熱媒泵機(jī)械密封的失效原因及預(yù)防措施

宋東東，郭洋洋

（江蘇德力化纖有限公司，江蘇 宿遷 223800）

1 概述

在聚酯及紡絲生產(chǎn)過程中，各裝置所需熱能均通過熱媒的二次熱傳遞實(shí)現(xiàn)，因此，熱媒泵作為熱媒輸送的主要設(shè)備，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程起到至關(guān)重要的作用，而機(jī)械密封泄漏是熱媒泵最常出現(xiàn)的故障。此外，在江蘇德力化纖有限公司，作為主要熱載體的聯(lián)苯-聯(lián)苯醚屬于有毒有害物質(zhì)，在遇到高溫、明火的情況下還有可能引發(fā)火災(zāi)，一旦泄漏非常危險(xiǎn)，所以對(duì)其常見失效情況進(jìn)行分析并提前預(yù)防很有必要。

2 熱媒泵用機(jī)封結(jié)構(gòu)組成和工作原理

江蘇德力化纖有限公司采用德國(guó)ALLWEILER阿爾維勒CHN-B系列離心泵作為熱媒泵，機(jī)封形式為串聯(lián)式雙端面機(jī)械密封（圖1），密封組件中有兩組密封副以串聯(lián)方式布置：內(nèi)側(cè)為主密封，起到密封高溫介質(zhì)的作用；外側(cè)為副密封，可密封兩套機(jī)封之間的密封液，并可在主密封意外失效時(shí)起到安全密封的作用。在機(jī)封運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，壓力、溫度和流量適宜的密封液由入口進(jìn)入密封組件間隙，之后從出口流出，產(chǎn)生循環(huán)流動(dòng)，一方面為主密封提供緩沖或阻塞流體，另一方面對(duì)密封組件進(jìn)行沖洗和冷卻。在該串聯(lián)式機(jī)封中，主密封為金屬波紋管式機(jī)械密封，副密封為多彈簧式機(jī)械密封。雖然兩組機(jī)封補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的彈性元件不同，但都是利用機(jī)封彈性元件的推力和密封介質(zhì)的壓力壓緊垂直于旋轉(zhuǎn)軸的機(jī)封動(dòng)、靜環(huán)端面，使動(dòng)、靜環(huán)接觸面緊密貼合，在密封面間形成極小的間隙，當(dāng)有介質(zhì)通過該間隙時(shí)，形成一層液膜造成阻力。此外，還需要與各輔助密封件配合來(lái)阻止熱媒泄漏，達(dá)到密封的目的。其工作特點(diǎn)是將容易泄漏的軸向密封轉(zhuǎn)變?yōu)檩^難泄漏的靜密封和端面徑向接觸的動(dòng)密封[1]。

由圖1可知，主、副密封的動(dòng)環(huán)利用緊固螺釘固定在軸套4上，軸套借助鍵隨泵軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，靜環(huán)分別固定在泵蓋和機(jī)封壓蓋上，通過防轉(zhuǎn)銷防止轉(zhuǎn)動(dòng)。其中，各靜密封點(diǎn)的O型圈、楔形環(huán)和密封環(huán)起到輔助密封的作用。

3 機(jī)械密封失效原因分析

從機(jī)封的結(jié)構(gòu)組成方面而言，造成機(jī)械密封失效的主要原因大概可分為彈性元件失效、動(dòng)靜環(huán)失效、輔助密封元件失效以及其他原因。

3.1 彈性元件失效

3.1.1 彈簧或金屬波紋管斷裂

當(dāng)機(jī)泵運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，出現(xiàn)抽空、振動(dòng)大等情況時(shí)，彈性元件會(huì)在交替變換的載荷長(zhǎng)期作用下，產(chǎn)生疲勞甚至斷裂。此外，熱媒泵長(zhǎng)時(shí)間停用導(dǎo)致動(dòng)靜粘連，突然啟動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致金屬波紋管出現(xiàn)斷裂失效（圖2）。

圖2 波紋管失效實(shí)例

3.1.2 彈簧或波紋管失彈

機(jī)封在長(zhǎng)時(shí)間使用過程中，熱媒雜質(zhì)進(jìn)入波紋管內(nèi)部空隙結(jié)焦，使其彈性變小進(jìn)而失彈。彈簧也可能因?yàn)殚L(zhǎng)期處于高溫環(huán)境下且生產(chǎn)工藝不達(dá)標(biāo)而出現(xiàn)失彈問題。

3.2 動(dòng)靜環(huán)失效

3.2.1 密封環(huán)鑲嵌結(jié)構(gòu)松動(dòng)、脫落

在高溫介質(zhì)條件下，密封環(huán)鑲嵌結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生松動(dòng)、脫落。

3.2.2 動(dòng)靜環(huán)出現(xiàn)裂紋或碎裂

在高溫?zé)崦江h(huán)境下，熱媒泵預(yù)熱過快時(shí)，機(jī)封動(dòng)靜環(huán)在快速受熱后可能會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力裂紋。另外，熱媒泵在非正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下會(huì)發(fā)生抽空、振動(dòng)等現(xiàn)象。在這種工況下，機(jī)封動(dòng)靜環(huán)之間會(huì)發(fā)生撞擊或者分離。機(jī)封動(dòng)靜環(huán)材質(zhì)為SiC，脆性很大，抗沖擊力很小，極易在此過程中出現(xiàn)碎裂。

3.2.3 密封副過度磨損失效

密封副磨損是機(jī)封動(dòng)靜環(huán)失效的主要原因，動(dòng)靜環(huán)之間屬于摩擦副，動(dòng)環(huán)安裝在軸套上隨著泵軸一起高速轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，長(zhǎng)時(shí)間的摩擦使動(dòng)靜環(huán)間的磨損量慢慢增加，密封副失效。機(jī)封彈性元件壓縮量大也會(huì)導(dǎo)致動(dòng)靜環(huán)端面間摩擦力增大，加劇密封面的磨損，縮短機(jī)封的使用壽命。

3.3 輔助密封元件失效

輔助密封元件失效主要表現(xiàn)為動(dòng)靜環(huán)密封圈和軸套密封圈在長(zhǎng)期使用過程中膨脹老化，導(dǎo)致靜密封失效，引起機(jī)封泄漏。其中，主密封動(dòng)環(huán)密封圈、靜環(huán)密封圈的材質(zhì)為柔性石墨，副密封動(dòng)靜環(huán)密封圈的材質(zhì)為PTFE。柔性石墨耐高溫、耐腐蝕性較好，但回彈性較差，容易發(fā)生脆裂，PTFE有耐腐蝕、摩擦系數(shù)低的特性，但容易發(fā)生永久性變形。

（1）在副密封中，動(dòng)環(huán)密封圈老化變形后導(dǎo)致機(jī)封動(dòng)環(huán)不能在軸套上自由移動(dòng)，彈簧喪失補(bǔ)償能力，引起副密封泄漏。

（2）靜環(huán)密封圈老化變硬后，機(jī)封靜環(huán)無(wú)法很好地固定在靜環(huán)座上，當(dāng)機(jī)封動(dòng)環(huán)軸向浮動(dòng)時(shí)，靜環(huán)脫離靜環(huán)座，機(jī)封發(fā)生泄漏。

3.4 其他原因造成的機(jī)封失效

（1）機(jī)封靜環(huán)防轉(zhuǎn)銷損壞，導(dǎo)致機(jī)封靜環(huán)、靜環(huán)密封圈發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，靜環(huán)密封圈與靜環(huán)座之間產(chǎn)生摩擦導(dǎo)致磨損，造成機(jī)封失效。

（2）軸套磨損或者腐蝕，部分靜密封件喪失密封作用，機(jī)封失效。

（3）安裝質(zhì)量不達(dá)標(biāo)導(dǎo)致機(jī)封失效。第一，安裝機(jī)封時(shí)，未把緊機(jī)封動(dòng)環(huán)緊定螺釘，使機(jī)封動(dòng)環(huán)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中發(fā)生后退，機(jī)封彈性元件壓縮量變小直至無(wú)法提供補(bǔ)償量，動(dòng)靜環(huán)之間出現(xiàn)間隙，機(jī)封失效。第二，安裝主密封時(shí)，未把緊主密封動(dòng)環(huán)密封圈壓緊螺栓，動(dòng)環(huán)密封圈不能起到密封作用，使機(jī)封動(dòng)環(huán)與軸套間發(fā)生泄漏。第三，安裝機(jī)封時(shí)，機(jī)封密封面間不清潔，有異物夾入，與動(dòng)靜環(huán)端面發(fā)生摩擦導(dǎo)致擦傷，機(jī)封失效。第四，安裝機(jī)封時(shí)，動(dòng)靜環(huán)同軸度較差，兩端面間不能很好地貼合，發(fā)生泄漏。第五，安裝機(jī)封時(shí)，壓縮量過小，彈性元件不能補(bǔ)償機(jī)封動(dòng)環(huán)的軸向浮動(dòng)或者動(dòng)靜環(huán)分離，機(jī)封泄漏；壓縮量過大，兩端面貼合過緊，機(jī)泵啟動(dòng)后，端面間摩擦力過大，密封副發(fā)熱燒毀。第六，在安裝過程中漏裝密封圈、安裝時(shí)密封圈斷裂或出現(xiàn)貫穿性劃傷，使輔助密封失效，導(dǎo)致機(jī)封泄漏。

（4）輸送介質(zhì)內(nèi)的雜質(zhì)進(jìn)入泵內(nèi)，使主密封動(dòng)環(huán)金屬波紋管結(jié)垢、結(jié)焦卡住，帶有雜質(zhì)的熱媒進(jìn)入動(dòng)靜環(huán)密封面間隙，造成密封面磨損，導(dǎo)致機(jī)封失效。

（5）密封液被污染引起的機(jī)封失效。第一，不潔的密封液進(jìn)入主密封波紋管內(nèi)導(dǎo)致波紋管結(jié)焦或者動(dòng)環(huán)座與軸套的間隙被堵塞，使動(dòng)環(huán)不能在軸套上軸向自由動(dòng)作，引起主密封失效。第二，含有微小顆粒物的密封液進(jìn)入機(jī)封動(dòng)靜環(huán)端面間還會(huì)造成密封面劃傷，使機(jī)封失效。第三，被污染的密封液中的雜質(zhì)還會(huì)堵塞密封液管道，使機(jī)封不能得到很好的沖洗降溫，也不能為主密封提供緩沖和阻塞流體的作用，導(dǎo)致機(jī)封失效。

（6）工藝操作人員操作失誤，泵內(nèi)抽空或者密封液罐排空導(dǎo)致機(jī)封動(dòng)靜環(huán)端面干磨，引起機(jī)封失效。

（7）機(jī)泵中其他部件造成的機(jī)封失效。第一，熱媒泵因?yàn)檩斔徒橘|(zhì)溫度較高，熱量會(huì)沿著泵體傳導(dǎo)到軸承箱位置，若軸承箱溫度過高，箱體內(nèi)潤(rùn)滑油品質(zhì)下降，會(huì)導(dǎo)致軸承潤(rùn)滑不良。再者，軸承長(zhǎng)時(shí)間在高溫環(huán)境下運(yùn)行，使用壽命也會(huì)大大縮短。軸承損壞后，泵軸軸向及徑向竄動(dòng)量過大，動(dòng)靜環(huán)之間發(fā)生撞擊，損壞動(dòng)靜環(huán)，機(jī)封失效泄漏。第二，葉輪松動(dòng)，機(jī)泵動(dòng)平衡被破壞或者聯(lián)軸器對(duì)中找正不好造成泵體振動(dòng)過大，循環(huán)作用力會(huì)使機(jī)封動(dòng)靜環(huán)損壞加劇，導(dǎo)致機(jī)封失效。

4 預(yù)防措施

4.1 加強(qiáng)巡檢

（1）工藝人員應(yīng)持續(xù)對(duì)泵前壓力進(jìn)行跟蹤，避免出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象，及時(shí)更換泵前籃式過濾器濾籃，同時(shí)應(yīng)定期檢查濾籃有無(wú)破損，避免濾籃損壞后，含有顆粒物的介質(zhì)進(jìn)入離心泵內(nèi)。

（2）儀表人員應(yīng)確保密封液罐液位報(bào)警裝置始終處于完好狀態(tài)，保證密封液罐液位出現(xiàn)異常時(shí)可以及時(shí)被發(fā)現(xiàn)。

（3）巡檢發(fā)現(xiàn)密封液罐液位低時(shí)應(yīng)及時(shí)補(bǔ)加，在補(bǔ)加密封液時(shí)，應(yīng)保證密封液干凈清潔。

（4）設(shè)備人員巡檢時(shí)應(yīng)確保軸承箱內(nèi)潤(rùn)滑油液位適當(dāng)，冷卻水管管路暢通、冷卻效果良好，軸承箱溫度正常，當(dāng)發(fā)現(xiàn)機(jī)泵出現(xiàn)異常的振動(dòng)和噪聲時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行停泵檢查。

4.2 提高操作技能

（1）在熱媒泵啟動(dòng)前，應(yīng)注意確認(rèn)機(jī)泵已經(jīng)提前填充且預(yù)熱完成，密封液罐內(nèi)密封液液位正常。同時(shí)，還應(yīng)查看軸承箱及密封液罐冷卻水水閥是否開啟，確保水路暢通。

（2）長(zhǎng)期備用的熱媒泵在啟動(dòng)前應(yīng)手動(dòng)進(jìn)行盤泵，確保無(wú)卡澀后方可啟動(dòng)。

（3）在熱媒泵使用過程中，工藝操作人員應(yīng)嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行操作，杜絕出現(xiàn)熱媒泵抽空、密封液排空等不良運(yùn)行狀況。

4.3 提高安裝質(zhì)量

機(jī)械密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求檢修人員有一定的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，為延長(zhǎng)機(jī)封使用壽命，應(yīng)注意提高安裝質(zhì)量。

（1）在安裝機(jī)封前，應(yīng)認(rèn)真檢查機(jī)封動(dòng)靜環(huán)端面是否光潔、機(jī)封壓蓋有無(wú)毛刺、各輔助密封圈特別是柔性石墨環(huán)有無(wú)貫穿裂紋或劃傷，確認(rèn)各彈性元件是否回彈良好、波紋管有無(wú)裂縫、彈簧有無(wú)變形。

（2）安裝機(jī)封時(shí)應(yīng)根據(jù)工作長(zhǎng)度仔細(xì)確認(rèn)機(jī)封安裝位置，同時(shí)參考此前實(shí)際使用情況對(duì)機(jī)封壓縮量進(jìn)行微小的調(diào)整。機(jī)封動(dòng)環(huán)安裝好后，把緊鎖緊螺釘，同時(shí)進(jìn)行測(cè)量以保證動(dòng)環(huán)安裝同軸度良好。此外，熱媒泵主密封動(dòng)環(huán)座鎖緊后還需要把緊動(dòng)環(huán)密封圈壓緊螺釘，把緊過程中需要用力均勻、大小適當(dāng)，以確保動(dòng)環(huán)密封圈可靠地抱緊在軸套上。

（3）安裝機(jī)封靜環(huán)時(shí)，嚴(yán)禁使用榔頭等硬物敲擊，可采用壓入法進(jìn)行安裝。在此提供一種簡(jiǎn)單的機(jī)封安裝方案—《一種機(jī)封靜環(huán)安裝工具》（CN214135791U），如圖3所示，將機(jī)封靜環(huán)放置在尼龍壓塊上，帶孔頂板置于機(jī)封座上，把緊螺栓將靜環(huán)緩緩壓入靜環(huán)座，同時(shí)透過觀察孔時(shí)刻觀察靜環(huán)安裝情況。靜環(huán)安裝完成后，注意測(cè)量尺寸以確保其安裝到位。

圖3 一種機(jī)封靜環(huán)安裝工具

（4）裝配時(shí)將已安裝好動(dòng)環(huán)的軸套和已安裝好靜環(huán)的泵蓋與機(jī)封壓蓋小心地合在一起，注意不要磕碰到機(jī)封動(dòng)靜環(huán)端面，同時(shí)避免異物夾入。

（5）安裝各輔助密封圈前應(yīng)涂抹干凈的機(jī)油，以保證安裝順利，安裝時(shí)應(yīng)特別小心，注意不要折斷柔性石墨環(huán)和劃傷PTFE密封環(huán)。

（6）機(jī)封安裝完成后，在裝配其他部件時(shí)注意避免對(duì)泵軸造成沖擊。

（7）安裝泵頭時(shí)，應(yīng)對(duì)角均勻把緊蝸殼上的螺母。泵頭安裝到位后，應(yīng)手動(dòng)進(jìn)行盤泵，確保泵軸轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)卡澀現(xiàn)象。

（8）熱媒泵預(yù)熱完成后，應(yīng)根據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)機(jī)泵進(jìn)行對(duì)中找正，并把緊電機(jī)和泵頭支架螺栓。

5 結(jié)語(yǔ)

機(jī)械密封結(jié)構(gòu)相對(duì)于其他密封形式更為復(fù)雜，所以導(dǎo)致其失效的原因也有很多，操作失誤、安裝質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、密封液和輸送介質(zhì)不潔以及設(shè)備其他部件的故障均會(huì)引起機(jī)械密封泄漏失效。在日常生產(chǎn)過程中，應(yīng)切實(shí)改善設(shè)備的工作環(huán)境，保證其處于良好的工作狀態(tài)下，還應(yīng)規(guī)范設(shè)備操作規(guī)程，加強(qiáng)工藝管理。此外，還需提高檢修人員的維修技術(shù)水平，確保其規(guī)范操作以保證安裝質(zhì)量，維持機(jī)泵的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，提高經(jīng)濟(jì)效益。