化工企業(yè)延長泵用機械密封使用壽命的有效措施

劉尚明

（本溪市化學工業(yè)學校化工系)

0 前言

化工企業(yè)生產(chǎn)過程是連續(xù)型生產(chǎn)過程，物料大多具有易燃、易爆、有毒、強腐蝕等特性，物料泄漏不僅會產(chǎn)生損失，還有可能造成環(huán)境污染甚至引起火災、爆炸等嚴重事故。化工企業(yè)輸送流體的機械密封主要采用填料密封和機械密封兩種形式，其中的機械密封廣泛應用于旋轉軸的動密封。相對于填料密封，機械密封泄漏量較小，一般為10 mL／h，使用壽命長，一般可連續(xù)使用2年，功率消耗小,約為填料密封的10%～50%[1]。同時，機械密封克服了填料密封不適合高溫、高壓、強腐蝕等工況使用的難題，因此機械密封在化工生產(chǎn)中被廣泛應用。石化行業(yè)動設備維修中機械密封維修工作量最高達到50%，因此延長密封壽命尤其重要。本文在介紹機械密封工作原理、端面摩擦特性和密封特性基礎上，分析了機械密封的失效形式，進而研究了如何避免密封失效、延長密封使用壽命的問題。

1 機械密封的工作原理

機械密封主要作用是防止泄漏。機械密封裝置中起密封作用的零部件稱為密封件，主要有密封端面 （摩擦副）、彈性元件、輔助密封圈、動環(huán)、靜環(huán)。機械密封主要靠一組密封端面形成動密封，它借助彈簧力和介質壓力使靜環(huán)與動環(huán)的密封端面相互貼合并做相對旋轉而構成密封。

機械密封常見有四個密封點。動環(huán)和靜環(huán)端面間的密封是動密封，是關鍵的密封點，其密封主要靠泵內(nèi)流體壓力和彈簧壓力使動環(huán)、靜環(huán)兩端面互相緊密接觸，在兩環(huán)接觸面上少量泄漏的液體形成液膜起到潤滑和密封作用。靜環(huán)和壓蓋，動環(huán)和軸，壓蓋與泵體之間的密封是靜密封，通?？梢圆捎酶鞣N簡單密封形式和輔助密封材料防止流體的泄漏。

2 機械密封的性能

2.1 端面摩擦特性和密封特性

機械密封主要的性能指標是端面摩擦特性和密封特性。端面摩擦特性和密封特性是兩個相互背離的指標。例如提高密封能力就要相應地提高端面比壓，而提高端面比壓必然影響摩擦副間建立的流體摩擦工況，改變流體動壓效應，增大端面磨損，減少機械密封使用壽命；反之，減小比壓又會增大泄漏率。雖然理論上應該盡量考慮機械密封的密封特性，但是在工程應用中需要綜合考慮上述問題。

2.2 機械密封的使用壽命

機械密封失效最主要的表現(xiàn)指標是未達到規(guī)定的時間就出現(xiàn)了泄漏率超標的現(xiàn)象，因此需要研究泄漏率與工作時間的關系。研究表明，對于初始密封端面，泄漏率最小。此時，機械密封端面磨合完成。隨后的滑動摩擦磨損過程中，由于機械密封動、靜環(huán)接觸面積增大，承載面積增大，以及動、靜環(huán)之間存在有一定量的被密封介質，因而磨損量較小，泄漏率較低且相對穩(wěn)定。機械密封繼續(xù)工作，真實接觸面積增大，接觸表面之間的被密封介質變得越來越少，泄漏率變得很小，接觸表面間的分子作用加強，粘著趨勢增大，磨損加劇。端面工作壽命基本符合浴盆曲線的規(guī)律。

機械密封使用壽命是指在允許泄漏率下工作的時間總量。按API 682第三版規(guī)定，在正確沖洗條件下，石化行業(yè)泵用機械密封應運行25 000 h。即使相同的泵，在不同介質、不同工況條件下工作，機械密封允許的泄漏率也不相同，其使用壽命也不相同。生產(chǎn)實踐中一般認為，有2年使用壽命即為滿足要求。

3 機械密封的失效形式

3.1 腐蝕產(chǎn)生的失效

摩擦副的腐蝕是一個需要重視的問題。機械密封的摩擦副要在設備運轉的工況下滿足強度、剛度、耐磨的性能，特別是要具有非常高的耐蝕性。如果材料表面的耐蝕性能較差，當接觸腐蝕性介質時就會造成表面腐蝕和應力腐蝕，進而在薄弱區(qū)產(chǎn)生裂紋，然后向縱深發(fā)展產(chǎn)生破裂[2]。密封環(huán)裂紋一般沿徑向延伸，造成密封裝置振動、發(fā)熱、發(fā)煙、泄漏量加大，這種失效在化工企業(yè)尤其突出。

3.2 過熱產(chǎn)生的失效

由于密封結構決定的動環(huán)和靜環(huán)端面相互摩擦產(chǎn)生熱量，當出現(xiàn)非正常工況時，動靜環(huán)端面之間液膜汽化產(chǎn)生干摩擦而使溫度急劇升高。溫度升高還會使動靜環(huán)變形，輔助密封材料老化。

最近的研究表明，動靜環(huán)密封端面的溫度場呈拋物線形分布，最高溫度出現(xiàn)在動環(huán)內(nèi)徑處[3]。

3.3 磨損產(chǎn)生的失效

機械密封的摩擦工況一直具有爭議。機械密封只能在設計點穩(wěn)定工作，當工作條件發(fā)生變化時，會發(fā)生密封接觸端面劇烈磨損，或者端面液膜加厚，導致泄漏加劇而造成密封失效。

4 有效延長機械密封使用壽命的措施

4.1 材料的選擇

工程實踐表明，端面比載荷對機械密封泄漏率有一定的影響，但是影響不大。材料性能，特別是表征特性對泄漏率有一定的影響。因此機械密封裝置零件材料合理選擇是保證密封效果、提高使用壽命的重要因素。

一般情況下一對動環(huán)、靜環(huán)應該選用不同的材料制造，通常動環(huán)選用較硬的材質，靜環(huán)選用較軟的材質，實現(xiàn)硬軟配對，從而避免發(fā)生咬合現(xiàn)象。

4.2 沖洗和冷卻

為了降低摩擦副工作溫度，減緩裝置老化，保證機械密封穩(wěn)定工作，必須有效地采取措施帶走摩擦熱。常見的方法是沖洗和冷卻。

利用密封液體沖洗密封端面。在輸送的流體介質溫度不高、雜質含量較少時，可以在泵的出口處引入高壓流體沖洗密封面。當輸送的流體介質溫度較高、雜質含量較多時，可以在沖洗回路中加冷卻器和過濾裝置。若流體本身不適合清洗，可選與之相容的另一種液體清洗[4]。

進行冷卻可以在靜環(huán)背面引入冷卻水結構，或將冷卻水直接與摩擦副內(nèi)徑接觸。冷卻的效果受到密封材料、尺寸形狀、散熱條件等多種因素制約。應該注意到，冷卻受介質工況等條件的影響較大。如輸送可能結晶的介質，需要對設備進行加熱和保溫；如輸送高溫介質，沖洗和冷卻往往要同時使用。

采用冷卻時應該注意避免水中的鈣鎂離子沉淀并附在機械密封內(nèi)側，造成水垢。采用壓縮空氣代替循環(huán)冷卻水作為高溫介質機械密封的強制冷卻介質，可解決使用冷卻水時因水質不合格造成機械密封結垢的問題，可以提高裝置的安全性，減少水資源浪費，另外還可以延長機械密封的使用壽命，節(jié)約生產(chǎn)成本[5]。

4.3 機械密封的檢測與調整

4.3.1 摩擦副接觸面的檢測

離心泵工作一段時間后應檢測機械密封動靜環(huán)貼合面的磨損情況和形位偏差。檢測可以用萬用量角器測量貼合面對中心的垂直度偏差，同時對每個接觸面還要檢查劃痕、凹陷、裂紋等現(xiàn)象。

4.3.2 彈簧的檢測

機械密封的彈簧受到介質腐蝕、應力破壞的影響。介質腐蝕會使彈簧的彈性逐漸減小，進而增大泄漏量甚至導致密封完全失效。應力變化容易引起彈簧斷裂。因此應定期檢查彈簧是否斷裂、是否腐蝕嚴重和彈簧彈性大小的變化。

4.3.3 機械密封的調整

軸與密封腔的調整，主要是垂直度和同軸度的調整。泵用機械密封的密封圈與密封腔的垂直度允許值是0.05～0.08 mm。同軸度測量值大于0.25 mm時要考慮重新裝配，以保證機械密封磨損均勻。

軸的徑向竄動和軸向跳動調整。軸的徑向跳動過大會使密封效果降低，增大泄漏量，因此對機械密封的徑向跳動有一定要求。同時，機械密封嚴格要求軸向跳動不超過0.05 mm，如超標應檢查軸承或調整轉子的裝配精度。

綜上所述，化工企業(yè)泵用機械密封只有合理選擇摩擦副材料，正確設計沖洗和冷卻方式，科學合理地進行檢測和調整，才能有效地延長密封使用壽命，延長檢修周期，降低生產(chǎn)成本。

[1] 李宏范，胡金平，朱健，等.泵用機械密封失效原因分析與預防措施 [J] .化工裝備技術，2012，33（3）：57-59.

[2] 米樂.淺談機械密封的腐蝕與防護 [J] .科技向導，2011 （24）： 29.

[3] 汪義高，楊昌明，向代忠.基于ANSYS的機械密封副溫度場模擬 [J] .機械設計與制造，2011（10）：28-29.

[4] 董洪麗.淺析如何延長機械密封的使用周期 [J] .科技創(chuàng)新與應用，2011（11）：50.

[5] 謝作汪，劉洋.機械密封冷卻介質設計改進分析 [J] .機械研究與應用，2011（11）：138-142.