基于機械密封故障原因模式的維修策略

胡偉杰

（中海油惠州石化有限公司，廣東惠州 516086）

0 引言

在煉化裝置中，轉(zhuǎn)動設(shè)備通常都是輸送高溫高壓、易燃易爆、腐蝕性介質(zhì)，其維護檢修工作就成為裝置運行期間的核心重點，其中機械密封的維修工作量更是占到50%以上，因此做好機封的維護檢修，查找機封失效的原因，制定有效的解決措施，合理制定維修策略，延長機封的使用壽命，不但能節(jié)省維修費用，還能降低設(shè)備運行的安全風險。

通常一套完整的機封包括機封本體和配套輔助系統(tǒng)，兩者同等重要，只有機封設(shè)計合理、制造合格、使用正確，才能保證機封使用壽命。機封常見的泄漏點：①動環(huán)輔助密封圈失效引起的介質(zhì)沿動環(huán)與機封軸套之間的泄漏；②機封軸套密封圈失效引起的介質(zhì)沿軸套與軸之間的泄漏；③靜環(huán)輔助密封圈失效引起的介質(zhì)沿靜環(huán)與靜環(huán)座（壓蓋）之間的泄漏；④動、靜環(huán)形成的密封端面失效引起的介質(zhì)沿動、靜環(huán)端面間的泄漏。

1 機械密封故障原因模式

機封按失效發(fā)生的壽命時間可分為早期失效、偶然失效和耗損失效。早期失效通常是由機封設(shè)計、制造、安裝缺陷等原因引起，發(fā)生在機封投用初期；偶然失效由偶發(fā)因素引起，通常由工藝工況、設(shè)備運行狀態(tài)、操作等原因引起，發(fā)生在機封使用中期；耗損失效是指由元件老化、磨損和疲勞等原因引起。從造成機封失效、影響機封正常使用壽命的原因進行分析，將機封故障的原因模式分為以下5 類。

1.1 質(zhì)量類

因主輔密封、緊固、傳動、補償?shù)仍馁|(zhì)質(zhì)量、加工精度、設(shè)計缺陷等原因造成新?lián)Q機封不能連續(xù)可靠運行。常見的質(zhì)量類問題如下：

（1）輔助密封O 形圈的質(zhì)量差或選型不符。選用橡膠應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的工作溫度和工作介質(zhì)選擇合適的材質(zhì)，通常丁晴橡膠的使用溫度為162 ℃，聚四氟乙烯、氟橡膠的使用溫度為216 ℃，雖然這些材料都有一定的耐熱溫度，但密封端面產(chǎn)生的熱量有時會失去控制，輔助橡膠密封圈有被硫化的可能，導(dǎo)致橡膠圈失去彈性而泄漏。在低溫工況下的機封，則要相應(yīng)的考慮冷脆的影響。當用在需要耐酸堿、酯等化學腐蝕的場合，則優(yōu)先選用全氟醚材料做為輔助密封。

（2）動靜環(huán)材質(zhì)配對不合適。按耐磨性的好壞，常用的配對一般為：碳化硅-碳石墨、硬質(zhì)合金-碳石墨、陶瓷-碳石墨、噴涂陶瓷-碳石墨、氮化硅陶瓷-碳石墨、高速鋼-碳石墨、堆焊硬質(zhì)合金-碳石墨。

（3）密封端面材質(zhì)質(zhì)量差。質(zhì)量較差的石墨環(huán)，其石墨在制造過程中，聚集在石墨內(nèi)部的氣體膨脹將碳微粒吹出，使其內(nèi)部存在較多的氣孔，用這種石墨環(huán)的密封，在使用過程中石墨表面的碳微粒極易脫落，導(dǎo)致密封端面在停用時被粘住。

（4）機封緊固元件的材料使用不正確。如緊固螺釘不能選用經(jīng)過硬化后的材料，因經(jīng)過硬化熱處理后，金屬的耐腐蝕能力會降低。而使用未經(jīng)熱處理的較軟的固定螺釘就能緊固在軸上，無需經(jīng)過硬化處理。

（5）補償元件選擇的彈簧不要選擇不銹鋼。因為金屬在應(yīng)力作用下會加速其腐蝕速率，不銹鋼彈簧在應(yīng)力作用下更易受氯化物的腐蝕，這種場合推薦使用耐蝕性較高的哈斯特合金鋼的彈簧。

（6）機封沖洗流道或沖洗量設(shè)計計算不合理。機械密封能否正常工作輔助沖洗系統(tǒng)的作用非常重要，因為它可以起到潤滑冷卻、沖走結(jié)焦顆粒、聚合物等雜物的作用，從而有效保護密封端面。如果沒有合理的配置沖洗系統(tǒng)，沖洗液流量、壓力不夠，沖洗口位置設(shè)置不合理、沖洗液選用不正確等，都會影響機封的正常使用。

1.2 安裝類

因安裝前未確認安裝部位軸跳動值、旋向、定位塊，對中不好、安裝不規(guī)范造成元件損傷等。振動、偏斜、不同心會使傳動件磨損，彈簧壓縮過大、軸串量過大等都會造成密封面的過度磨損。如拆檢時發(fā)現(xiàn)密封端面磨損變寬，則說明機泵發(fā)生了嚴重的不對中；發(fā)現(xiàn)密封面無磨痕，則說明密封面間隙過大，將無法起到有效密封作用，應(yīng)檢查波紋管、彈簧等補償元件是否正常；發(fā)現(xiàn)密封面無磨痕但有亮點，說明密封面垂直度不好，應(yīng)檢查壓蓋螺拴是否安裝好，或泵蓋端面表面粗糙度不合適；當使用兩個螺拴的壓蓋時，因壓蓋的剛度不夠，使壓蓋變形也會形成密封面的亮點；發(fā)現(xiàn)金屬套外圓表面的磨痕，則有可能是偏斜、不同心的原因造成。常見的安裝類問題有：

（1）安裝時橡膠件被軸上的舊固定螺釘、鍵槽、花鍵軸、鋒利的軸肩等割傷。

（2）動靜環(huán)密封圈未被壓緊。

（3）動靜環(huán)V 形密封圈方向裝反，或安裝時反邊。

（4）密封腔端面與軸垂直度不夠，不垂直度允許差0.03～0.05 mm。

（5）軸竄動量超標，應(yīng)不超過0.5 mm。

（6）密封安裝處軸表面粗糙度≤1.6 μm，徑向跳動＜0.06 mm。

1.3 操作類

因設(shè)備振動超標、抽空、介質(zhì)超溫超壓、人為導(dǎo)致機封輔助系統(tǒng)異常等，未及時發(fā)現(xiàn)處理。如拆檢時發(fā)現(xiàn)密封端面磨痕比兩個密封面當中的最小寬度還要窄，則說明密封在超壓或超溫環(huán)境下運行，因為密封面發(fā)生了變形；發(fā)現(xiàn)密封面有切邊，通常是因為密封端面突然分得太開，在閉合時因沖擊而斷裂，造成突然分得太開的原因通常是液體氣化，特別是在熱水系統(tǒng)或流體中有凝液時，水因密封端面產(chǎn)生的熱量從液體膨脹成水蒸氣，會造成密封面分得太開；發(fā)現(xiàn)動環(huán)上的裂紋則是由于傳動件的振動，橡膠圈的漲大以及石墨環(huán)本身的內(nèi)應(yīng)力造成的，而結(jié)焦則是因高溫所致。常見的操作類問題有：

（1）機封冷卻器循環(huán)水管線未投用或冷卻水管堵，冷卻水量不足。

（2）阻封液液位或壓力不正常未及時發(fā)現(xiàn)。

（3）抽空、汽蝕、軸承故障、轉(zhuǎn)子動平衡問題等導(dǎo)致振動增大。

（4）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。

（5）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)，熱量積聚，引起介質(zhì)氣化。

（6）機封沖洗中斷或輸送介質(zhì)超溫產(chǎn)生的高溫影響。因金屬在溫升過程中會改變顏色，在判斷是否超溫時可通過觀察機封金屬的顏色，如不銹鋼在不同溫度下對應(yīng)的不同顏色：淡黃色→370～432 ℃，棕色→486～540 ℃，藍色→約590 ℃，黑色→約648 ℃。

1.4 工藝類

因輸送介質(zhì)工藝特性易聚合、結(jié)焦、腐蝕、臟或工作環(huán)境受限，選不到較好沖洗方案或工藝條件大幅波動等。常見的工藝類問題：

（1）因介質(zhì)的理化特性，選不到最優(yōu)的沖洗液和沖洗方案。

（2）工藝調(diào)整、阻聚劑等調(diào)整變化，影響介質(zhì)聚合。

（3）腐蝕性介質(zhì)的影響。

1.5 消耗類

到達機封可靠使用年限。機封的正常使用壽命取決于密封端面的材料、輔助密封的材料、彈性元件的材料等。在選型合理、安裝使用正確、系統(tǒng)工作正常、設(shè)備運行穩(wěn)定的情況下，機封很少會因長期磨損而失效。

2 維修策略

（1）針對質(zhì)量類故障風險，實施基于狀態(tài)監(jiān)測的預(yù)防性維修。此類故障多出現(xiàn)在更換原配機封廠家初期（測繪不仔細，工藝工況了解不充分、不全面，缺少實際使用經(jīng)驗）、機封廠家內(nèi)部質(zhì)量管控不到位、用戶庫存保管環(huán)節(jié)不合適（保管不當或元件老化）等，通過規(guī)范備件采購管理，避免隨意、頻繁更換機封制造廠家，督促考核廠家做好品質(zhì)管控，加強廠家與庫管的指導(dǎo)支持協(xié)作，保障庫存機封質(zhì)量，可有效降低此類故障率。

（2）針對安裝類故障風險，實施基于狀態(tài)監(jiān)測的預(yù)防性維修。通過加強對安裝人員的技能培訓，使用標準化作業(yè)程序，消項作業(yè)，保障安裝質(zhì)量，可有效降低此類故障率。

（3）針對操作類故障，實施基于狀態(tài)監(jiān)測的預(yù)防性維修，通過加強對設(shè)備巡檢人員管理、增設(shè)在線機泵群振動狀態(tài)監(jiān)測、低液位遠傳報警、機封狀態(tài)在線監(jiān)測等技術(shù)手段，對機泵的操作嚴格按照操作規(guī)范進行。

（4）針對工藝類故障風險，實施改進型的預(yù)知性維修和基于時間的預(yù)防性維修。

（5）針對消耗類故障風險，實施基于時間的計劃維修，多安排在隨裝置檢修周期的大修期間。

3 結(jié)語

機械密封是一種精密部件,對設(shè)計、加工制造、裝配質(zhì)量、配套輔助系統(tǒng)選擇都有很高的要求，因此機封失效是多種因素綜合作用的結(jié)果。以上總結(jié)了機械密封比較常見的失效原因模式以及維修對策，在使用過程中，要根據(jù)失效表現(xiàn)形式，探究失效原因，維修改進，保證機封的安全、可靠運行。