泵用機(jī)械密封泄漏問題分析研究

趙聚運(yùn) 張曉寧 黃和平

中國石油天然氣第七建設(shè)有限公司 山東青島 266300

工業(yè)中使用的流體機(jī)械普遍存在著泄漏問題，泄漏不僅會(huì)造成資源浪費(fèi)、物料流失、環(huán)境污染，甚至還會(huì)釀成火災(zāi)、引起爆炸、直接危及人身安全。泵用機(jī)械密封是動(dòng)力機(jī)械和流體機(jī)械裝置中不可缺少的零件，對(duì)機(jī)械的安全性有重要意義。實(shí)際生產(chǎn)中，不同的操作條件和生產(chǎn)條件會(huì)對(duì)機(jī)泵機(jī)械密封產(chǎn)生重要的影響，甚至可能導(dǎo)致機(jī)泵機(jī)械失去基本性能。對(duì)機(jī)泵機(jī)械密封泄漏原因的分析具有重要的實(shí)際生產(chǎn)意義和安全意義，全面的原因分析能提高安全性、稼動(dòng)率和壽命等。因此，機(jī)械密封的選擇與維護(hù)歷來是保證設(shè)備正常運(yùn)行的重中之重。

1 機(jī)械密封簡(jiǎn)介

在泵類設(shè)備當(dāng)中，旋轉(zhuǎn)的泵軸和靜止的殼體之間的密封簡(jiǎn)稱軸封裝置。隨著密封技術(shù)水平的不斷提高，泵用密封正由傳統(tǒng)的填料密封向機(jī)械密封發(fā)展。目前機(jī)械密封技術(shù)以其性能可靠、泄漏量少、使用壽命長(zhǎng)、功耗低，已廣泛應(yīng)用于石油化工企業(yè)機(jī)泵中。機(jī)械密封也稱端面密封，其至少有一對(duì)垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的端面，該端面在流體壓力及補(bǔ)償機(jī)械彈力的作用下，加之輔助密封的配合，與另一端面保持貼合形成的微小軸向間隙并相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而防止流體泄漏。機(jī)械密封通常由動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、壓緊元件和密封元件組成。其中動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的端面組成一對(duì)摩擦副，動(dòng)環(huán)靠密封室中液體的壓力使其端面壓緊在靜環(huán)端面上，并在兩環(huán)端面上產(chǎn)生適當(dāng)?shù)谋葔汉捅３忠粚訕O薄的液體膜而達(dá)到密封的目的（圖1）。

機(jī)械密封與泵的其他零部件組合起來運(yùn)行，同時(shí)通過其基本原理可以看出，機(jī)械密封的正常運(yùn)行是有條件的。例如，泵軸的竄量不能太大，否則摩擦副端面不能形成正常要求的比壓；機(jī)械密封處的泵軸不能有太大的撓度，否則端面比壓會(huì)不均勻等。只有滿足類似的外部條件，加上良好的機(jī)械密封自身性能，才能達(dá)到理想的密封效果。

2 機(jī)械密封泄漏的原因分析及解決方法

2.1 機(jī)械密封的泄漏點(diǎn)

泵用機(jī)械密封種類繁多，型號(hào)各異，主要泄漏點(diǎn)包括軸套與軸間的密封、動(dòng)環(huán)與軸套間的密封、動(dòng)環(huán)與靜環(huán)間的密封、動(dòng)環(huán)與靜環(huán)座間的密封，以及密封端蓋與泵體間的密封（圖2）。一般來說，軸套外伸的軸間、密封端蓋與泵體間的泄漏比較容易發(fā)現(xiàn)和解決。其余的泄漏直觀上很難辯別和判斷，須在長(zhǎng)期管理、維修實(shí)踐的基礎(chǔ)上，對(duì)泄漏癥狀進(jìn)行觀察、分析、判斷，才能得出正確結(jié)論。

圖2 泵用機(jī)械密封泄漏點(diǎn)

2.2 機(jī)械密封泄漏的原因分析及解決方法

2.2.1 選型不當(dāng)

（1）若高溫泵選用常溫的密封膠圈或密封墊片，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)密封膠圈和墊片快速老化失效；酸堿和腐蝕性介質(zhì)，若選用的動(dòng)、靜環(huán)橡膠圈材料為丁腈橡膠，由于不耐腐蝕會(huì)導(dǎo)致泄漏。解決方法是，在腐蝕介質(zhì)和高溫介質(zhì)中選用耐高溫、耐酸、堿的氟橡膠作為密封材質(zhì)。

（2）工作介質(zhì)中有顆粒狀物質(zhì)，如果固體顆粒進(jìn)入密封端面，將會(huì)劃傷或加快密封端面的磨損，運(yùn)轉(zhuǎn)中進(jìn)入摩擦副，擦傷動(dòng)、靜環(huán)密封端面導(dǎo)致泄漏。因此，對(duì)于含有固體顆粒的工作介質(zhì)在機(jī)械密封摩擦副選用中最好使用硬對(duì)硬（碳化鎢對(duì)碳化鎢）的摩擦副，而不要使用硬對(duì)軟（碳化鎢對(duì)石墨）的摩擦副。

2.2.2 安裝原因

（1）機(jī)械密封壓縮量調(diào)整不當(dāng)：壓縮量過大，摩擦熱量產(chǎn)生過多，會(huì)造成密封面熱變形而加速端面磨損，導(dǎo)致摩擦副端面燒損或嚴(yán)重磨損。壓縮量過小，則不能起到密封效果。因此，不允許有壓縮量過大或過小的現(xiàn)象，壓縮量以彈簧自然狀態(tài)下的高度減去彈簧完全壓緊狀態(tài)下差的50%為宜。

（2）動(dòng)、靜環(huán)密封圈過緊或過松（波紋管密封不存在此現(xiàn)象）：動(dòng)環(huán)密封圈過緊，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)脫離靜機(jī)械密封壓蓋，介質(zhì)在壓力的情況下會(huì)直接通過動(dòng)靜環(huán)密封圈處泄漏。因此，在安裝機(jī)械密封時(shí)要求動(dòng)、靜環(huán)密封圈的緊度要合適，以稍加力度輕輕壓入為宜。

（3）靜態(tài)試驗(yàn)：機(jī)械密封安裝調(diào)試好后,一般要進(jìn)行靜試，觀察是否泄漏。如泄漏量較小，多為動(dòng)環(huán)或靜環(huán)密封圈存在問題。泄漏量較大時(shí)，表明動(dòng)、靜環(huán)摩擦副間存在問題。在初步觀察泄漏量、判斷泄漏部位的基礎(chǔ)上,再手動(dòng)盤車觀察，若泄漏量無明顯變化，則靜、動(dòng)環(huán)密封圈有問題；如盤車時(shí)泄漏量有明顯變化，則可斷定是動(dòng)、靜環(huán)摩擦副存在問題；如果泄漏介質(zhì)沿軸向噴射，則動(dòng)環(huán)密封圈存在問題居多；泄漏介質(zhì)向四周噴射或從水冷卻孔中漏出，則多為靜環(huán)密封圈失效。此時(shí)應(yīng)根據(jù)靜試時(shí)觀察到的泄漏情況，對(duì)機(jī)封重新進(jìn)行調(diào)試安裝或者進(jìn)行更換處理。

2.2.3 使用條件影響機(jī)械密封的泄漏

（1）泵軸的軸向竄量大：機(jī)械密封的密封面要有一定的比壓，這樣才能起到密封作用。這就要求機(jī)械密封的彈簧要有一定的壓縮量，給密封端面一個(gè)推力，旋轉(zhuǎn)起來使密封面產(chǎn)生密封所要求的比壓。為了保證這一比壓，機(jī)械密封要求泵軸不能有太大的竄量，一般要保證在0.15 mm 以內(nèi)。目前所使用的泵設(shè)備的軸串量在設(shè)計(jì)上都能滿足這一要求，但是不排除泵在出廠時(shí)由于加工組裝方面的疏忽，造成竄量大于設(shè)計(jì)值。另外泵經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，平衡盤及軸承的磨損，也會(huì)造成軸向竄量不斷增加。由于軸向力的作用，機(jī)械密封的密封面壓緊力增加，密封面磨損加劇，直至密封面損壞，失去密封作用。針對(duì)這種情況，在安裝機(jī)封時(shí)，首先應(yīng)檢測(cè)泵的軸竄量值是否符合設(shè)計(jì)要求，不合適時(shí)應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)一定的時(shí)間后，還要定時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，并進(jìn)行必要的調(diào)整。

（2）冷卻沖洗系統(tǒng)失效：泵用機(jī)械密封工作使端面上產(chǎn)生的熱量應(yīng)及時(shí)傳遞出去，否則端面間的液膜會(huì)汽化而形成干摩擦，這時(shí)必須考慮沖洗冷卻措施。一般沖洗冷卻液采用內(nèi)部密封介質(zhì)，也可采用外部供水冷卻沖洗。冷卻沖洗系統(tǒng)可以有效地保護(hù)密封面，起到冷卻、潤(rùn)滑、沖走雜物等作用。大部分冷卻系統(tǒng)都采用水冷卻，但由于冷卻水含雜質(zhì)太多，在長(zhǎng)期使用下易結(jié)垢，堵塞冷卻器，達(dá)不到冷卻效果，使機(jī)械密封快速失效。實(shí)際上密封的可靠性和壽命，在很大程度上取決于密封輔助冷卻系統(tǒng)的配置。解決方法是在在條件允許的情況下，盡量為機(jī)械密封設(shè)計(jì)輔助沖洗系統(tǒng)，沖洗壓力一般要求高于密封腔壓力0.107M～0.11MPa。密封腔壓力要根據(jù)每種泵的結(jié)構(gòu)型式、系統(tǒng)壓力等因素來計(jì)算。軸封腔壓力很高時(shí)或者壓力幾乎接近該密封使用最高極限時(shí)，也可由密封腔引液體至低壓區(qū)，使軸封液體流動(dòng)以帶走摩擦熱。機(jī)械密封使用中，應(yīng)絕對(duì)保證沖洗冷卻液的供應(yīng)及沖洗冷卻液的暢通，必要時(shí)應(yīng)定期清理輔助冷卻系統(tǒng)。

（3）泵氣濁、抽空或較長(zhǎng)時(shí)間憋壓：由于裝置系統(tǒng)操作不合理，以及泵進(jìn)口汽蝕性能不好、泵的轉(zhuǎn)速偏高，在泵的入口處會(huì)發(fā)生局部汽蝕。汽蝕發(fā)生后，水中會(huì)有氣泡，它一方面會(huì)沖擊機(jī)械密封面的外表面，使其表面出現(xiàn)破損；另一方面會(huì)使動(dòng)、靜環(huán)的吻合面的流動(dòng)膜中也含有氣泡，不能形成穩(wěn)定的流動(dòng)膜，造成動(dòng)、靜環(huán)的吻合面的干摩擦，使機(jī)械密封裝置損壞。泵運(yùn)行時(shí)抽空導(dǎo)致摩擦副端面打開泄漏。長(zhǎng)時(shí)間憋壓導(dǎo)致軸向力過大、密封腔壓力過高而泄漏。消除泵汽蝕的措施包括：提高泵的汽蝕性能水平，滿足現(xiàn)場(chǎng)裝置的汽蝕性能的要求；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置的要求應(yīng)與泵汽蝕性能水平匹配。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)安裝和工況調(diào)節(jié)要給泵創(chuàng)造有利的條件。消除泵抽空的主要措施包括合理配置泵的吸入高度、合理配置泵的管線，以及加強(qiáng)工藝操作。

（4）較長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)，重新啟動(dòng)時(shí)沒有手動(dòng)盤車，摩擦副因粘連而扯壞密封面導(dǎo)致泄漏。解決方法是泵在長(zhǎng)時(shí)間停用時(shí)排空介質(zhì)或定時(shí)盤車。

（5）長(zhǎng)期磨損：機(jī)械磨損是引起機(jī)械密封泄漏的一個(gè)重要原因，它會(huì)引起密封副的正常配合關(guān)系被破壞。當(dāng)端面出現(xiàn)一定的磨損，會(huì)引發(fā)機(jī)封不同程度的泄漏。例如，密封副磨損痕跡均勻，各零件的配合良好，這就說明傳動(dòng)部分的同軸度良好，這時(shí)密封端面產(chǎn)生的泄漏可能不是由密封本身問題引起的。若泄漏量為常數(shù)，就意味著泄漏不是發(fā)生在兩端面之間，而有可能發(fā)生在其他部位上，這時(shí)需要檢查其他部位，如靜環(huán)密封處的密封圈是否安裝合適，檢查動(dòng)靜環(huán)處的防轉(zhuǎn)銷是否松脫。如果泄漏量逐漸增大，密封副磨損痕跡不規(guī)則，說明機(jī)封的傳動(dòng)部分同軸度遭到破壞，這就可能是密封本身的問題，需檢查壓縮量的大小，以及密封副處是否有硬質(zhì)雜質(zhì)進(jìn)入，然后將密封進(jìn)行更換處理。

（6）腐蝕損壞：對(duì)于金屬環(huán)腐蝕，如果金屬環(huán)表面接觸腐蝕介質(zhì)，而金屬本身又不耐腐蝕，就會(huì)產(chǎn)生表面腐蝕，其現(xiàn)象就是泄漏、早期磨損、破壞、發(fā)聲等。金屬在腐蝕和拉應(yīng)力的同時(shí)作用下，首先會(huì)在薄弱區(qū)產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而向縱深發(fā)展，產(chǎn)生破裂，加速了端面的磨損，使泄漏量增加。對(duì)于非金屬環(huán)腐蝕，包含石墨環(huán)腐蝕、石墨環(huán)氧化、聚四氟乙烯密封環(huán)的腐蝕。當(dāng)端面在干摩擦或冷卻不良時(shí)，端面產(chǎn)生高溫，會(huì)使石墨環(huán)發(fā)生氧化，環(huán)耐磨性下降，端面變得粗糙，甚至破裂。為此，首先要根據(jù)環(huán)境、介質(zhì)、溫度、壓力等具體情況進(jìn)行選材；其次，根據(jù)生產(chǎn)的具體要求、密封所接觸的介質(zhì)等情況選擇機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)型式；最后是維護(hù)使用，建立封液及冷卻系統(tǒng)，并經(jīng)常更換封液和冷卻液，加強(qiáng)對(duì)端面的冷卻效果。檢修安裝時(shí)，嚴(yán)禁敲打密封件，安裝前要嚴(yán)格清洗干凈。

（7）密封零件失效：機(jī)械密封零件失效大部分是輔助密封圈失效。機(jī)械密封由于泄漏而不能正常工作的一個(gè)主要原因也是因?yàn)镺 形圈失效引起的。O 形圈失效的表現(xiàn)為老化、永久性變形、溶脹變形、扭曲及擠出損傷。因此，在選用O 形圈時(shí)應(yīng)考慮合成橡膠的安全使用溫度，盡可能選用截面較大的橡膠O 形圈，適當(dāng)提高硬度；采用溝槽式的裝配結(jié)構(gòu)；通過沉浸試驗(yàn)合理選材，必要時(shí)選用復(fù)合材料，如橡膠包覆聚四氟乙烯密封圈。

3 注意事項(xiàng)

在泵使用機(jī)械密封時(shí)，不僅要考慮機(jī)械密封本身的影響因素，而且要考慮機(jī)械密封使用的各種影響因素。在實(shí)際工作中還應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：

（1）泵在使用中各種故障（如振動(dòng)、軸向力大、零件匹配等）對(duì)機(jī)械密封使用的影響，并且要仔細(xì)分析，正確判斷。

（2）增加對(duì)機(jī)械密封輔助沖洗系統(tǒng)重要作性的認(rèn)識(shí)，盡可能配備完善的機(jī)械密封輔助系統(tǒng)，以提高密封效果。

（3）對(duì)重要泵產(chǎn)品的機(jī)械密封要增加保護(hù)措施，提高密封質(zhì)量，減少密封質(zhì)量事故。

4 結(jié)語

如果要從根本上解決石油化工泵的密封泄漏問題，必須從機(jī)械密封泄漏的源頭抓起，根據(jù)不同的影響因素采取不同的措施。由此可見，機(jī)械密封技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)、機(jī)械加工、裝配質(zhì)量都有很高的要求。在使用機(jī)械密封時(shí)，應(yīng)認(rèn)真分析機(jī)械密封失效的各種因素，使機(jī)械密封適用于各種泵的技術(shù)及使用要求，這樣才能保證密封長(zhǎng)期可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)。