化工機械密封的故障原因與解決措施

姚輝波

（淄博職業學院，淄博 255314）

化工機械密封的故障原因與解決措施

姚輝波

（淄博職業學院，淄博 255314）

Failure reason and resolvent of chemical mechanical face seal

YAO Hui-bo

機械密封作為一種重要的軸封裝置，廣泛應用于各工業領域。欲使密封具有良好的性能，則必須做到受載后的動、靜環密封端面間保持平行或近似平行的幾何形狀。然而，密封環在外部機械力的作用下，將產生變形。因此，機械密封動、靜環端面力變形準確的分析和計算對于設計、制造出性能優良的機械密封產品是至關重要的。

化工；機械密封；故障；解決措施

0 引言

化工機械源于化學工業，通常是指化工生產中為了將原料加工成一定規格的成品，在原料預處理、化學反應以及反應產物的分離和精制等一系列化工過程所用到的機械。化工機械密封的可靠性和使用壽命不僅取決于環境和運行工況，還取決于對故障的診斷和處理。本文總結了化工機械密封中常見的滲漏原因，并提出解決的具體措施。

機械密封是一種先進的動密封產品，它指由至少一對垂直于旋轉軸線的端面在流體壓力和補償機構彈力（或磁力）的作用下以及輔助密封的配合下保持貼合并相對滑動而構成的防止流體泄漏的裝置。多用于動密封部位，是因為與填料密封相比其具有密封效果好，不磨損轉軸，使用壽命長，消耗功率小等優點。特別是在一些工作環境比較惡劣的場合，一般的密封產品是無法勝任的。時至今口，機械密封以其綜合優良的使用性能已在諸多重要工業領域如石化、石油、化工等得到廣泛應用。

1 機械密封的概述

1.1 機械密封的定義和組成

機械密封簡稱為“機封”，是一種先進的動密封產品，機械密封也稱端面密封，主要用于泵、壓縮機、液壓傳動和其他類似設備的旋轉軸的密封。機械密封是指由至少一對垂直于旋轉軸線的端面在流體壓力和補償機構彈力（或磁力）的作用下以及輔助密封的配合下保持貼合并相對滑動而構成的防止流體泄漏的裝置（如圖1所示）。在輕型密封中，還有使用橡膠波紋管作輔助密封的，橡膠波紋管彈力有限，一般需要輔以彈簧來滿足加載彈力。

圖1 機械密封結構示意圖

隨著新型密封材料的不斷涌現、精密加工技術的不斷進步以及計算機技術的廣泛應用，機械密封在密封理論、密封結構、密封工作性能等方面都得以迅速拓展、豐富、完善和提高，具體體現在以下幾個方面：

密封理論：主要涉及密封機理、密封摩擦副的摩擦與潤滑、密封動靜環的熱力變形分析、動力學特性、流體動壓潤滑理論、流體靜壓潤滑理論、熱彈性流體動壓潤滑理論等。

密封結構：由最初的單端面密封發展到雙端面密封和多端面密封、平衡型和非平衡型、靜止式和旋轉式、單彈簧和多彈簧、內流式和外流式、內裝式和外裝式、接觸式和非接觸式、集裝式、剖分式、浮動式、組合式、波紋管式、刃邊密封等。

密封工作性能：由最早單純地追求減少泄漏量向實現零泄漏、零逸出、長壽命、低功耗、無污染等方面發展。

主要有以下四類部件組成了機械密封系統：a.主要密封件：動環和靜環。b.輔助密封件：密封圈。c.壓緊件：彈簧、推環。d.傳動件：彈箕座及鍵或固定螺。

1.2 機械密封的分類

機械密封可按照不同的標準分類。按彈簧元件旋轉或靜止可分為旋轉型和靜止型。旋轉型密封在高速運轉時，介質中的彈簧本身受離心力影響容易變形，強腐蝕性介質在彈簧的強烈攪動下更為不利，而靜止型則無這種缺點。由于它們是機械密封中最主要的零配件,其性能好壞直接關系到密封效果和壽命，因此，對密封環的材料、結構、形狀、尺寸以及表面加工質量等都有較高的要求（表面加工精度如表1所示)。按密封介質泄漏方向可分為內流失和外流式。按介質在端面引起的卸載情況可分為平衡式和非平衡式。按靜環位于密封端面內側或外側可分為內裝式和外裝式。按密封腔溫度分類：高、中、普、低溫密封。按密封腔壓力分離：超高、高、中、低壓機械密封。按彈簧的個數可分為單彈簧式和多彈簧式。按非接觸式機械密封結構分類流體靜壓式、流體動壓式、干氣密封式。按密封端面的對數可分為單端面和雙端面。按彈性元件分類彈簧壓縮式和波紋管式。

表1 摩擦環端面粗糙度值

2 化工機械密封故障的主要原因

機械密封一般為內裝式，常常需根據經驗、現場觀察及儀器測量分析來確定密封泄漏的原因。首先，弄清受損傷的密封件對密封性能的影響，然后依次對密封環、傳動件、加載彈性元件、輔助密封圈、防轉機構、緊固螺釘等仔細檢查磨損痕跡。對附屬件及密封系統等也應進行全面的檢查。

圖2 靜止環示意圖

圖3 旋轉環示意圖

2.1 安裝不良造成的機械密封泄露

操作中，由于抽空、氣蝕、憋壓等異常現象產生較大的軸向力，使動靜環接觸面分離；動環密封圈過緊，彈簧無法調整動環的軸向浮動量；對安裝機械密封時壓縮量過大，導致摩擦副端面嚴重磨損、擦傷；靜環密封圈過松，當動環軸向浮動時，靜環脫離靜環座；設計選型有誤，密封端面比壓偏低或密封材質冷壓縮較大等；工作介質中有顆粒狀物質，運轉中進入摩擦副端面，探傷動靜環密封端面。

2.2 過熱損傷造成的機械密封泄露

過熱不僅引起密封副變形產生磨損,還可能引起熱裂和皰疤。通常,在過大的熱應力作用下密封環表面上出現徑向裂紋, 稱為熱裂。在短時間的機械負荷或熱負荷作用下會出現熱裂,例如由于干摩擦、冷卻系統中斷等熱裂時密封環磨損加劇泄漏量迅速增長。對于平衡型密封, 甚至密封環分開。為了避免熱裂,必須掌握材料的機械－物理性能,在設計時考慮到可能產生熱裂,并給定運轉條件。介質潤滑性差、過載、操作溫度高、線速度高、配對材料組合不當等因素,或者是以上幾種因素的疊加,都可以產生過大的摩擦熱,若摩擦熱不能及時散發,就會產生熱裂紋,從而引起泄漏。

2.3 長期磨損造成的機械密封泄露

機械磨損將引起密封副的正常配合關系被破壞,當端面出現一定的磨損,傳動軸每轉一轉密封件都要作軸向位移和徑向擺動。根據磨損痕跡可以判斷運動和磨損情況,也可以確定密封泄漏的原因。例如,密封副磨損痕跡均勻,各零件的配合良好,這就說明傳動部分的同軸度良好。這時密封端面產生的泄漏,可能不是由密封本身問題引起的。若泄漏量為常數,就意味著泄漏不是發生在兩端面之間,有可能發生在其他部位上, 如靜密封處。再如,密封開始使用時就泄漏,且觀察不到摩擦端面磨損痕跡,可能是旋轉環相對于靜止環不旋轉或打滑, 其原因可能是防轉銷松脫或折斷,或是底座的孔徑小于密封件的外徑,由于安裝不到位所致。

2.4 化學腐蝕造成的機械密封泄露

由于密封接觸腐蝕性介質就會產生表面腐蝕，甚至在表面各處產生劇烈腐蝕點而形成點蝕。在金屬的晶界上產生的晶間腐蝕，會深入到金屬的內部，并進一步破壞而引起斷裂。腐蝕的性能影響很大。由于密封件比主機的零件小，而且更精密,通常要選用比主機更耐腐蝕的材料。經驗表明，壓力、溫度和滑動速度都能使腐蝕加速。密封件的腐蝕率隨溫度升高呈指數規律增加。處理強腐蝕流體時，采用雙端面密封，可以最大限度減輕腐蝕對密封件的影響，因為它與工藝流體相接觸的零件數量少。這也是在強腐蝕條件下，選擇密封結構的一條最重要的原則。

2.5 密封零件失效造成的機械密封泄露

機械密封零件失效大部分是輔助密封圈失效，機械密封由于泄漏而不能正常工作的一個主要原因也是因為O形圈失效引起的。O形圈失效的表現為老化、永久性變形、溶脹變形、扭曲及擠出損傷。因此,在選用O形圈時應考慮合成橡膠的安全使用溫度,盡可能地選用截面較大的橡膠O形圈，適當提高硬度，采用溝槽式的裝配結構, 通過沉浸試驗合理選材，必要時選用復合材料，如橡膠包覆聚四氟乙烯密封圈。

3 機械密封泄漏問題對策

機械密封是由于密封端面間存在著端面膜而起到密封作用，而端面膜的形態又決定了密封的效果。由于工況的不同，機械密封端面間存在著液相、氣相與氣液混相等三種形式的端面膜。端面膜存在著不同形態的原因是被密封液體接近飽和狀態時，出現沸騰或閃蒸，即發生相變。而端面膜一旦發生相變，膜的反壓力就會發生較大變化，從而導致端面貼合不穩定。所以解決問題的關鍵是如何保證機械密封的端面膜為穩定膜。很顯然，要確保端面膜為穩定膜，只需確保端面膜不發生相變或雖發生相變但不破壞端面的貼合。基于以上原因的分析，機械密封設計和造型一定要結合生產實際情況，盡量選用密封可靠、壽命較長的摩擦副材料及靜密封圈材料。本文對機械密封的泄漏和解決措施總結分析如下。

3.1 周期性滲漏

泵轉子軸向竄動量大，輔助密封與軸的過盈量大，動環不能在軸上靈活移動。在泵翻轉，動、靜環磨損后，得不到補償位移。解決措施：在裝配機械密封時，軸的軸向竄動量應小于0.1mm，輔助密封與軸的過盈量應適中，在保證徑向密封的同時， 動環裝配后保證能在軸上靈活移動(把動環壓向彈簧能自由地彈回來)。密封面潤滑油量不足引起干摩擦或拉毛密封端面。解決措施：油室腔內潤滑油面高度應加到高于動、靜環密封面。轉子周期性振動。原因是定子與上、下端蓋未對中或葉輪和主軸不平衡，汽蝕或軸承損壞(磨損)，這種情況會縮短密封壽命和產生滲漏。解決措施：可根據維修標準來糾正上述問題。

3.2 小型潛污泵機封滲漏

7.5kW以下小泵機封失效常常產生磨軸，磨軸位置主要有以下幾個：動環輔助密封圈處、靜環位置、少數彈簧有磨軸現象。

磨軸的主要原因：1）雙端面機械密封，反壓狀態是不良的工作狀態，介質中的顆粒、雜質很容易進入密封面，使密封失效。2）磨軸的主要件為橡膠波紋管，且是由于上端密封面處于不良潤滑狀態，動靜環之間的摩擦力矩大于橡膠波紋管與軸之間的傳遞轉矩，發生相對轉動。3）動、靜環輔助密封由于受到污水中的弱酸、弱堿的腐蝕，橡膠件已無彈性。有的已腐爛，失去了應有的功能，產生了磨軸的現象。為解決以上問題，現采取如下措施：1）保證下端蓋、油室的清潔度，對不清潔的潤滑油禁止裝配。2）機封油室腔內油面線應高于動靜環密封面。3）根據不同的使用介質選用不同結構的機封。對高揚程泵應重新設計機封結構，對腐蝕性介質橡膠應選用耐弱酸、弱堿的氟橡膠，機封靜環應加防轉銷。

3.3 由于壓力產生的滲漏

高壓和壓力波造成的機械密封滲漏由于彈簧比壓力及總比壓設計過大和密封腔內壓力超過3 M P a 時，會使密封端面比壓過大，液膜難以形成，密封端面磨損嚴重，發熱量增多，造成密封面熱變形。解決措施：在裝配機封時，彈簧壓縮量一定要按規定進行， 不允許有過大或過小的現象，高壓條件下的機械密封應采取措施。為使端面受力合理，盡量減小變形，可采用硬質合金、陶瓷等耐壓強度高的材料，并加強冷卻的潤滑措施。真空狀態運行造成的機械密封滲漏泵在起動、停機過程中，由于泵進口堵塞，抽送介質中含有氣體等原因，有可能使密封腔出現負壓，密封腔內若是負壓，會引起密封端面干摩擦，內裝式機械密封會產生漏氣( 水)現象，真空密封與正壓密封的不同點在于密封對象的方向性差異，而且機械密封也有其某一方向的適應性。解決措施：采用雙端面機械密封，這樣有助于改善潤滑條件，提高密封性能。

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1009-0134(2010)06-0159-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.06.52

2010-03-24

姚輝波（1963－）男，山東巨野人，副教授，碩士，研究方向為機械。