化工離心泵機械密封失效原因探討

＊王 悅

（南京科技職業(yè)學院 智能制造學院 江蘇 210048）

化工離心泵機械密封具有保障設(shè)備穩(wěn)定運行、提高設(shè)備安全性的作用，同時其防滲漏功能可降低工業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的影響程度。機械密封作為流體機械與動力機械的核心構(gòu)件，在化工產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展下，機械密封受到各大化工企業(yè)的關(guān)注。通常而言，化工離心泵機械密封可分為靜密封與動密封兩類。靜密封可理解為直接密封；動密封可理解為旋轉(zhuǎn)密封或往復密封。因二者作用機理差異，適用場景存在一定區(qū)別。根據(jù)設(shè)備運行特征及受力情況，靜密封分為高壓與低壓兩種。低壓靜密封常用材質(zhì)寬的墊片密封，高壓密封多采用硬度大且接觸寬度窄的金屬材質(zhì)墊片。動密封按照密封和相關(guān)構(gòu)件是否接觸，可區(qū)分為接觸式密封與非接觸密封。化工離心泵機械密封可確保設(shè)備穩(wěn)定運行，保證化工生產(chǎn)順利進行。探究化工離心泵機械密封失效不僅可以推動化工產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，還可為健全生產(chǎn)流程管理機制提供有力保障。

1.化工離心泵機械密封失效原因分析

離心泵是化工生產(chǎn)過程中的核心設(shè)備之一，其密封性決定著化工生產(chǎn)是否順利進行，與化工企業(yè)整體效益有緊密聯(lián)系?；て髽I(yè)日常管理中，需對離心泵機械密封進行全生命周期的維護管理，確保其密封性符合生產(chǎn)要求。本文對化工離心泵機械密封失效的具體原因進行分析，匯總?cè)缦隆?/p>

(1)腐蝕原因

根據(jù)腐蝕類型，機封腐蝕可分為金屬環(huán)腐蝕、非金屬環(huán)腐蝕、輔助密封圈及其接觸部位的腐蝕三類。

①金屬環(huán)腐蝕

金屬環(huán)是化工離心泵的核心密封件，該構(gòu)件經(jīng)腐蝕后會對離心泵密封效果產(chǎn)生巨大影響。所以，探究金屬環(huán)腐蝕具有極為顯著的現(xiàn)實意義。

首先，金屬環(huán)表面均勻腐蝕，如果腐蝕性物質(zhì)沾染密封件附近將導致密封件受損。由于金屬環(huán)本身抗腐蝕性較差，沾染腐蝕性物質(zhì)后將加速表面腐蝕。常規(guī)條件下，金屬環(huán)腐蝕具有如下幾種嚴重后果：其一是離心泵內(nèi)介質(zhì)發(fā)生滲漏；其二是金屬環(huán)受到磨損，影響密封效果；其三是金屬環(huán)遭到破壞，離心泵密封功能基本喪失；其四是金屬環(huán)將發(fā)生異樣聲響。在化工生產(chǎn)中，金屬環(huán)表面被腐蝕后，腐蝕狀態(tài)分為成膜腐蝕與無膜腐蝕。成膜腐蝕代表金屬環(huán)被腐蝕后會在表面形成天然鈍化膜，會對金屬構(gòu)件起到一定保護作用。但是，金屬環(huán)材料在成膜后，會加劇其端面摩擦，從而縮短使用壽命，最終導致鈍化膜失去保護功能。金屬環(huán)在缺氧狀態(tài)下，新的鈍化膜無法生成。在此情況下，腐蝕進一步加劇。無膜腐蝕產(chǎn)生原因是選材錯誤，此種腐蝕推進速度較快，對金屬環(huán)十分不利。

其次，應(yīng)力腐蝕破壞。如果拉應(yīng)力與腐蝕同時作用在金屬環(huán)上，其薄弱區(qū)域?qū)l(fā)生開裂。隨后，破裂位置持續(xù)加大，溝壑越來越深。破裂由應(yīng)力和腐蝕同步引發(fā)。據(jù)初步統(tǒng)計，碳化鈦、碳化鎢、鑄鐵、硬質(zhì)合金材質(zhì)的金屬環(huán)破裂幾率遠高于其他材料。常規(guī)條件下，金屬環(huán)破裂顯示的裂紋呈現(xiàn)發(fā)散性，裂紋數(shù)量不一，開裂位置可導致端面磨損程度持續(xù)加大，從而加大泄漏量，影響離心泵作業(yè)及化工生產(chǎn)。

②非金屬環(huán)的腐蝕

化工離心泵中機封非金屬環(huán)是十分關(guān)鍵的零件之一。和金屬環(huán)類似，非金屬遭受腐蝕后同樣影響離心泵機械密封功能。石墨環(huán)是非金屬環(huán)的重要組成部分。常規(guī)條件下，石墨環(huán)并不具備通透性。同時，石墨環(huán)需用樹脂浸漬后才可使用，這是由于樹脂浸漬可提升石墨環(huán)耐磨性。化工生產(chǎn)中，石墨環(huán)腐蝕原因可匯總為如下幾點：其一，如果非金屬環(huán)端面自身溫度驟升且超過180℃時，石墨環(huán)會析出浸漬樹脂，其耐磨性迅速下降。其二，樹脂材料種類眾多，如果安裝人員擇取的樹脂材料無法適應(yīng)生產(chǎn)條件，浸漬的樹脂便會在生產(chǎn)過程中與其他材料發(fā)生化學反應(yīng)，最終導致石墨環(huán)耐磨性下降。其三，浸漬深度未達標，當表層樹脂被磨光后，石墨環(huán)耐磨性順應(yīng)下降。

石墨環(huán)易發(fā)生氧化腐蝕現(xiàn)象，如果介質(zhì)本身具有較強的氧化性，一旦密封端面冷卻程度較低或端面遭遇干摩擦，表面溫度將迅速驟升到350℃。在此種溫度環(huán)境下，介質(zhì)氧化會與石墨環(huán)發(fā)生化學反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳氣體。氣體會導致密封端面逐漸粗糙，最終導致端面破裂。此外，應(yīng)力和化學介質(zhì)同步作用將導致石墨環(huán)發(fā)生破裂。

③輔助密封圈及接觸部位的腐蝕

化工離心泵密封件中，輔助密封圈同屬重要的密封元件。如果密封圈遭受腐蝕，將影響化工離心泵機械密封功能。密封圈主要由橡膠構(gòu)成，其材質(zhì)決定了密封圈的耐腐蝕性?；どa(chǎn)中，橡膠材料形式多樣，任何一種材料具備的耐腐蝕性能存在顯著差異。橡膠材料的性能會隨著時間的推移而老化，最終失去抗腐蝕能力。當橡膠耐腐蝕功能失效時，密封圈表面將變得粗糙，逐漸失去彈性，直到橡膠完全斷裂。耐油性強的橡膠對密封效果的維持較好，反之耐油性較差的橡膠會隨時間增長而脹大，其遭受的摩擦力順應(yīng)提升，橡膠浮動性減弱，密封效果隨之降低。

針對輔助密封圈接觸部位的腐蝕。接觸部位指代密封圈和特定部位（靜環(huán)座、靜環(huán)、軸套、動環(huán)）的接觸。特定部位和密封圈接觸過程中并未發(fā)生明顯的運動，因此特定部位處于相對靜止狀態(tài)，通俗地講就是死角，此種情況的腐蝕可稱為特種腐蝕。特種腐蝕分為三種類型：其一是縫隙腐蝕；其二是摩振腐蝕；其三是接觸腐蝕。常規(guī)條件下，特種腐蝕并不會單一存在，常常并存在特定部位，促使腐蝕面積持續(xù)增大，腐蝕深度持續(xù)加深。如果腐蝕深度超過0.01mm，代表化工離心泵密封泄露達到極為嚴重的狀態(tài)。對于輔助密封圈與接觸部位的腐蝕，應(yīng)考慮聚四氟乙烯密封環(huán)（F4環(huán)）?；どa(chǎn)中，安裝人員為提高F4環(huán)耐高溫能力，同時增強其耐磨性能，通常會在環(huán)內(nèi)加入填充物。常見的填充物分為金屬粉、石墨粉與玻璃纖維。塞入填充物的F4環(huán)后以易發(fā)生變質(zhì)破壞、溶出腐蝕及選擇性腐蝕。

(2)機械摩擦

化工離心泵運作過程中不可避免的會產(chǎn)生摩擦，會對離心泵密封性能造成一定影響，最終導致機械密封失效。如果長期處在機械摩擦環(huán)境中，將導致密封件結(jié)構(gòu)老化甚至變形，這是導致化工離心泵機械密封失效的主要原因之一。所以，化工生產(chǎn)過程中的例行設(shè)備維護應(yīng)關(guān)注機械摩擦問題。常規(guī)條件下，機械摩擦導致的機封失效分為如下幾點：離心泵存在抽空、氣蝕和憋壓情況，導致內(nèi)部軸向力加大，靜環(huán)接觸面呈現(xiàn)分離狀態(tài)；安裝過程中本身具有較大壓縮量，導致摩擦副端面磨損與擦傷。

(3)對中不良

化工離心泵安裝施工過程如果出現(xiàn)對中不良的問題，將導致軸承產(chǎn)生嚴重磨損，甚至出現(xiàn)軸承跑套問題，以此導致離心泵結(jié)構(gòu)變形或出現(xiàn)偏口問題。化工離心泵實際應(yīng)用中存在振動力，一旦對中不良，將導致機械結(jié)構(gòu)出現(xiàn)部件分離，促使機械密封性能受到影響。介此，化工離心泵機械密封結(jié)構(gòu)設(shè)計中，避免產(chǎn)生對中不良的問題。同時，應(yīng)結(jié)合化工生產(chǎn)實際情況，對不良問題進行控制，減輕端面摩擦。

(4)人為因素

人為因素是導致化工離心泵機械密封失效的主觀原因之一。首先，設(shè)備運行操作過程中，人為失誤或違規(guī)操作將導致設(shè)備處于非正常運行狀態(tài)，最后促使離心泵出現(xiàn)故障，甚至造成核心構(gòu)件出現(xiàn)裂縫。其次，操作人員責任意識淡薄，例如：冷卻水供應(yīng)中，沒有依照規(guī)定定期檢查，易出現(xiàn)冷卻水不足的問題，從而影響設(shè)備運行問題，促使機械構(gòu)件高溫形變。

2.防止化工離心泵機械密封失效的對策

(1)防腐蝕措施

①基于影響因素視角的防腐蝕措施

根據(jù)化工離心泵腐蝕問題成因，金屬環(huán)的腐蝕大體分為兩類：其一為金屬環(huán)接觸面腐蝕，多呈均勻分布；其二為腐蝕與應(yīng)力同時作用在金屬環(huán)上，可引發(fā)金屬環(huán)破裂；非金屬環(huán)密封件的腐蝕包括石墨環(huán)腐蝕、石墨環(huán)在氧化作用下的腐蝕等；輔助密封圈的腐蝕包括橡膠特性等。

從選材視角分析，設(shè)備安裝者應(yīng)考慮工業(yè)生產(chǎn)情況，合理選用材料。應(yīng)關(guān)注環(huán)境、溫度、濃度、壓力、腐蝕性、腐蝕形式對離心泵機械密封性的影響，基于六大要素科學選材。同時，還需考慮選材的原則：其一，界定環(huán)境要素和選材的關(guān)系?；るx心泵密封裝置所處環(huán)境千差萬別，在不同環(huán)境下，構(gòu)件腐蝕情況存在差異。所以，選擇材料的過程中應(yīng)分析環(huán)境影響因素，根據(jù)化工生產(chǎn)條件與環(huán)境因素提高離心泵抗腐蝕性。其二，壓力、溫度、濃度與選材的關(guān)系。如果溫度和濃度要素相同，應(yīng)考慮壓力要素實際情況，安裝者需擇取適宜材料安裝。如果溫度要素相同，但濃度和壓力要素不同，需考慮兩種要素具體情況，安裝者應(yīng)選擇適宜的材料安裝。其三，腐蝕性與選材的關(guān)系。不同材料的構(gòu)造具有一定區(qū)別，自身附帶的抗腐蝕能力順應(yīng)變化，所以安裝者應(yīng)對所有材料腐蝕形式有充分了解。如此一來，安裝者可依照具體情況選擇最適宜的材料，避免化工離心泵出現(xiàn)滲漏問題。其四，腐蝕形式與選材的關(guān)系。由于材料特異性導致不同材料的抗腐蝕不同，其腐蝕形式存在差別。所以，化工離心泵安裝過程中應(yīng)根據(jù)材料表現(xiàn)出的腐蝕形式考慮材料是否符合化工生產(chǎn)需求。

②基于結(jié)構(gòu)設(shè)計的防腐蝕措施

在設(shè)計密封結(jié)構(gòu)時，需考慮后期防護工作。防護方式設(shè)計如下：其一，設(shè)計人員設(shè)計過程中應(yīng)注意密封結(jié)構(gòu)設(shè)計。為確保達到最優(yōu)設(shè)計效果，設(shè)計者應(yīng)結(jié)合特定密封方式。常規(guī)來講，密封方式可分為三種類型：外裝式密封、隔離液密封、內(nèi)裝式密封。設(shè)計過程中，需考慮保護套和涂層設(shè)計。其二，設(shè)計過程中應(yīng)關(guān)注端面設(shè)計。如果拉應(yīng)力和腐蝕同時作用在金屬環(huán)，其薄弱位置將產(chǎn)生裂縫。因此，為避免應(yīng)力和腐蝕同時作用在金屬環(huán)中，應(yīng)將端面設(shè)計為鑲嵌型結(jié)構(gòu)。

為避免化工離心泵機械密封功能失效，應(yīng)注重彈簧的合理設(shè)計。安裝階段，嚴禁將雜質(zhì)帶到端面。如果雜質(zhì)混入彈簧將降低彈簧功能。因此，為保證彈簧發(fā)揮的原本抗腐蝕能力，機械密封裝置設(shè)計過程中應(yīng)將介質(zhì)與彈簧分離，避免彈簧接觸介質(zhì)而發(fā)生腐蝕問題。通常來講，彈簧設(shè)計分為三類，其一是在彈簧外不噴涂保護層；其二在彈簧外部安裝保護套；其三將彈簧固定處理，將其改造為固定形態(tài)。避免彈簧發(fā)生旋轉(zhuǎn)位移。密封圈設(shè)計過程中，在縫隙寬度較小的情況下，所有材料均可遭受縫隙腐蝕。為避免密封圈受到腐蝕，應(yīng)將軸套和波紋管保持更寬的接觸面，取消二者間的密封圈。

③基于裝置維護的防腐蝕措施

針對機械密封裝置，應(yīng)關(guān)注防護與維護兩項工作。其中，維護工作重點關(guān)注密封液系統(tǒng)的建立，同時關(guān)注冷卻液注入。除此之外，安裝人員需結(jié)合不同系統(tǒng)科學分析液體更換問題，發(fā)揮密封液與冷卻液的作用，避免離心泵作業(yè)過程中溫度過高。安裝者應(yīng)定期更換系統(tǒng)內(nèi)部液體，避免液體更換間隔時間過長而影響系統(tǒng)功能。維修人員不可敲擊密封件，如果敲擊密封件將導致其形變。一旦密封件發(fā)生形變，腐蝕情況將進一步惡化。不論何種密封件，安裝者都應(yīng)將其擦拭干凈再進行安裝。擦拭過程中應(yīng)用柔軟紗布專用無塵紙擦拭，否則將刮花密封件表面，加大構(gòu)件運作過程中的摩擦系數(shù)。

(2)預防摩擦的措施

化工離心泵運行過程中會產(chǎn)生機械摩擦，如果機械摩擦過于嚴重將導致機械密封失效。介此，應(yīng)關(guān)注機械摩擦問題，降低構(gòu)件間的振動力。首先，合理選擇機械端面密封材料，重點考慮材料強度與耐磨性能，以此避免機械裂縫的產(chǎn)生。其次，定期對密封面進行檢修，如果發(fā)現(xiàn)密封端面粗糙度過大或平整度較差，應(yīng)及時更換，從源頭降低摩擦力。最后，化工離心泵安裝過程中，應(yīng)最大限度避免有關(guān)構(gòu)件表面黏附雜質(zhì)?；るx心泵運行時，摩擦是導致機械密封失效的主要原因，而離心泵運行時在眾多因素影響下不可避免的產(chǎn)生摩擦。所以，應(yīng)加強摩擦防范工作。除此之外，應(yīng)進一步加強設(shè)備運行中操作者行為規(guī)范，可對其進行專業(yè)培訓，提升操作人員綜合素養(yǎng)，健全機械密封維護保障體系。

(3)合理選擇密封形式，確保安裝精度

化工離心泵只有在確保安裝精度的基礎(chǔ)上，才能發(fā)揮最大功能及密封效果。其一，應(yīng)結(jié)合化工離心泵運行環(huán)境、溫度、壓力等工況參數(shù)，對機械密封形式科學選擇，確保設(shè)備密封性能。其二，對離心泵安裝施工質(zhì)量嚴格控制。在設(shè)備安裝時，有必要模擬實際運行狀態(tài)，可借助計算機技術(shù)仿真模擬。同時，加強設(shè)備維護管理工作，定期對設(shè)備質(zhì)量進行檢驗，避免設(shè)備運行過程中出現(xiàn)不良問題。其三，考慮到機械密封結(jié)構(gòu)中精密零件較多，在安裝作業(yè)中嚴格依照設(shè)備安裝工藝進行，提升安裝精度，保護精密部件，杜絕安裝過程中盲目操作。其四，推行化工離心泵常態(tài)化管理，加強日常管理工作，建立設(shè)備維護管理制度，對精密部件進行良好的管護。

(4)防范人為因素的措施

人為因素防范過程中需提高人員責任意識，約束人員行為，依照既定標準做好機械運行操作。同時，健全日常維護管理體系，建立崗位責任制，落實維護管理工作。此外，做好維護管理和機械操作培訓工作，增強操作人員業(yè)務(wù)操作能力。為從根本上提升人員積極性，需健全考核機制，將考核結(jié)果與晉升和薪酬待遇掛鉤，從內(nèi)而外的約束人員行為。

3.結(jié)束語

化工離心泵機械密封失效由多種因素導致，在化工生產(chǎn)中應(yīng)對機械密封失效原因進行深入分析，基于離心泵運行原理，探究機械密封失效形式?；どa(chǎn)中，應(yīng)健全離心泵維護體系，從防腐、防摩擦、確保安裝精度、約束人員行為等視角防止機械密封失效，確?；るx心泵穩(wěn)定運行。