淺析離心泵機(jī)械密封的失效原因及解決措施

景亞兵

（神華榆林能源化工有限公司，陜西 榆林 719000）

淺析離心泵機(jī)械密封的失效原因及解決措施

景亞兵

（神華榆林能源化工有限公司，陜西 榆林 719000）

文章通過介紹機(jī)械密封的工作原理和基本結(jié)構(gòu)，重點對機(jī)械密封的失效原因進(jìn)行了詳細(xì)的研究和分析，并提出了相應(yīng)的解決措施和建議。

機(jī)械密封；失效；解決措施

隨著機(jī)械密封技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)械密封以其泄漏量少、工作可靠、適用范圍廣、使用壽命長等優(yōu)勢，大量應(yīng)用在離心泵的密封上。本文以我公司的一臺循環(huán)水泵和一個穩(wěn)壓泵機(jī)械密封失效為例，針對機(jī)械密封在生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題，通過認(rèn)真研究、分析，總結(jié)出了密封的失效原因，并提出了相應(yīng)的解決措施。

1 機(jī)械密封工作原理和基本結(jié)構(gòu)

1.1 機(jī)械密封工作原理

機(jī)械密封由至少一對垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的端面在流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)彈力的作用下，以及輔助密封的配合下，保持貼合并相對滑動而構(gòu)成的防止流體泄漏的端面密封裝置，故又稱端面密封。工作原理是靠彈性元件和密封介質(zhì)的壓力，在動環(huán)和靜環(huán)的接觸端面上產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膲壕o力，使這兩個接觸端面緊密貼合，在密封界面形成一微小間隙，當(dāng)有壓介質(zhì)通過此間隙時，形成極薄的液膜，造成阻力，阻止介質(zhì)泄漏，從而達(dá)到密封的目的。

1.2 機(jī)械密封的基本結(jié)構(gòu)

構(gòu)成機(jī)械密封的基本組成：端面密封副、彈性元件、輔助密封、傳動件、防轉(zhuǎn)件和緊固件，如圖1。

圖1

機(jī)械密封基本元件的作用和要求如下。（1）端面密封副。端面密封副為動環(huán)和靜環(huán)，作用是使密封面緊密貼合，防止介質(zhì)泄漏，從而實現(xiàn)密封效果。動環(huán)和靜環(huán)的材質(zhì)要求具有良好的耐磨性能。（2）彈性元件。彈性元件包括波紋管、彈簧，它主要起預(yù)緊、補(bǔ)償和緩沖作用，要求始終保持足夠的彈性來克服輔助密封和傳動件的摩擦和動環(huán)等的慣性，保證端面密封副良好的貼合和動環(huán)的追隨性，材料要求具有良好的耐疲勞和耐腐蝕性能。（3）輔助密封。輔助密封包括V型圈、O型圈等，密封圈主要起靜環(huán)和動環(huán)的密封作用，同時還起到浮動和緩沖作用。密封圈材料要求其具有良好的耐寒性和耐熱性能。（4）傳動件。傳動件包括傳動銷、傳動環(huán)、傳動座、傳動鍵。它的作用是將軸的轉(zhuǎn)矩傳給動環(huán)。傳動件材質(zhì)必須要有良好的耐腐蝕和耐磨性能，才能保證傳動件的性能。（5）緊固件。緊固件包括緊定螺釘、彈簧座、壓蓋、軸套。它的作用是給動環(huán)、靜環(huán)定位，緊固。要求軸向定位必須準(zhǔn)確，保證一定的彈簧壓縮量，使密封副的密封面處于正確的位置并保持良好的貼合，達(dá)到最佳的密封效果。緊固件必須容易拆裝，且能重復(fù)使用。（6）防轉(zhuǎn)件。防轉(zhuǎn)件有防轉(zhuǎn)銷，它的作用是防止靜環(huán)轉(zhuǎn)動和脫出。要求有足夠的長度，防止靜環(huán)在負(fù)壓下脫出，并要求正確定位，防止靜環(huán)隨動環(huán)旋轉(zhuǎn)。

2 機(jī)械密封的特點

機(jī)械密封與常用填料密封對比，具有如下優(yōu)點。（1）維修周期較長。軸或軸套磨損量很小，密封端面出現(xiàn)磨損后可通過彈簧自動補(bǔ)償，一般情況下使用達(dá)半年或一年以上才需維修。（2）密封效果好。機(jī)械密封在化工生產(chǎn)離心泵的運(yùn)用中，特別是平穩(wěn)運(yùn)行過程中，泄漏的幾率很小。對于雙端面密封，更能達(dá)到零泄漏的要求。（3）使用壽命長。在化工類介質(zhì)中通常可以達(dá)到半年以上，效果好的能達(dá)1年以上；介質(zhì)為水時，使用壽命一般可達(dá)1年以上。（4）適用范圍廣。機(jī)械密封可以用于不同溫度、不同壓力、不同轉(zhuǎn)速的工況，也可以用于各種化工腐蝕介質(zhì)等情況的密封。機(jī)械密封的缺點就是其結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜，制造精度要求高，價格比填料密封貴很多，對維修技術(shù)和安裝水平要求比較高。

3 機(jī)械密封失效原因分析

3.1 離心泵機(jī)械密封主要泄漏點

（1）動環(huán)與靜環(huán)之間，動環(huán)主要靠泵內(nèi)液體壓力及彈簧力壓貼在靜環(huán)上，以阻止泄漏。（2）靜環(huán)與壓蓋之間，屬于靜密封點。（3）動環(huán)與軸（軸套）之間，動環(huán)可以沿軸向竄動。（4）泵蓋與壓蓋之間，也屬于靜密封點。（5）軸套與軸間的密封。

3.2 機(jī)械密封失效原因分析

我公司的一臺消防穩(wěn)壓泵和一臺循環(huán)水泵密封均使用的是機(jī)械密封，自投入使用以來，多次出現(xiàn)故障，主要的故障現(xiàn)象為：（1）試生產(chǎn)過程中機(jī)封有外漏現(xiàn)象。（2）靜態(tài)試壓過程中機(jī)封密封液有泄漏現(xiàn)象。（3）運(yùn)行過程中機(jī)封密封液有泄漏現(xiàn)象。

出現(xiàn)以上問題后，我們公司檢修人員對出現(xiàn)問題的四套機(jī)械密封進(jìn)行了解體，情況如下：循環(huán)水泵機(jī)封、密封端面磨損嚴(yán)重，動環(huán)破裂；O型圈變形；密封表面結(jié)有水垢，軸及密封處有結(jié)垢現(xiàn)象，密封彈簧失去補(bǔ)償能力。穩(wěn)壓泵機(jī)封、密封端面有磨損，靜環(huán)破裂。針對以上機(jī)械密封出現(xiàn)的問題和拆解的情況，我們從機(jī)封的設(shè)計方面、材質(zhì)方面、安裝方面，以及使用方面進(jìn)行了仔細(xì)的研究和分析，最后總結(jié)出了引起機(jī)械密封失效的原因主要為以下幾方面。

3.2.1 機(jī)封動、靜環(huán)材質(zhì)問題

保證機(jī)封長期使用的首要條件是材料性能。若果出現(xiàn)材質(zhì)匹配不合理的話，就會使密封端面磨損加劇，大大縮短機(jī)械密封的維護(hù)周期和使用壽命。密封端面材料匹配不合理，就會出現(xiàn)端面磨損加劇，機(jī)械密封產(chǎn)生振動，造成密封的過早磨損、燒傷、刮傷、破壞、開裂等后果，因此應(yīng)重新選擇相匹配的端面材料組合?，F(xiàn)在常用的動靜環(huán)材質(zhì)，一般選用硬對硬的摩擦副，例如碳化硅、碳石墨等。

我公司循環(huán)水泵機(jī)械密封型號為8B-140，密封副動、靜環(huán)為碳化硅—碳化硅配對。其他同類循環(huán)水泵使用的機(jī)械密封型號也為8B-140，密封副動、靜環(huán)為碳化硅—碳化硅配對，自投運(yùn)1年多未出現(xiàn)泄漏。通過對比，可以排除機(jī)封動、靜環(huán)在材質(zhì)匹配上存在問題。

3.2.2 裝配不良引起的密封泄漏

由于安裝不良，機(jī)械密封加水或靜壓試驗時就會出現(xiàn)泄漏，引起機(jī)械密封失效。安裝方面存在的問題大致有以下幾點：（1）安裝時碰傷、損壞動、靜環(huán)接觸表面．（2）動、靜環(huán)密封圈損壞或安裝時未被壓緊。（3）動、靜環(huán)表面沒有清理干凈，有異物夾入。（4）軸與密封腔端面垂直度不夠。（5）由于密封圈壓緊力不夠或未安裝密封圈，引起軸套處泄漏。（6）多彈簧長短不一，單彈簧不垂直，引起彈簧力不均勻。

該臺泵機(jī)械密封共更換過四套。出現(xiàn)第一次泄漏后，就進(jìn)行了拆解，發(fā)現(xiàn)舊密封拆解后發(fā)現(xiàn)密封面磨損嚴(yán)重，隨即更換了新密封。新密封安裝好后，密封試靜壓即出現(xiàn)嚴(yán)重泄漏，拆解后發(fā)現(xiàn)動環(huán)破裂，因為此時泵還沒有啟動，所以可以判斷此套機(jī)封是由于安裝不良導(dǎo)致密封面的損壞。第四套安裝時，由于沒有考慮軸串量問題，壓縮量沒調(diào)好，靜壓測試沒有問題，啟動就出現(xiàn)泄漏，拆檢發(fā)現(xiàn)動環(huán)破裂。針對此現(xiàn)象，判斷機(jī)封損壞原因為安裝機(jī)械密封時壓縮量過大，導(dǎo)致摩擦間隙端面嚴(yán)重磨損、擦傷，從而引起的動環(huán)破裂，密封失效。以上現(xiàn)象是典型的由于安裝不良導(dǎo)致的密封故障。

3.2.3 設(shè)計不合理

由于設(shè)計不合理也會引起機(jī)械密封的泄漏，其常見的原因有以下幾方面。一是密封端面平面度不良，造成端面接觸不良，無法達(dá)到密封效果。二是密封端面設(shè)計不合理。如果端面寬度設(shè)計太寬，會增大端面摩擦，使動環(huán)和靜環(huán)端面磨損加劇，引起泄漏；如果端面寬度設(shè)計太小，不易形成液膜，同樣會引起密封泄漏。三是密封彈簧壓力不當(dāng)。彈簧壓力過大時，會產(chǎn)生大量的摩擦熱量，加劇密封端面的磨損，同時使密封面熱變形；彈簧壓力過小時，動靜環(huán)端面比壓不足，導(dǎo)致動、靜環(huán)不能很好地貼合，造成封液快速泄漏，進(jìn)而導(dǎo)致密封端面處于干摩擦狀態(tài)，造成密封端面損壞。從日常的巡檢情況分析，結(jié)合損壞密封的拆解情況，可以排除設(shè)計不當(dāng)?shù)脑颉?/p>

3.2.4 機(jī)封振動偏大

振動偏大的原因一般不是機(jī)械密封本身引起的，產(chǎn)生振動的根源常常是由于泵的其他零部件損壞引起的，如泵軸設(shè)計不合理、加工精度不夠、軸承損壞、口環(huán)磨損、工況不穩(wěn)定等原因。由于泵振動異常引起了機(jī)械密封的振動偏大，最終引起動、靜密封端面不平行、間隙變大等，導(dǎo)致機(jī)械密封失去密封效果。

通過對穩(wěn)壓泵的拆檢，發(fā)現(xiàn)以下問題。（1）葉輪口環(huán)與殼體口環(huán)間隙最大為5．4mm?？诃h(huán)間隙過大液體產(chǎn)生渦流，并破壞軸向平衡力，導(dǎo)致振動偏大。（2）支撐軸承內(nèi)徑與軸徑之間間隙為0．10mm，且軸表面有損傷。說明軸承與軸的配合間隙大，造成軸承與配合軸面之間產(chǎn)生相對運(yùn)動，使軸承溫度升高、振動。（3）軸承箱安裝軸承處與軸承外圓間隙過大，來回晃動。（4）地腳螺絲與殼體地腳螺絲孔不同心，螺絲旋緊后對殼體產(chǎn)生應(yīng)力引發(fā)振動。

3.2.5 泵汽蝕的原因

在化工裝置中，泵的汽蝕現(xiàn)象很常見。常見的是由于操作不合理以及泵進(jìn)口汽蝕性能不好，在泵的入口處發(fā)生局部汽蝕，汽蝕發(fā)生后，介質(zhì)中的氣泡會沖擊葉輪入口處，使其表面出現(xiàn)破損；同時也會使動靜環(huán)密封面間的液膜因為沖擊振動不能形成穩(wěn)定的流動液膜，造成動靜環(huán)的密封面干摩擦，使機(jī)械密封端面損壞。從日常的巡檢情況分析，結(jié)合損壞密封的拆解情況，可以排除泵汽蝕的原因。

3.2.6 使用不當(dāng)

（1）泵啟動前未盤車。這種現(xiàn)象通常是由于長期停車后，密封面粘合在一起，啟動時，過大的驅(qū)動扭矩通過驅(qū)動銷將靜環(huán)損壞，從而導(dǎo)致密封失效。（2）干運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致。發(fā)生干運(yùn)轉(zhuǎn)的原因一般都是泵啟動前沒有投密封液或密封液量不足。在密封端面干摩擦情況下，密封端面之間的摩擦系數(shù)很大，會引起由于驅(qū)動扭矩過大而導(dǎo)致密封端面破裂的情況。（3）操作中，當(dāng)發(fā)生泵氣蝕、憋壓、抽空等異常狀況時，往往會產(chǎn)生較大的軸向力，使動、靜環(huán)接觸面不能很好地貼合，引起密封的失效。（4）工作介質(zhì)中有顆粒物，進(jìn)人到密封端面間隙，損傷動、靜環(huán)密封端面。

4 解決措施和建議

通過對我公司循環(huán)水泵、消防穩(wěn)壓泵機(jī)械密封失效原因的分析，有針對性的提出了解決措施，并進(jìn)行了整改。

4.1 安裝不良解決措施

由于機(jī)械密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造、安裝精度要求高，現(xiàn)場缺少必要的工裝及檢測手段，對于集裝式機(jī)械密封，建議損壞的機(jī)封應(yīng)盡量發(fā)回生產(chǎn)廠家進(jìn)行維修，以避免由于裝配不良導(dǎo)致機(jī)封損壞。對于非集裝式機(jī)封的安裝，嚴(yán)格按照機(jī)械密封的安裝和技術(shù)要求來執(zhí)行，保證機(jī)械密封的檢修成功率，防止二次維修。

密封安裝注意事項：（1）檢查新密封端面、O型圈等有無傷痕、缺損現(xiàn)象。（2）檢查與密封圈相接觸的軸或軸套表面的質(zhì)量，若發(fā)現(xiàn)有異常現(xiàn)象，則必須更換或修理后再使用。（3）安裝各部分零部件時，為了防止端面變形及端面損壞，必須緩慢、均勻的用力。（4）在裝配時要確定合理的壓縮量，一般以彈簧總壓縮量的1/2為宜，壓縮量定完之后即將動環(huán)在軸上鎖緊。（5）在緊固壓蓋前，要確認(rèn)軸與殼體的同心度符合要求。緊固機(jī)封壓蓋時，應(yīng)先對角預(yù)緊，以防止機(jī)封壓偏。（6）安裝完成后，應(yīng)手動盤車檢查壓蓋、靜環(huán)與軸有無摩擦，盤車時應(yīng)感覺均勻、輕快為合格。

4.2 振動偏大解決措施

通過對穩(wěn)壓泵拆檢發(fā)現(xiàn)的問題及原因分析，進(jìn)行了一系列整改措施，最終解決了振動的問題。檢修完成后，試車運(yùn)行狀態(tài)良好，機(jī)械密封無泄漏，振動最大值為3．2mm/s，軸承溫度27℃，符合設(shè)計要求，最大程度的保護(hù)了機(jī)械密封的安全運(yùn)行。

具體整改措施如下：（1）重新加工口環(huán)，口環(huán)安裝間隙為0．40mm。（2）重新加工了一根新軸，安裝新軸承，保證了軸承與軸的安裝配合精度。（3）對軸承箱缺陷部位進(jìn)行了噴鍍，使軸承安裝符合要求。（4）將殼體地腳螺栓孔銑大，使地腳螺栓在孔內(nèi)呈自由狀態(tài)，消除了地腳螺栓旋緊后對殼體產(chǎn)生的應(yīng)力。（5）加強(qiáng)巡檢人員的技術(shù)培訓(xùn)，加強(qiáng)設(shè)備巡檢，及時發(fā)現(xiàn)問題，及時處理，避免小隱患造成大事故的現(xiàn)象發(fā)生。

4.3 使用不當(dāng)解決措施

針對裝置出現(xiàn)的機(jī)封泄漏現(xiàn)象進(jìn)行了機(jī)械密封的解體，分析出了密封失效原因，為此針對相應(yīng)的問題采取了相應(yīng)的措施。（1）正常啟動：首先打開泵的入口閥，泵腔內(nèi)引入介質(zhì)，在靜壓狀態(tài)下檢查密封情況，確認(rèn)有無泄漏；如果靜壓狀態(tài)下無泄漏，可緩慢轉(zhuǎn)動泵軸盤車，檢查密封情況。如果出現(xiàn)大的泄漏情況，則可能是因為密封安裝時出現(xiàn)問題，應(yīng)馬上進(jìn)行拆解，仔細(xì)查找原因，找出原因并及時解決問題后重新安裝機(jī)械密封；如果未出現(xiàn)泄漏，即可啟泵。如果剛啟動時出現(xiàn)微小的滲漏，可觀察使用，若滲漏逐漸變小則可正常使用，而滲漏不斷增大則說明有安裝問題或密封本體有問題，應(yīng)立即停泵，拆解查找原因，找到原因后重新安裝機(jī)封。（2）長時間停車后，再次啟動設(shè)備前，應(yīng)對設(shè)備進(jìn)行手動盤車。（3）加強(qiáng)設(shè)備狀況監(jiān)控，如泵的振動、密封液壓力、流量等，防止由于泵振動過大、密封液流量過小等使密封失效。（4）做好日常巡檢工作記錄，記錄設(shè)備運(yùn)行是否正常、記錄密封液流量、壓力等，這些都是判斷機(jī)械密封失效原因的重要依據(jù)。

5 結(jié)語

本文通過對神華榆林能源化工有限公司的一臺循環(huán)水泵和一臺消防穩(wěn)壓泵機(jī)械密封失效的情況進(jìn)行深刻研究和原因分析，提出了相應(yīng)的解決措施和建議，可減少密封失效的情況，提高機(jī)械密封的使用壽命，降低維修費(fèi)用，從而保證機(jī)械密封穩(wěn)定運(yùn)行，保證生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)裝置的安全、平穩(wěn)、長周期運(yùn)行。

[1]顧永泉．機(jī)械密封實用技術(shù)[M]．機(jī)械工業(yè)出版社,2001,7．

[2]李宏范．泵用機(jī)械密封失效原因分析與預(yù)防措施[J]．化工裝備技術(shù)，2012，33(3)．

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TH311

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1671-0711（2017）08（下）-0052-03