機(jī)泵機(jī)械密封失效的分析與解決措施

甘一凡(廣東省中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

0 引言

機(jī)械密封因?yàn)榫哂辛己玫拿芊庑阅芤约拜S承磨損量小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于冶金及石油化工泵設(shè)備上。同時(shí)機(jī)械泵工況運(yùn)作較為惡劣，存在高溫高壓以及介質(zhì)特殊等特點(diǎn)，容易導(dǎo)致機(jī)械密封出現(xiàn)密封失效現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備停止工作的狀況。機(jī)械密封失效的原因以及失效的形式多種多樣，對其仔細(xì)研究分析才能更好地提出科學(xué)有效的解決方法。

1 機(jī)械密封

機(jī)械密封主要是由動(dòng)靜環(huán)、冷卻裝置以及壓緊彈簧等構(gòu)成，通過流體作用在軸上滑動(dòng)端面流體壓力，以及結(jié)構(gòu)補(bǔ)償上的彈力和其他的輔助密封裝置共同作用下的密封結(jié)構(gòu)。機(jī)械密封核心的部件為動(dòng)環(huán)和靜環(huán)，動(dòng)、靜環(huán)結(jié)構(gòu)必須具有足夠的剛度與強(qiáng)度，以滿足在惡劣工況條件下的溫度、壓力、流體的沖擊。同時(shí)還必須具有良好的耐熱沖擊力，即要求材料具有良好的導(dǎo)熱系數(shù)及較小的膨脹系數(shù)，保證材料在熱沖擊時(shí)不出現(xiàn)開裂。

2 機(jī)械密封失效類型

機(jī)械密封的失效形式種類較為繁多，主要的失效可以分為：

(1)早期失效，主要是結(jié)構(gòu)安裝方式不正確以及機(jī)械密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理等造成；

(2)磨損失效，主要因?yàn)樵O(shè)備長期使用過程中，因?yàn)椴牧系哪p或者疲勞老化等導(dǎo)致出現(xiàn)磨損失效，該種失效方式也是機(jī)械密封中主要的失效方式；

(3)偶然失效，主要是因?yàn)楸迷趷毫庸r環(huán)境下運(yùn)行時(shí)因?yàn)槟撤N原因出現(xiàn)的偶然密封失效。動(dòng)靜環(huán)機(jī)械磨損實(shí)例如圖1所示，波紋管外側(cè)結(jié)焦實(shí)例如圖2所示。

圖1 動(dòng)靜環(huán)機(jī)械磨損實(shí)例

圖2 波紋管外側(cè)結(jié)焦實(shí)例

2.1 腐蝕失效

腐蝕失效一般有點(diǎn)腐蝕、面腐蝕、應(yīng)力破壞腐蝕、電化學(xué)腐蝕等。點(diǎn)腐蝕除妖出現(xiàn)在彈簧套，從而破壞彈簧結(jié)構(gòu)。面腐蝕主要是因?yàn)榫哂懈g介質(zhì)的接觸而出現(xiàn)表面的腐蝕，從而破壞密封作用。應(yīng)力腐蝕破壞主要應(yīng)力與腐蝕共同作用下從而出現(xiàn)的彈簧破裂等破壞。電化學(xué)腐蝕主要是因?yàn)椴煌N類金屬引起的電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的腐蝕。

2.2 高溫失效

高溫失效主要是因?yàn)闇囟瘸霈F(xiàn)超標(biāo)導(dǎo)致出現(xiàn)材料變形，從而出現(xiàn)密封失效的形式。如密封面無冷卻水供應(yīng)狀態(tài)下，密封面出現(xiàn)干摩擦而出現(xiàn)熱裂紋現(xiàn)象。又如石墨環(huán)出現(xiàn)溫度超標(biāo)導(dǎo)致石墨出現(xiàn)炭化導(dǎo)致密封失效。軸套高溫失效實(shí)例如圖3所示，動(dòng)靜環(huán)高溫失效實(shí)例如圖4所示。

圖3 軸套高溫失效實(shí)例

圖4 動(dòng)靜環(huán)高溫失效實(shí)例

3 機(jī)泵機(jī)械密封故障狀態(tài)及原因

3.1 泵振動(dòng)、發(fā)熱冒煙

造成機(jī)泵產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因是動(dòng)靜環(huán)端面寬度及比壓過大，以及材料的端面加工精度不達(dá)標(biāo)，表面粗糙度過大，以及轉(zhuǎn)動(dòng)件與填料函內(nèi)徑的間隙太小，導(dǎo)致軸振動(dòng)發(fā)生碰撞等原因。解決方法通常可以減少端面寬度和彈簧壓力，降低端面比壓，增大內(nèi)徑及間隙，加強(qiáng)冷卻措施，保證冷卻功能的正常運(yùn)行。

3.2 端面泄漏

動(dòng)靜環(huán)密封面有固定雜質(zhì)進(jìn)行入破壞了密封表面，或者是彈簧裝置彈力與雜質(zhì)發(fā)生粘結(jié)，致使動(dòng)環(huán)失去浮動(dòng)能力。又是彈簧彈力不夠比壓小以及端面出現(xiàn)磨損，導(dǎo)致補(bǔ)償作用降低。又是端蓋與軸出現(xiàn)不垂直，靜環(huán)壓偏，膠墊的厚度不均勻，導(dǎo)致密封不嚴(yán)等造成。解決方法可以通過提高彈簧裝置結(jié)構(gòu)，避免固體雜質(zhì)進(jìn)行入密封面，提高動(dòng)靜環(huán)材料硬度，并適當(dāng)增加動(dòng)靜環(huán)的端面寬度，提高彈簧壓力。

4 機(jī)泵機(jī)械密封失效原因及解決措施

4.1 裝配安裝引起的密封失效及解決措施

在機(jī)泵安裝裝配時(shí)，動(dòng)靜環(huán)裝配前，對其保護(hù)不嚴(yán)，動(dòng)靜環(huán)出現(xiàn)裝配前變形或者劃傷開裂等缺陷，以及在裝配過程中沒有嚴(yán)格按照工藝要求，造成端面間夾雜污漬或者雜質(zhì)，以及彈簧力不均導(dǎo)致端面不平等原因，從而造成的密封失效。常規(guī)的解決措施是機(jī)械密封裝配安裝完成后，必須進(jìn)行靜壓試驗(yàn)。通過試驗(yàn)分析，當(dāng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)存在小量泄漏時(shí)，在配合手動(dòng)盤車觀察，如泄漏量無明顯變化，一般是動(dòng)環(huán)或者靜環(huán)密封圈存在問題。當(dāng)存在較大量的泄漏時(shí)，在配合盤車觀察，在盤車時(shí)泄漏量有明顯變化，則表明動(dòng)靜環(huán)摩擦副存在問題。當(dāng)出現(xiàn)泄漏介質(zhì)沿著軸向方向噴射時(shí)，極可能為動(dòng)環(huán)密封圈問題，當(dāng)出現(xiàn)泄漏介質(zhì)沿四周噴射時(shí)，則多為靜密封圈問題。

4.2 運(yùn)行過程密封失效及解決措施

機(jī)泵運(yùn)行過程中一般會(huì)因?yàn)楦咚傩D(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，該離心力反而會(huì)抑制工作介質(zhì)的泄漏，所以一般機(jī)泵在運(yùn)行過程出現(xiàn)的密封失效多為動(dòng)靜環(huán)破壞受損失效。導(dǎo)致動(dòng)靜環(huán)破壞受損失效主要是因?yàn)槟Σ磷饔脤?dǎo)致，而產(chǎn)生摩擦密封失效的主要原因有，運(yùn)行過程中機(jī)泵因?yàn)闅馕g以及憋壓等異?，F(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)生極大的軸向力，致使動(dòng)靜環(huán)接觸面出現(xiàn)分離；機(jī)泵在安裝時(shí)安裝的機(jī)械密封壓縮量過大，導(dǎo)致摩擦副端面嚴(yán)重磨損、擦傷；動(dòng)靜環(huán)密封過緊，彈簧無法調(diào)整動(dòng)環(huán)的軸向浮動(dòng)量；靜環(huán)密封圈過松，當(dāng)動(dòng)環(huán)軸向浮動(dòng)時(shí)，靜環(huán)脫離靜環(huán)座；機(jī)泵運(yùn)行過程中動(dòng)靜環(huán)端面進(jìn)入固定雜質(zhì)導(dǎo)致密封端面出現(xiàn)損傷破壞。

常規(guī)的解決措施，機(jī)泵在使用前必須先接通軸封水，要在機(jī)泵停止5min后才關(guān)閉軸封水，用以防止因?yàn)槔鋮s水供應(yīng)不足或者突然中斷導(dǎo)致的因?yàn)闇囟冗^高的變形燒壞。防止機(jī)泵在運(yùn)行工作時(shí)出現(xiàn)頻繁的啟、停，因?yàn)轭l繁的泵啟停會(huì)導(dǎo)致管路中的介質(zhì)出現(xiàn)倒灌現(xiàn)象，從而使泵腔內(nèi)部的壓力急劇升高，進(jìn)而導(dǎo)致動(dòng)靜環(huán)的打開，出現(xiàn)運(yùn)行時(shí)密封的失效。在機(jī)泵長時(shí)間處于停止?fàn)顟B(tài)，開啟泵前必須使用清水對泵腔和機(jī)械密封進(jìn)行清洗，用以確保摩擦副密封沒有出現(xiàn)粘連。

4.3 磨損腐蝕失效及解決措施

當(dāng)機(jī)泵運(yùn)行介質(zhì)為腐蝕介質(zhì)或者帶有顆粒介質(zhì)時(shí)，密封端面會(huì)因?yàn)轭w粒介質(zhì)的因素加快密封端面的磨損。同時(shí)還會(huì)因?yàn)轭w粒介質(zhì)產(chǎn)生堆積、架橋，阻礙彈簧及密封圈的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致補(bǔ)償環(huán)的追隨性和浮動(dòng)性下降。由于密封面內(nèi)徑和軸之間的間隙較小，泄漏的固體顆粒如不能及時(shí)排出，就會(huì)堵塞間隙，從而妨礙輔助密封圈的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，帶有模蝕性顆粒介質(zhì)還會(huì)對密封件表面產(chǎn)生磨損撕裂等局部破壞。解決方案：在選擇密封結(jié)構(gòu)時(shí)，機(jī)械密封避免使用在帶有腐蝕顆粒介質(zhì)的設(shè)備上，或者在機(jī)械內(nèi)部增加輔助裝置措施，如沖洗水等措施裝置，避免顆粒物的堆積。

5 解決提升措施方案

5.1 安裝提升措施

安裝時(shí)避免出現(xiàn)安裝偏差，上緊蓋在聯(lián)軸器找正后，為防止壓蓋端面偏斜，應(yīng)使用塞尺檢查各點(diǎn)，螺栓均勻上支。彈簧的壓縮量嚴(yán)禁出現(xiàn)過大或者過小，過大會(huì)增加端面比壓，加速端面磨損，過小比壓不足不能起到密封作用。軸、軸套與壓蓋的配合間隙即同心度要保證均勻，誤差不得要小于0.01mm。同時(shí)在安裝前，要仔細(xì)檢查密封摩擦副封面、密封圈是否存在劃痕、缺損等現(xiàn)象，以及填料、O型圈接觸的軸和軸套表面是否有劃痕、損傷。

安裝拆卸密封時(shí)嚴(yán)禁使用手錘和扁鏟，以免損壞密封元件，當(dāng)遇結(jié)垢無法進(jìn)行拆卸時(shí)，可以先清洗干凈后在進(jìn)行拆卸。在運(yùn)行后的機(jī)械密封時(shí)，如果出現(xiàn)壓蓋松動(dòng)情況，必須進(jìn)行動(dòng)靜環(huán)更換，因?yàn)樗蓜?dòng)后摩擦副原來運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡發(fā)生變動(dòng)，接觸面的密封性出現(xiàn)破壞，嚴(yán)禁重新緊固后繼續(xù)使用。機(jī)械密封配合部分技術(shù)要求如表1所示。

表1 機(jī)械密封配合部分技術(shù)要求

5.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)提升措施

當(dāng)機(jī)泵使用介質(zhì)為易揮發(fā)特性時(shí)，選擇成熟的串聯(lián)雙面密封形式的結(jié)構(gòu)，可延長密封使用壽命提高可靠性能，同時(shí)兩套密封芯間密封腔壓力高于介質(zhì)壓力時(shí)，保證介質(zhì)不會(huì)泄漏到大氣中，從而提高設(shè)備的安全性能。密封補(bǔ)償型式選用多彈簧結(jié)構(gòu)，使其彈力均勻，確保密封面更加貼合，同時(shí)保證密封在軸上更加緊湊。在高壓介質(zhì)中，介質(zhì)壓力高于封液壓力，側(cè)密封芯可采用雙向承壓設(shè)計(jì)，用以保證該密封適用設(shè)備運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的壓力波動(dòng)。

5.3 輔助沖洗提升措施

以PLAN11自沖洗方案為例進(jìn)行輔助沖洗方案提升，PLAN自沖洗時(shí)從泵出口處經(jīng)過限流孔板進(jìn)行機(jī)械密封的單端面機(jī)械密封沖洗方案。通過增加現(xiàn)場氮?dú)庠礊榉庖汗尢峁毫υ?，保證封液壓力一直高于密封腔壓力，從而阻止密封介質(zhì)的泄漏。再采用壓力開關(guān)對起源壓力進(jìn)行監(jiān)測，采用高低液位開關(guān)對密封泄漏情況進(jìn)行監(jiān)測，這樣有效保證了密封的可靠性，同時(shí)還提升密封的安全性能。

5.4 密封參數(shù)設(shè)計(jì)及材料的提升

當(dāng)對機(jī)械密封進(jìn)行了常規(guī)的如沖洗，調(diào)整彈簧等常規(guī)操作無法改變失效情況下，應(yīng)當(dāng)考慮密封的設(shè)計(jì)參數(shù)校核和材料的察驗(yàn)。

密封設(shè)計(jì)參數(shù)：密封環(huán)帶面積校核公式(1)：

密封設(shè)計(jì)參數(shù)：計(jì)算載荷系數(shù)校核公式(2)：

密封設(shè)計(jì)參數(shù)：彈簧壓力比校核公式(3)：

密封設(shè)計(jì)參數(shù)：模壓系數(shù)校核公式(4)：

密封設(shè)計(jì)參數(shù)：計(jì)算端面比壓校核公式(5)：

式(1)～(5)中：D2為摩擦副密封面外徑(mm)；D1為摩擦副密封面內(nèi)徑(mm)；D為軸承套外徑(mm)；Fsp為彈簧總壓緊力(N)；R2為摩擦副密封面外徑的1/2(mm)；R1為摩擦副密封面內(nèi)徑的1/2(mm)。

通過上述公式得驗(yàn)算得出，當(dāng)設(shè)計(jì)機(jī)械密封是設(shè)計(jì)參數(shù)符合端面比壓值時(shí)，在工作穩(wěn)定下不會(huì)造成機(jī)械密封失效。當(dāng)在端面比壓非常接近介質(zhì)的飽和蒸氣壓值時(shí)，端面產(chǎn)生液膜汽化，密封面形成干摩擦，加劇了端面的磨損，從而導(dǎo)致了摩擦失效。

同樣密封材料的選擇上，輔助密封材料應(yīng)對盡可能的選擇氟橡膠O型圈，密封芯材料選擇316不銹鋼材料，彈簧選擇C合金，軸套、端蓋、腔體材料選擇316不銹鋼材料，用以確保密封的長期性。

6 結(jié)語

本文從機(jī)泵機(jī)械密封失效的型式、失效的狀態(tài)以及失效的原因進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并總結(jié)提出了一系列的提升解決措施。機(jī)泵因?yàn)闅獗旧淼奶厥庑裕Ｊ褂糜谑突さ刃袠I(yè)運(yùn)行工況惡劣，介質(zhì)本身承受高溫高壓作用，所以對其密封性能要求較嚴(yán)。未解決和杜絕機(jī)械密封的非正常密封失效，只有從密封的特性以及各種運(yùn)行工況對機(jī)械密封的影響，同時(shí)對各個(gè)狀態(tài)的密封失效進(jìn)行科學(xué)的剖析研究，使機(jī)械密封長久安全。