕縫隙腐蝕。(4)電化學(xué)腐蝕：當(dāng)機械密封元件使用活潑性不同的異種金屬時，往往就會引起電化學(xué)腐蝕，它使密封元件發(fā)生腐蝕、松動，造成泄漏。這種情況經(jīng)常采用在連接處涂黏結(jié)劑的方法固定密封元件。

3.2 熱損失效原因分析及措施

(1)熱裂：因泵抽空、氣蝕、冷卻水中斷等情況使機封動、靜環(huán)處于干摩擦狀態(tài)、密封端面熱量大量積聚，表面出現(xiàn)徑向裂紋產(chǎn)生熱裂現(xiàn)象，引起密封面泄漏迅速增加。(2)發(fā)泡、炭化：當(dāng)摩擦副材料為石墨材料時，如果機封使用工況溫度超過機封許用溫度，那么石墨表面會析出樹脂，而樹脂又會在高溫下會發(fā)生炭化，當(dāng)有黏結(jié)劑存在時，還會發(fā)生發(fā)泡軟化現(xiàn)象，導(dǎo)致密封面損壞，泄漏量增加，密封失效。(3)老化、龜裂：當(dāng)輔助密封圈為橡膠材質(zhì)時，如果機封使用工況溫度超過機封許用溫度，長時間下去O型圈將迅速老化、龜裂、變形失去彈性，導(dǎo)致密封失效。

綜上所述，防止機械密封因熱損而失效的關(guān)鍵在于，機封的使用溫度不要超過機封的設(shè)計溫度，并盡量使設(shè)備運行工藝條件穩(wěn)定，機封冷卻液供給充足，使密封端面在正常溫度下工作。

3.3 磨損失效原因分析及措施

若密封端面材料選取不合適，材料耐磨性差、摩擦系數(shù)過大，或彈簧壓縮量過大等均會使密封面加劇磨損而引起密封面過早損壞導(dǎo)致密封失效。采用平衡性機械密封以減少彈性補償機構(gòu)對密封端面的壓力，根據(jù)機封使用工況合理選取摩擦副材料，將有利于克服因磨損引起的失效。這里根據(jù)材料的耐磨性給出排序，方便大家參考及選用：碳化硅-石墨→硬質(zhì)合金-石墨→陶瓷(氧化鋁)-石墨→噴涂陶瓷-石墨→氧化硅陶瓷-石墨→高速鋼-石墨→堆焊硬質(zhì)合金-石墨。選用良好的摩擦副材料可以減輕磨損。

3.4 安裝和使用不當(dāng)引起的失效

機械密封使用過程中，安裝和使用不當(dāng)引起的密封泄漏占機械密封泄漏的70%左右，日常使用中安裝和使用不當(dāng)主要為以下幾方面：靜環(huán)安裝不到位，因O型圈過緊或銷釘未對準(zhǔn)，而使靜環(huán)安裝不對中，產(chǎn)生偏心，導(dǎo)致泄漏；動環(huán)安裝不到位，因O型圈過緊或安裝不仔細(xì)，而使動環(huán)安裝不對中，產(chǎn)生偏心，導(dǎo)致泄漏；未調(diào)整機封壓縮量，機封壓縮量過小，容易使動靜環(huán)分離導(dǎo)致泄漏。壓縮量過大，容易加劇動靜環(huán)磨損，發(fā)生泄漏；機封冷卻液流量過大，靜環(huán)因沖蝕產(chǎn)生缺口；缺少機封沖洗液，動環(huán)座內(nèi)雜質(zhì)堆積，導(dǎo)致彈簧卡死失去補償作用，引起泄漏；機封沖洗管路堵塞或過濾器堵塞，導(dǎo)致缺少機封沖洗液，發(fā)生密封端面干磨，破壞密封端面引起泄漏；像plan53這種自帶冷卻系統(tǒng)的沖洗方案中，因換熱器換熱管結(jié)垢，換熱能力下降，引起密封端面高溫，破壞密封端面引起泄漏；輸送介質(zhì)不干凈，含固體顆?；蚪橘|(zhì)易結(jié)晶，使雜志顆粒進(jìn)入密封端面，破壞密封端面引起泄漏；因工藝條件改變，使設(shè)備內(nèi)發(fā)生氣蝕或抽空時密封立刻失效，引起泄漏；設(shè)備振動過大，導(dǎo)致機封工作狀態(tài)不平穩(wěn)，動靜環(huán)碰撞發(fā)生損壞，使密封泄漏。

4 結(jié)語

本文針對離心泵類設(shè)備機械密封的失效原因做了分析，并提出了幾種可供參考的預(yù)防措施。設(shè)備管理工作不是一朝一夕的事情，我們需要在大量工作經(jīng)驗和理論知識的基礎(chǔ)上不斷突破，繼續(xù)做好對機械密封泄漏問題的研究與判斷，深入分析其中泄漏問題原因，并完善解決措施，充分發(fā)揮離心泵機械密封的作用，將離心泵類設(shè)備的機械故障得到有效降低。