常見機械密封磨損原因分析

戴冠雪

摘 要：機械密封是化工機泵中主要密封組件，除了要求有高密封性能外，還要求能長周期運行。通過對機械密封磨損原因的分析，提出合適的安裝、選材、清洗方案要求，延長機械密封的使用壽命，增加機泵運行周期。設備原因主要是不正確的密封裝配與安裝，如密封零部件安裝不正確、未對中或?qū)χ胁环?、管應力、設備的震動、密封腔襯套的磨損等。操作原因主要是沒有按照操作規(guī)程去操作，如開車前沒有排盡氣、密封沖洗液流失、氣穴現(xiàn)象、低的汽蝕余量、干運轉(zhuǎn)、密封腔內(nèi)沖洗液不干凈、液體污染、泵控制或流量控制的誤操作。

關(guān)鍵詞：機械密封 磨損 機械損壞 過熱 化學

中圖分類號：TH136 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）08（a）-0090-02

機械密封是靠一對或數(shù)對垂直于軸作相對滑動的端面在流體壓力和補償機構(gòu)的彈力作用下保持貼合并配以輔助密封而達到阻漏的軸封裝置。作為密封組件，常用于化工生產(chǎn)中，密封磨損分析的目的不僅是針對一個特定的磨損分析其原因，而且通過磨損密封的癥狀找出引起密封磨損的原因，進而找出解決方案，提高機械密封的可靠性和性能。

1 機械密封壽命縮短的一般原因及常見磨損類型

1.1 密封壽命縮短的一般原因

密封壽命縮短原因可分為設備原因及操作原因。設備原因主要是不正確的密封裝配與安裝，如密封零部件安裝不正確、未對中或?qū)χ胁环?、管應力、設備的震動、密封腔襯套的磨損等。操作原因主要是沒有按照操作規(guī)程去操作，如開車前沒有排盡氣、密封沖洗液流失、氣穴現(xiàn)象、低的汽蝕余量、干運轉(zhuǎn)、密封腔內(nèi)沖洗液不干凈、液體污染、泵控制或流量控制的誤操作。其他原因如密封選型設計不正確、材料不正確及密封剛好完成壽命周期等。

1.2 密封泄漏的三個渠道

（1）摩擦副端面。

（2）形圈。從O型圈處的泄漏可能發(fā)生在動環(huán)、軸套、靜環(huán)、端蓋。

（3）密封接觸面的損壞或侵蝕。密封接觸面的損壞或侵蝕可分為密封腔端面或法蘭的侵蝕、軸套處的磨損或結(jié)疤、動環(huán)的破損。

1.3 密封失效的常見類型

密封磨損的常見類型有8種，可分為機械損壞、過熱損壞、化學損壞等。其中機械損壞包括磨損、振動；過熱損壞包括汽化、干運轉(zhuǎn)、O型圈過熱、結(jié)焦；化學損壞包括化學侵蝕及腐蝕。其他磨損類型包括O型圈擠出、石墨環(huán)損壞、密封面變形、粘結(jié)、腐蝕等。

2 機械損壞的類型及預防措施

機械損壞包括固體顆粒磨損和振動兩種。

2.1 固體顆粒磨損

當工藝介質(zhì)內(nèi)存在固體顆粒時，大的固體顆粒會停留在密封面的高壓區(qū)上，小的顆粒會穿過液膜密封面，在動靜環(huán)密封面上就會形成非均勻的磨損，通常會形成重度的周向圈狀溝槽或徑向橫穿面的溝槽。

這種情況出現(xiàn)主要因為清洗液的不潔凈，可更改沖洗方案，如改為API 682規(guī)定中的帶旋液分離器（利用離心力來達到分離目的）的PLAN31（適用于固體顆粒質(zhì)量分數(shù)小于1.5%，顆粒密度高于介質(zhì)密度2倍的工況從泵出口引出，經(jīng)旋液分離器，清潔液自上部流出，進入密封腔。含有顆粒的液體從下部流出，返回泵進口）方案，該方案適用于工藝介質(zhì)中含有砂粒或其他固體雜質(zhì)。從外部引進清潔介質(zhì)對密封進行沖洗，能沖洗掉密封腔內(nèi)固體顆粒，適用于不潔凈液體、高溫液體。該方案需定期檢查密封水的溫度、壓力，防止閥門關(guān)閉或堵塞導致冷卻效果差，機封損壞?；蛘卟捎眉尤胪鈦砀蓛魶_洗液的PLAN32（外供沖洗液注入密封腔，沖洗密封，適用于含有固體顆?；蛭廴疚锏膱龊稀＿x擇沖洗液時應考慮沖洗液不能污染介質(zhì)，沖洗液消耗量較大）方案。在實際生產(chǎn)中，若上述兩種方案均不易實現(xiàn)，可將動靜環(huán)的石墨材料改為碳化鎢或碳化硅來增加密封壽命[1]。

2.2 振動

如果磨損機械密封的副密封O型圈下軸套或軸表面有高度拋光的溝槽或O型圈有被擠出的特征，則為振動導致的磨損。振動導致磨損的直接原因有軸的運轉(zhuǎn)間隙過小、傳動銷不合適、補償環(huán)或彈簧故障等，間接原因有泵的汽蝕、機械缺陷、管道應力、附近運轉(zhuǎn)設備的振動傳遞。

發(fā)生振動時應作如下預防措施。

（1）檢查泵的操作程序和工況，檢查泵的選型和安裝，必要時按規(guī)定操作程序重新啟動機泵。

（2）檢查泵腔葉輪側(cè)間隙，必要時更換相應零部件。

（3）提供合理的管道支撐，必要時重新配管。

（4）檢查泵的工作狀態(tài)時對中情況。

（5）必要時核算該機泵或附近運轉(zhuǎn)設備的基礎荷載。

3 過熱損壞的類型及預防措施

3.1 汽化

發(fā)生汽化磨損的機械密封動靜環(huán)均有變色、徑向裂紋、蝕斑、外徑側(cè)小缺口的現(xiàn)象，并且運行過程中會有砰砰乓乓的聲音。這種現(xiàn)象發(fā)生的原因是當密封面局部過熱的時候引起了密封液膜消失，密封液高溫汽化，氣體體積瞬間變大擠出。

引起局部過熱的原因主要有以下幾點。

（1）泵的旋轉(zhuǎn)部件與靜止部件之間發(fā)生碰撞。

（2）密封沖洗管線的堵塞，或密封沖洗液流量不足。

（3）操作壓力接近介質(zhì)的飽和蒸汽壓力。

預防措施可為：增加密封腔壓力、降低密封腔的溫度，可以用水降低溫度。

3.2 干運轉(zhuǎn)

發(fā)生干運轉(zhuǎn)磨損的機械密封動靜環(huán)面會有變色、深而亮的劃痕、徑向熱裂紋、嚴重磨損和劃出的溝槽的現(xiàn)象，并且運行過程中密封處會有尖叫聲。這種現(xiàn)象發(fā)生是因為潤滑不足，導致潤滑不足的原因有泵入口壓力降低或抽空、過濾器堵塞、未按正確操作規(guī)程排氣。對應預防措施為保持介質(zhì)足夠的吸入量、按規(guī)程操作等。

3.3 型圈過熱

磨損的機械密封組件的O型圈如有硬化熱裂紋，PTFE接觸區(qū)域如變藍色則說明是O型圈過熱導致的磨損，直接原因是O型圈選型不能滿足溫度要求。

預防措施如下。

（1）選擇好的替代材料。

（2）降低與密封接觸的介質(zhì)的溫度。

（3）檢查沖洗管路是否堵住。

（4）檢查冷卻器是否堵塞。

（5）檢查是否是干運轉(zhuǎn)或汽化導致密封面局部過熱。

3.4 結(jié)焦

失效的機械密封組件可能會出現(xiàn)結(jié)焦物堵卡現(xiàn)象。如大氣側(cè)泄漏物凝固，結(jié)焦物聚積導致補償環(huán)或彈簧卡死，將密封動環(huán)掛起，進而導致大量泄漏。

預防結(jié)焦可以根據(jù)所輸送介質(zhì)性質(zhì)引入一個低壓干蒸汽急冷或在密封面的大氣側(cè)用熱凝結(jié)水背冷。

4 化學損壞的類型及預防措施

4.1 化學侵蝕

密封圈材料的化學侵蝕具體現(xiàn)象為表面破裂、溶脹、表面缺肉。密封圈材料的化學反應腐蝕都是因為采用選擇了不正確的密封圈材料，可參考JB/T 7757.2及供應商的材料選型手冊，選擇合適的密封圈材料。

4.2 腐蝕

腐蝕主要指金屬零件變質(zhì)。主要原因是原始選型時所選材料不正確，此時需選擇合適的耐腐蝕材料代替。

5 結(jié)語

選用適合的機械密封，提高安裝質(zhì)量，消除振動原因，加強操作管理，確保工藝指標穩(wěn)定，選取合適的零部件材料都會減少機械密封磨損發(fā)生概率，增加機械密封運行的穩(wěn)定性、長周期性。

參考文獻

[1] 王云祥.機械密封失效分析和延長使用壽命的研究[D].北京化工大學，2015.

[2] 張寶忠，肖敏.內(nèi)置式機械密封變形分析與計算[J].機械設計與制造，2003（1）：62-63.