基于FMEA 的渣漿泵用機(jī)械密封失效分析及改進(jìn)措施

吳朝軍，朱維兵*，張 林，顏招強(qiáng)，王和順，顏金龍

（1.西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,四川 成都 610039；2.自貢兆強(qiáng)密封制品實(shí)業(yè)有限公司,四川 自貢 643000）

渣漿泵作為生產(chǎn)制造中的一種通用設(shè)備，常用于輸送石膏漿料、氧化鋁漿料、洗煤漿料、尾礦漿料等特殊介質(zhì)。為防止輸送介質(zhì)泄漏造成污染需在渣漿泵上配備密封裝置[1]。填料密封和機(jī)械密封是渣漿泵最常用的2 種密封方式。機(jī)械密封相比于填料密封具有使用壽命長、泄漏量小、對轉(zhuǎn)軸磨損小等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為渣漿泵用于防止旋轉(zhuǎn)軸端部介質(zhì)泄漏的重要配件[2]。由于渣漿泵用機(jī)械密封使用工況惡劣，影響密封性能因素眾多，因此，機(jī)械密封裝置頻繁損壞失效，進(jìn)而影響生產(chǎn)，同時提高了設(shè)備維護(hù)和更換成本。

針對這一問題，本文根據(jù)某公司近幾年渣漿泵用機(jī)械密封產(chǎn)品返廠維修數(shù)據(jù)，總結(jié)各類密封部件失效機(jī)制、表現(xiàn)形式、維修處理方法，并利用失效模式及后果分析法(FMEA)，確定導(dǎo)致密封失效風(fēng)險順序數(shù)較高的潛在故障模式，根據(jù)結(jié)果提出改進(jìn)優(yōu)化措施，以期為延長渣漿泵用機(jī)械密封維使用壽命、降低使用成本、降低故障風(fēng)險提供參考。

1 渣漿泵用機(jī)械密封工作原理及結(jié)構(gòu)

渣漿泵用機(jī)械密封是一種靠介質(zhì)壓力、彈性補(bǔ)償力以及輔助密封元件共同作用，將密封環(huán)端面緊密貼合，并利用傳動元件使其產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動防止介質(zhì)泄漏的密封裝置。在工作中利用密封介質(zhì)、冷卻液等在密封端面間形成一層幾微米的流體薄膜，起潤滑減摩作用。因其將介質(zhì)沿軸向泄漏轉(zhuǎn)換為沿密封環(huán)端面泄漏，所以又稱之為端面密封[3]。

渣漿泵用機(jī)械密封按密封端面劃分有單端面、雙端面、多端面密封等多種結(jié)構(gòu)[4]，其雙端面密封結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。密封結(jié)構(gòu)主要由主密封部分、彈性補(bǔ)償部分、傳動部分、輔助密封部分、緊固部分等組成[5]，其中由動環(huán)、靜環(huán)構(gòu)成主密封部分，這也是發(fā)生泄漏的主要位置。由O 型密封圈、骨架油封等與各組件接觸形成的密封為輔助密封，是發(fā)生泄漏的次要位置。彈簧、推環(huán)、傳動塊等元件構(gòu)成彈性補(bǔ)償部分，為密封環(huán)提供彈性補(bǔ)償力。驅(qū)動環(huán)、傳動銷、軸套等組成傳動部分，使動環(huán)同轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動。

圖1 渣漿泵用機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖

2 渣漿泵用機(jī)械密封失效機(jī)制及形式

渣漿泵用機(jī)械密封受諸多因素影響導(dǎo)致其使用壽命不穩(wěn)定，失效形式多種多樣。根據(jù)近幾年渣漿泵用機(jī)械密封返廠維修數(shù)據(jù)情況，統(tǒng)計分析了各類密封元件損壞失效所引發(fā)的密封失效占比情況，如圖2 所示。由圖可知，導(dǎo)致渣漿泵用機(jī)械密封失效占比最高的是密封環(huán)失效，其次是輔助密封元件、彈性元件、其他密封元件失效。

圖2 密封元件失效占比情況

2.1 密封環(huán)失效

密封環(huán)包括動環(huán)和靜環(huán)，是機(jī)械密封的主要元件，同時也是導(dǎo)致密封失效占比最多的元件。其常見的失效形式主要有磨損、斷裂、咬合、熱裂、崩邊、結(jié)垢等[6]。其中磨損是因密封環(huán)在長期工作中材料老化、端面比壓過大、介質(zhì)固體顆粒進(jìn)入密封面等原因造成的，如圖3 所示。密封環(huán)斷裂、撞碎是由泵運(yùn)轉(zhuǎn)過程中抽空、氣蝕和憋壓等異?，F(xiàn)象引起的振動搖擺幅度過大、部分彈性補(bǔ)償元件失效等造成密封環(huán)端面受力不均勻造成的，如圖4、5 所示。

圖3 密封環(huán)磨損

圖4 密封環(huán)斷裂

圖5 密封環(huán)碎裂

在設(shè)計密封裝置時除了將密封環(huán)設(shè)計為寬窄配對之外，還需將密封環(huán)材料設(shè)計為軟硬配對，且通常動環(huán)為“窄面軟材料”[7]。若選材和設(shè)計出現(xiàn)錯誤就會出現(xiàn)如圖6 所示的密封環(huán)發(fā)生溝槽磨損現(xiàn)象，當(dāng)溝槽在徑向非對中時會造成介質(zhì)泄漏。

圖6 密封環(huán)深溝槽磨損

機(jī)械密封裝置在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量的摩擦熱，且主要來源于動靜環(huán)密封端面。密封流體介質(zhì)和冷卻液是降溫的主要介質(zhì)。隨著時間的推移，流體介質(zhì)及冷卻液在密封環(huán)摩擦熱高溫情況下被加熱后，密封環(huán)上會形成水垢，如圖7 所示。密封環(huán)結(jié)垢之后會影響流體介質(zhì)及冷卻液的循環(huán)速度，降低密封環(huán)的散熱效果。當(dāng)密封端面摩擦熱擴(kuò)散不及時，密封端面溫度急劇升高，會導(dǎo)致密封端面間流體膜蒸發(fā)，端面發(fā)生干摩擦，最終造成如圖8所示的密封環(huán)熱裂。當(dāng)密封環(huán)上的垢塊脫落掉進(jìn)密封端面會加速密封端面磨損；當(dāng)?shù)暨M(jìn)彈簧里會堵塞彈簧，導(dǎo)致彈簧失去補(bǔ)償功能[8]。

圖7 密封環(huán)結(jié)垢

圖8 密封環(huán)熱裂

2.2 輔助密封元件失效

渣漿泵用機(jī)械密封中輔助密封主要由O 型密封圈、骨架油封等輔助密封元件組成。其中O 型密封圈失效形式主要有以下幾種。

1）當(dāng)O 型密封圈與高溫高壓的密封介質(zhì)長時間接觸時，容易導(dǎo)致密封圈產(chǎn)生擠壓變形和結(jié)垢失彈，如圖9 所示。

圖9 O 型密封圈腐蝕結(jié)垢

2）隨動環(huán)座一起旋轉(zhuǎn)的O 型密封圈在工作過程中受到一定的扭力，長時間運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)到一定的疲勞值后，橡膠密封圈會失去彈性，當(dāng)超出該材質(zhì)的疲勞強(qiáng)度極限后，密封圈會斷裂，如圖10 所示。

圖10 O 型密封圈疲勞斷裂

3）渣漿泵軸因受葉輪質(zhì)量不平衡、緊固螺栓松動等因素影響產(chǎn)生偏心現(xiàn)象，導(dǎo)致密封圈不均勻磨損，同時產(chǎn)生大量摩擦熱加速輔助密封件的老化，如圖11 所示。

圖11 O 型密封圈磨損

骨架油封在機(jī)械密封裝置中主要用于防塵和防止冷卻液泄漏。在高溫高壓、轉(zhuǎn)軸運(yùn)轉(zhuǎn)振動幅度大的情況下，會造成骨架油封變形、磨損旋轉(zhuǎn)軸或軸套、冷卻液泄漏，如圖12 所示。

圖12 骨架油封磨損

2.3 彈性元件失效

渣漿泵用機(jī)械密封中主要利用小彈簧、大彈簧、金屬波紋管等為密封裝置提供緩沖和彈性補(bǔ)償力。由于彈性元件常在高溫、高壓、帶固體顆粒及腐蝕性介質(zhì)中工作，易出現(xiàn)彈性元件表面結(jié)垢腐蝕、彈簧和彈簧孔之間被堵死、金屬波紋管表面結(jié)焦等現(xiàn)象，導(dǎo)致彈性元件彈性下降甚至失彈，如圖13、14 所示。渣漿泵在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動會對彈性元件施加交變載荷，彈性元件在長時間的交變載荷作用下會發(fā)生疲勞斷裂。彈性元件失效后則無法滿足密封裝置的軸向補(bǔ)償，密封端面不能緊密貼合，導(dǎo)致密封泄漏失效。

圖13 彈簧結(jié)垢堵塞變形

圖14 金屬波紋管結(jié)焦失彈

2.4 其他元件失效

其他密封元件如軸套、推環(huán)、密封座、彈簧座等主要以腐蝕、磨損、沖蝕失效形式為主[9?10]。當(dāng)泵軸徑向竄動量超標(biāo)，轉(zhuǎn)軸發(fā)生周期性振動、偏心，以及工藝操作不穩(wěn)定時，則會導(dǎo)致軸套嚴(yán)重磨損[11]，如圖15 所示。密封介質(zhì)中有固體顆粒且具有腐蝕性時容易造成軸套、推環(huán)腐蝕，如圖16、17 所示。軸套、推環(huán)等元件磨損、腐蝕會對輔助密封元件、密封環(huán)、彈性元件造成不同程度的損害，最終導(dǎo)致密封泄漏。

圖15 軸套磨損

圖16 軸套腐蝕

圖17 推環(huán)腐蝕

2.5 維修處理方法

針對以上失效形式，渣漿泵用機(jī)械密封主要采取以下維修處理措施。

1）更換損壞失效的密封元件，同時對不符合實(shí)際使用工況條件的密封元件材料進(jìn)行更改，如：密封圈在高溫工況選用碳石墨、金屬纏繞墊等；在強(qiáng)腐蝕性條件下選用聚四氟乙烯材料等。

2）利用超聲波清洗機(jī)清理密封環(huán)、輔助元件、彈性元件、軸套等元件上的垢塊污漬。測量各個壓縮彈簧的長度是否相等，確保密封環(huán)在均勻的壓力下緊密貼合。為防止彈簧結(jié)垢，降低機(jī)械密封故障率，可在彈簧外包裹橡膠，隔絕壓縮彈簧與冷卻液的接觸。檢查冷卻裝置管路有無堵塞，泵軸徑向跳動偏差及軸向運(yùn)動行程是否超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，若出現(xiàn)上述情況應(yīng)及時維修處理。

3）更改密封裝置結(jié)構(gòu)，在密封冷卻液壓力較高的情況下，采用其他密封方式代替骨架油封，如將單端面密封改為雙端面密封，從而減少對軸或軸套的磨損，減少冷卻液泄漏，延長使用壽命。

維修后的機(jī)械密封裝置需進(jìn)行靜壓氣密性實(shí)驗(yàn)，檢測其密封性能。靜壓氣密性實(shí)驗(yàn)裝置主要由盛水矩形容器、可調(diào)氣壓源、通氣管、接頭、堵頭等組成，如圖18 所示。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，需將除進(jìn)氣口以外的出口用堵頭塞住，同時將可調(diào)氣壓源通過通氣管和接頭與機(jī)械密封裝置進(jìn)氣口連接，把接好的密封裝置放進(jìn)盛水矩形容器中。實(shí)驗(yàn)開始時將氣壓逐漸增大，最后保持在密封介質(zhì)壓力1.25 倍左右[12]，觀察矩形容器中有無氣泡產(chǎn)生。若無氣泡產(chǎn)生，則穩(wěn)壓繼續(xù)觀察20 min 后驗(yàn)收；若有氣泡產(chǎn)生則根據(jù)氣泡大小及數(shù)量判別泄漏位置。當(dāng)有少量氣泡產(chǎn)生時，對密封裝置采取盤車方法后再觀察氣泡是否變化：若無變化則認(rèn)為輔助密封圈位置處泄漏；若有變化則是密封端面不平整導(dǎo)致泄漏。當(dāng)有大量氣泡產(chǎn)生時，則認(rèn)為密封端面缺陷導(dǎo)致泄漏。出現(xiàn)上述情況后均需重新拆開檢修密封裝置，保證產(chǎn)品出廠時都能正常使用。

圖18 靜壓實(shí)驗(yàn)裝置

3 FMEA 分析及改進(jìn)措施

3.1 FMEA 分析

故障模式及后果分析法(FMEA)是一種用于分析產(chǎn)品設(shè)計制造及安裝運(yùn)行過程中可能造成故障和后果的一種技術(shù)方法。其包括分析產(chǎn)品可能存在的潛在故障模式，對每種故障模式可能造成的后果進(jìn)行評價[13]，分析出現(xiàn)各種故障的嚴(yán)重度(S)、頻度(O)、不可探測度(D)，并通過計算得出各種故障模式的風(fēng)險順序數(shù)（RPN）[14]，其計算公式為

FMEA 中嚴(yán)重度(S)、頻度(O)、不可探測度(D)稱為風(fēng)險因子。其中：嚴(yán)重度(S)定義為潛在故障出現(xiàn)后對產(chǎn)品性能及客戶利益造成的影響程度；頻度(O)定義為產(chǎn)品預(yù)期壽命內(nèi)，潛在故障發(fā)生的概率；不可探測度(D)定義為使用目前現(xiàn)有的技術(shù)手段檢測出潛在故障原因的可能性。潛在故障模式的風(fēng)險順序數(shù)(RPN)為3 個風(fēng)險因子的乘積，同時也是最終評判依據(jù)，即RPN 值越高，則該故障模式風(fēng)險程度也就越高。通過針對高RPN 值的故障模式提出預(yù)防措施，可有效降低失效風(fēng)險及經(jīng)濟(jì)損失。

因此，本文利用FMEA 分析方法對渣漿泵用機(jī)械密封失效故障進(jìn)行分析，分析過程包括：首先確定渣漿泵用機(jī)械密封常見潛在故障模式，各故障發(fā)生后所帶來的嚴(yán)重度(S)、各故障的頻度(O)及現(xiàn)有控制方法對各故障的不可探測度(D)，然后根據(jù)得到的各故障模式的風(fēng)險因子數(shù)值，計算風(fēng)險順序數(shù)(RPN)。其中關(guān)于渣漿泵用機(jī)械密封FMEA分析時所用的嚴(yán)重度、頻度、不可探測度評價等級是以該公司的《質(zhì)量檢測表》《售后維修處理報告》《客戶售后反饋單》以及文獻(xiàn)[15]等為基礎(chǔ)，通過公司設(shè)計、維修、質(zhì)檢人員共同研討確定的，分別如表1—3 所示。渣漿泵用機(jī)械密封發(fā)生故障失效主要是密封裝置元件結(jié)構(gòu)不合理、材料選擇有誤、加工精度低、安裝要求不規(guī)范、運(yùn)行中出現(xiàn)故障等所造成的，所以此次渣漿泵用機(jī)械密封常見潛在故障失效模式分析將從設(shè)計制造、安裝、運(yùn)行3 個階段進(jìn)行，并以公司維修數(shù)據(jù)報告單及文獻(xiàn)[16?17]所提及的機(jī)械密封常見失效模式為基礎(chǔ)，確定渣漿泵用機(jī)械密封各階段的潛在故障模式。

表1 嚴(yán)重度（S）評判等級表

表2 頻度（O）評判等級表

表3 不可探測度（D）評判等級表

通過以上各風(fēng)險因子評判等級表以及確定的常見潛在故障模式，計算各潛在故障的風(fēng)險順序數(shù)(RPN)，其分析結(jié)果如表4 所示。根據(jù)表4 中計算結(jié)果，針對相關(guān)環(huán)節(jié)提出改進(jìn)優(yōu)化措施，以達(dá)到降低渣漿泵用機(jī)封發(fā)生故障的風(fēng)險順序數(shù)、延長使用壽命、降低使用成本的目的。

3.2 結(jié)果討論及改進(jìn)措施

通過分析表4 可知，渣漿泵用機(jī)械密封在設(shè)計制造、安裝、運(yùn)行各階段風(fēng)險順序數(shù)(RPN)較高的潛在故障模式依次是：密封端面變形(126)、溫度異常(105)、密封元件磨損(90)、密封元件腐蝕(90)、密封介質(zhì)泄漏量超標(biāo)(84)、試車振動(80)、密封端面破損(50)、密封端面平面度差(48)、密封組件損壞(40)。該分析結(jié)果與造成渣漿泵用機(jī)械密封各元件失效主要原因一致，證實(shí)分析方法與實(shí)際情況相符。高RPN 值的故障模式是影響密封性能的關(guān)鍵因素，所以為降低上述潛在故障模式的風(fēng)險順序數(shù)(RPN)，延長使用壽命，降低成本，對生產(chǎn)及使用者提出以下改進(jìn)優(yōu)化措施。

表4 渣漿泵用機(jī)械密封各過程FMEA 分析表

1）設(shè)計制作過程中，首先應(yīng)詳細(xì)了解密封裝置使用工況，優(yōu)化設(shè)計密封裝置，如：為保證漿料泄漏時能及時排出、避免顆粒的堆積和阻塞密封腔、腔內(nèi)物料能流動不堆積沉淀、易冷卻潤滑密封裝置，軸套與密封環(huán)之間應(yīng)有較大間隙；為減少泵內(nèi)介質(zhì)壓力對密封端面比壓的影響，宜采用平衡型機(jī)械密封結(jié)構(gòu)。其次選擇導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)低、彈性模量高、耐磨、耐腐蝕的材料，并對密封元件加工制作工藝進(jìn)行優(yōu)化，避免溫度驟變、應(yīng)力集中等問題。

2）密封裝置安裝前需進(jìn)行靜圧實(shí)驗(yàn)，防止運(yùn)輸、搬運(yùn)及組裝過程中對內(nèi)部零件造成損傷。同時安裝試車過程中嚴(yán)格遵循相關(guān)技術(shù)規(guī)范和安裝程序，確保密封環(huán)端面干凈整潔、緊密貼合，并對泵軸進(jìn)行工藝性檢查，包括運(yùn)轉(zhuǎn)過程中振動幅度、表面粗糙度等，避免密封元件破損失效。

3）運(yùn)行過程中關(guān)注密封裝置壓力、溫度、泄漏量、振動幅度等變化，有無異響，加強(qiáng)系統(tǒng)冷卻和潤滑，減小摩擦熱的影響。定期對密封系統(tǒng)進(jìn)行檢查、維護(hù)，包括輔助系統(tǒng)及管路，并更換相關(guān)密封元件，如密封圈、彈簧。

4 結(jié)論

1) 介紹了渣漿泵用機(jī)械密封基本工作原理及結(jié)構(gòu)，并對某公司近幾年渣漿泵用機(jī)械密封返廠維修數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)密封環(huán)元件失效導(dǎo)致密封失效的占比最高，其次是輔助密封元件、彈性元件及其他元件失效。

2) 依次對渣漿泵用機(jī)械密封密封環(huán)、輔助密封元件、彈性元件及其他元件常見失效形式及機(jī)制進(jìn)行分析總結(jié)，并提出對損壞及不符合使用工況密封元件進(jìn)行更換，利用超聲波清洗機(jī)對表面垢塊污漬進(jìn)行清理，更改密封裝置的相關(guān)維修處理措施。介紹維修后密封裝置的靜壓氣密性試驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)流程方法，并總結(jié)相關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及造成現(xiàn)象發(fā)生的原因，提出整改措施，為處理類似問題提供參考。

3)利用FMEA 分析法對渣漿泵用機(jī)械密封設(shè)計制造、安裝、運(yùn)行階段潛在故障進(jìn)行分析，得到密封端面變形、溫度異常、密封端面磨損、密封端面腐蝕、密封介質(zhì)泄漏量超標(biāo)、試車振動、密封端面破損、密封端面平面度差、密封組件損壞風(fēng)險順序數(shù)(RPN)較高。針對RPN 值較高的故障模式從設(shè)計制造、安裝、運(yùn)行3 個階段對生產(chǎn)及使用者提出了優(yōu)化改進(jìn)措施，以期達(dá)到延長機(jī)械密封使用壽命、降低成本的目的。