影響泵用機械密封外部條件的研究

摘要：通過對石油化工生產中泵用機械密封裝置的工作原理和在實際應用中出現故障的統計分析， 發現影響泵用機械密封實際密封效果的因素不但與機械密封的設計和制造有關，更重要的是在使用和維護環節，企業維護人員的技術水平和企業的管理水平作為影響泵用機械密封的外部條件對機械密封的正常工作具有重要影響。

關鍵詞：離心泵 機械密封 故障分析

1 概述

隨著機械密封技術的不斷發展，工業泵采用的密封裝置正由傳統的填料密封向性能可靠、泄漏量少、使用壽命長、功耗低、無需經常檢修的機械密封轉變。尤其是在石油化工領域內，因處理的介質具有易燃、易爆、易揮發、劇毒等特性，一旦出現泄漏，將嚴重影響生產正常進行，所以，石油化工生產用泵的密封多數采用機械密封裝置。

經對國內、外離心泵故障的統計分析發現，機械密封故障仍占其中的50%～70%，而機械密封故障中絕大多數屬于事故性故障，事故性故障是指一個或幾個密封零件沒達到預期的使用壽命便喪失了使用功能，造成整個裝置泄漏量超過了允許值。實踐證明，故障分析是技術改進和減少故障的一種行之有效的科學手段。在評定泵用機械密封優劣時，采用的主要指標為泄漏量、使用壽命和可靠性，這些指標貫穿在機械密封的設計、制造、選型、安裝及使用管理等環節。由于流體機械的可靠性主要取決于密封裝置，因此，提高密封裝置的可靠性可大大減少離心泵的故障率。經統計分析，除了密封設計、制造的原因外，超過50%的失效都是用戶使用不當或維護不及時造成的。

人們在進行故障分析時，通常習慣于把故障原因放在機械密封裝置本身，很少有人在機械密封安裝、使用等外部條件方面去查找原因。本文作者將通過分析影響石化行業泵用機械密封效果的幾種外部因素，提出提高密封裝置運行可靠性和運行周期的建議。

2 機械密封裝置的工作原理

機械密封也稱端面密封，整個裝置至少有一對垂直于旋轉軸線的端面，隨軸旋轉的動環端面在流體壓力及補償機構的外彈力(或磁力)作用下，并配以輔助密封與另一固定在端蓋上的靜環端面保持貼合并作旋轉式相對滑動而達到阻止流體泄漏的軸封裝置。兩個緊密貼合的密封端面之間存在一微小間隙，當具有一定壓力介質通過此間隙時，會形成一層極薄的液膜，該液膜的阻力阻止介質泄露，且使端面得到潤滑。典型機械密封結構見圖1。

機械密封裝置主要由以下四大部分組成：①由靜環和動環組成的一對或幾對密封端面，有時稱密封端面為摩擦副；②以彈性元件（或磁性元件）為主的補償緩沖機構；③輔助密封圈；④保證動環和軸一起旋轉的傳動機構。

生產實際中，泵用機械密封裝置流體可能泄漏的途徑有以下幾處：①端面摩擦副的密封面處泄漏。這是決定機械密封裝置摩擦性能和密封性能的關鍵部位，也是決定機械密封裝置工作壽命的關鍵所在，因此，對接觸端面的要求應給與高度重視。由于動環與靜環端面作旋轉式相對滑動的動密封，對密封端面的加工要求很高，其平面度為0.0009mm，硬環表面粗糙度Ra≤0.1μm，軟環表面粗糙度Ra≤0.2μm。為了使密封端面間保持必要的潤滑油膜，必須嚴格控制端面上的單位面積壓緊力。端面上單位壓力過大，不易形成穩定的潤滑液膜，會加速端面的磨損；端面上單位壓力過小，泄漏量會增加。所以，要獲得良好的密封性能和較長的壽命，在安裝機械密封時，一定要保持端面單位壓力值在最適當的范圍內。②靜環與壓蓋的輔助密封件處泄漏和動環與軸（或軸套）的輔助密封件處泄漏。這兩處是輔助密封面，靜環與壓蓋間的密封屬靜密封，端面磨損時，動環僅能沿軸向作微量的移動，此處仍可看作是一個相對靜密封。工程實際中，動環的追隨性是此處輔助密封的關鍵，因此，動環與軸（或軸套）密封面，特別應防止銹蝕、水垢或化學反應物料堆積而造成的動環卡死現象。③壓蓋與密封箱體之間靜密封和軸套與軸的靜密封。這兩處均為靜密封，可根據密封介質選用相容的材料。另外，動環采用鑲嵌結構也可能在配合處泄漏。

通過機械密封裝置工作原理可以看出，機械密封裝置正常運行應滿足以下基本條件：首先，動靜環端面應保持良好的潤滑和散熱，防止端面熱變形、熱裂、泡疤、炭化等現象發生；其次，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；另外，泵軸不能有太大的撓度，泵的振動應在規定范圍之內，否則密封端面比壓會不均勻。只有滿足以上的外部基本條件，再加上良好的機械密封裝置自身性能，才能達到理想的密封效果。

3 離心泵運行時機械密封故障及分析

機械密封裝置發生泄漏主要有以下四種情況：一是加水或靜壓試驗時發生泄漏；二是安裝后、運轉時產生周期性泄漏；三是經常性泄漏；四是突發性泄漏。

對機械密封靜壓試驗時發生泄漏故障，經統計分析，其原因是由于檢修、安裝未達到標準要求。主要有以下幾種現象存在：①動、靜環接觸表面不平，安裝時碰傷、損壞。②動、靜環密封圈尺寸有誤、損壞或未被壓緊。③動、靜環表面有異物。④動、靜環V形密封圈方向裝反，或安裝時反邊。⑤緊定螺釘未擰緊，彈簧座后退。⑥密封圈未裝或壓緊力不夠，造成軸套處泄漏。⑦彈簧力不均勻，單彈簧不垂直，多彈簧長短不一或個數少；密封腔端面與軸垂直度不夠。⑧靜環壓緊不均勻。

安裝后、運轉時產生周期性泄漏，經統計分析發現，運轉中如泵葉輪軸向竄動量超過標準，轉軸發生周期性振動，工藝操作不穩定及密封腔內壓力經常變化均是導致機械密封周期性泄漏的原因。

機械密封發生泄漏現象的原因主要有以下幾種：①動、靜環接觸端面比壓過大，摩擦熱引起動、靜環的熱變形。②安裝時零件受力不勻等，造成密封端面發生變形。③彈簧比壓過小。④動、靜環密封面對軸線不垂直，誤差過大。⑤轉軸振動。⑥動、靜環與軸套間形成水垢不能補償磨損位移。⑦安裝密封圈處軸套部位有溝槽或凹坑腐蝕。⑧動環浮動性差。⑨輔助裝置有問題。

對機械密封突發性泄漏現象，經統計分析，其原因主要有以下幾種：①泵強烈振動、抽空破壞了摩擦副。②彈簧斷裂。③防轉銷脫落或傳動銷折斷而失去作用。④輔助裝置出現故障，使動、靜環冷熱驟變導致密封面變形或產生裂紋。⑤由于溫度變化，摩擦副周圍介質發生冷凝、結晶影響密封。⑥停泵一段時間再開動時發生泄漏。這是由于摩擦副附近介質的凝固、結晶，摩擦副上有水垢；彈簧銹蝕、堵塞而喪失彈性，均可引起泵重新開動時發生泄漏。

4 機械密封故障防治措施

從前面對離心泵運轉時機械密封故障及統計分析，可以看出，除了密封設計、制造工藝本身的原因外，大部分失效原因都是由于用戶使用不當或維護不到位造成的。以下就離心泵運行中常見的故障給出防治措施和解決方案。

機械密封裝置是泵的一個重要部件，泵的安裝及運轉情況無疑要對密封產生一定的影響。一臺振動很大的泵，密封壽命和泄漏量不可能正常，密封的可靠性明顯下降。此外，軸串量、密封箱端面和軸的垂直度、壓蓋和密封箱止口間隙、泵蓋和泵體的止口間隙、軸套和徑向跳動等，這些部位的尺寸超標，對密封性都會產生影響。僅僅提高密封本身的安裝精度是很不夠的，必須全面提高泵的安裝質量（包括密封）才能達到預期的密封目的。

4.1 滿足泵安裝的基本要求

4.1.1 轉子部分。為使轉子平衡和運轉中不至于產生較大的振動，安裝時應注意做到以下幾點。

①軸的徑向跳動最大不超過0.03～0.05mm。轉子的徑向跳動分別為，葉輪口環不超過0.06～0.10mm，軸套等部位不超過0.04～0.065mm（小直徑對應較小值，大直徑對應較大值）。見圖2 軸彎曲的測量及曲線圖。

②葉輪應找靜平衡。在3000r/min工作的葉輪不平衡量不得大于以下規定。

③屬于下列情況之一者還要檢查轉子的動平衡。

單級泵的葉輪直徑超過300mm時；兩級泵的葉輪直徑超過250mm時。

④對于彈性柱銷式及其他用鑄鐵制造的聯軸器，當直徑超過￠125mm，總長度超過300mm時也需進行動平衡校驗。

4.1.2 各部件的相對位置公差。密封箱與軸的同軸度0.10mm；密封箱與軸的垂直度0.05mm；轉子的軸向串量0.30mm；壓蓋與密封箱配合止口同軸度0.10mm。

4.1.3 與電機的同心度。電機單獨運轉時其振幅不超過0.03mm；工作溫度下泵與電機的同心度，軸向0.08mm；徑向0.10mm；立式泵采用的剛性聯軸器同心度，軸向0.04mm；徑向0.05mm。

4.1.4 泵運轉時雙振恒值最大不超過0.06mm。

4.2 減小泵軸竄量

合理地設計軸向力的平衡裝置，減小泵軸竄量消除軸向竄量。為了滿足這一要求，對于多級離心泵，比較理想的設計方案有兩個:一個是平衡盤加軸向止推軸承，由平衡盤平衡軸向力，由軸向止推軸承對泵軸進行軸向限位；另一個是平衡鼓加軸向止推軸承，由平衡鼓平衡掉大部分軸向力，剩余的軸向力由止推軸承承擔，同時軸向止推軸承對泵軸進行軸向限位。第二種方案的關鍵是合理地設計平衡鼓， 使之能夠真正平衡掉大部分軸向力。對于其它單級泵、中開泵等產品，在設計時采取一些措施保證泵軸的竄量在機械密封所要求的范圍之內。

4.3 增加輔助沖洗系統

在條件允許的情況下，盡量設計輔助沖洗系統。沖洗壓力一般要求高于密封腔壓力0.107～0.11MPa，如果輸送介質屬于易汽化的， 則應高于汽化壓力0.1175～0.12MPa。密封腔壓力要根據每種泵的結構型式、系統壓力等因素來計算。軸封腔壓力很高時或者壓力幾乎接近該密封使用最高極限時，也可由密封腔引液體至低壓區，使軸封液體流動以帶走摩擦熱。

5 結論

通過對泵用機械密封的工作原理及結構分析，結合對生產實際中泵用機械密封裝置故障的分析統計，我們發現，影響時機械密封可靠性的因素不僅與機械密封裝置的設計和制造有關，更重要的是要考慮機械密封裝置的安裝、維護和保養等外部的各種影響因素。統計并分析離心泵運行時的機械密封故障，其中絕大多數出現在安裝與維護過程中，由于安裝未達到技術要求，使得機械密封裝置的運行周期大大降低。對天津石化運行泵的故障統計分析，其泵用機械密封裝置的正常運行周期高于國內同類用泵的平均值，其原因與天津石化長期以來重視職工專業技能培訓工作分不開，職工理論水平的提高和熟練掌握國內、外設備的設計和結構對泵用機械密封裝置的維護，保障其長期安全、正常運行具有重要意義。

參考文獻：

[1]化工密封技術，胡國楨，石流，閻家賓.化學工業出版社，1990.

[2]流體動密封，上冊，顧永泉，中國石化出版社，1990.

[3]機泵維修鉗工，中國石油化工集團公司人事部，中國石化出版社，2011.

[4]實用機械密封技術問答，王汝美，中國石化出版社，2009.