淺析離心泵機械密封的失效原因及解決措施

景亞兵

（神華榆林能源化工有限公司，陜西 榆林 719000）

淺析離心泵機械密封的失效原因及解決措施

景亞兵

（神華榆林能源化工有限公司，陜西 榆林 719000）

文章通過介紹機械密封的工作原理和基本結構，重點對機械密封的失效原因進行了詳細的研究和分析，并提出了相應的解決措施和建議。

機械密封；失效；解決措施

隨著機械密封技術的快速發展，機械密封以其泄漏量少、工作可靠、適用范圍廣、使用壽命長等優勢，大量應用在離心泵的密封上。本文以我公司的一臺循環水泵和一個穩壓泵機械密封失效為例，針對機械密封在生產中出現的問題，通過認真研究、分析，總結出了密封的失效原因，并提出了相應的解決措施。

1 機械密封工作原理和基本結構

1.1 機械密封工作原理

機械密封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端面密封裝置，故又稱端面密封。工作原理是靠彈性元件和密封介質的壓力，在動環和靜環的接觸端面上產生適當的壓緊力，使這兩個接觸端面緊密貼合，在密封界面形成一微小間隙，當有壓介質通過此間隙時，形成極薄的液膜，造成阻力，阻止介質泄漏，從而達到密封的目的。

1.2 機械密封的基本結構

構成機械密封的基本組成：端面密封副、彈性元件、輔助密封、傳動件、防轉件和緊固件，如圖1。

圖1

機械密封基本元件的作用和要求如下。（1）端面密封副。端面密封副為動環和靜環，作用是使密封面緊密貼合，防止介質泄漏，從而實現密封效果。動環和靜環的材質要求具有良好的耐磨性能。（2）彈性元件。彈性元件包括波紋管、彈簧，它主要起預緊、補償和緩沖作用，要求始終保持足夠的彈性來克服輔助密封和傳動件的摩擦和動環等的慣性，保證端面密封副良好的貼合和動環的追隨性，材料要求具有良好的耐疲勞和耐腐蝕性能。（3）輔助密封。輔助密封包括V型圈、O型圈等，密封圈主要起靜環和動環的密封作用，同時還起到浮動和緩沖作用。密封圈材料要求其具有良好的耐寒性和耐熱性能。（4）傳動件。傳動件包括傳動銷、傳動環、傳動座、傳動鍵。它的作用是將軸的轉矩傳給動環。傳動件材質必須要有良好的耐腐蝕和耐磨性能，才能保證傳動件的性能。（5）緊固件。緊固件包括緊定螺釘、彈簧座、壓蓋、軸套。它的作用是給動環、靜環定位，緊固。要求軸向定位必須準確，保證一定的彈簧壓縮量，使密封副的密封面處于正確的位置并保持良好的貼合，達到最佳的密封效果。緊固件必須容易拆裝，且能重復使用。（6）防轉件。防轉件有防轉銷，它的作用是防止靜環轉動和脫出。要求有足夠的長度，防止靜環在負壓下脫出，并要求正確定位，防止靜環隨動環旋轉。

2 機械密封的特點

機械密封與常用填料密封對比，具有如下優點。（1）維修周期較長。軸或軸套磨損量很小，密封端面出現磨損后可通過彈簧自動補償，一般情況下使用達半年或一年以上才需維修。（2）密封效果好。機械密封在化工生產離心泵的運用中，特別是平穩運行過程中，泄漏的幾率很小。對于雙端面密封，更能達到零泄漏的要求。（3）使用壽命長。在化工類介質中通常可以達到半年以上，效果好的能達1年以上；介質為水時，使用壽命一般可達1年以上。（4）適用范圍廣。機械密封可以用于不同溫度、不同壓力、不同轉速的工況，也可以用于各種化工腐蝕介質等情況的密封。機械密封的缺點就是其結構特別復雜，制造精度要求高，價格比填料密封貴很多，對維修技術和安裝水平要求比較高。

3 機械密封失效原因分析

3.1 離心泵機械密封主要泄漏點

（1）動環與靜環之間，動環主要靠泵內液體壓力及彈簧力壓貼在靜環上，以阻止泄漏。（2）靜環與壓蓋之間，屬于靜密封點。（3）動環與軸（軸套）之間，動環可以沿軸向竄動。（4）泵蓋與壓蓋之間，也屬于靜密封點。（5）軸套與軸間的密封。

3.2 機械密封失效原因分析

我公司的一臺消防穩壓泵和一臺循環水泵密封均使用的是機械密封，自投入使用以來，多次出現故障，主要的故障現象為：（1）試生產過程中機封有外漏現象。（2）靜態試壓過程中機封密封液有泄漏現象。（3）運行過程中機封密封液有泄漏現象。

出現以上問題后，我們公司檢修人員對出現問題的四套機械密封進行了解體，情況如下：循環水泵機封、密封端面磨損嚴重，動環破裂；O型圈變形；密封表面結有水垢，軸及密封處有結垢現象，密封彈簧失去補償能力。穩壓泵機封、密封端面有磨損，靜環破裂。針對以上機械密封出現的問題和拆解的情況，我們從機封的設計方面、材質方面、安裝方面，以及使用方面進行了仔細的研究和分析，最后總結出了引起機械密封失效的原因主要為以下幾方面。

3.2.1 機封動、靜環材質問題

保證機封長期使用的首要條件是材料性能。若果出現材質匹配不合理的話，就會使密封端面磨損加劇，大大縮短機械密封的維護周期和使用壽命。密封端面材料匹配不合理，就會出現端面磨損加劇，機械密封產生振動，造成密封的過早磨損、燒傷、刮傷、破壞、開裂等后果，因此應重新選擇相匹配的端面材料組合。現在常用的動靜環材質，一般選用硬對硬的摩擦副，例如碳化硅、碳石墨等。

我公司循環水泵機械密封型號為8B-140，密封副動、靜環為碳化硅—碳化硅配對。其他同類循環水泵使用的機械密封型號也為8B-140，密封副動、靜環為碳化硅—碳化硅配對，自投運1年多未出現泄漏。通過對比，可以排除機封動、靜環在材質匹配上存在問題。

3.2.2 裝配不良引起的密封泄漏

由于安裝不良，機械密封加水或靜壓試驗時就會出現泄漏，引起機械密封失效。安裝方面存在的問題大致有以下幾點：（1）安裝時碰傷、損壞動、靜環接觸表面．（2）動、靜環密封圈損壞或安裝時未被壓緊。（3）動、靜環表面沒有清理干凈，有異物夾入。（4）軸與密封腔端面垂直度不夠。（5）由于密封圈壓緊力不夠或未安裝密封圈，引起軸套處泄漏。（6）多彈簧長短不一，單彈簧不垂直，引起彈簧力不均勻。

該臺泵機械密封共更換過四套。出現第一次泄漏后，就進行了拆解，發現舊密封拆解后發現密封面磨損嚴重，隨即更換了新密封。新密封安裝好后，密封試靜壓即出現嚴重泄漏，拆解后發現動環破裂，因為此時泵還沒有啟動，所以可以判斷此套機封是由于安裝不良導致密封面的損壞。第四套安裝時，由于沒有考慮軸串量問題，壓縮量沒調好，靜壓測試沒有問題，啟動就出現泄漏，拆檢發現動環破裂。針對此現象，判斷機封損壞原因為安裝機械密封時壓縮量過大，導致摩擦間隙端面嚴重磨損、擦傷，從而引起的動環破裂，密封失效。以上現象是典型的由于安裝不良導致的密封故障。

3.2.3 設計不合理

由于設計不合理也會引起機械密封的泄漏，其常見的原因有以下幾方面。一是密封端面平面度不良，造成端面接觸不良，無法達到密封效果。二是密封端面設計不合理。如果端面寬度設計太寬，會增大端面摩擦，使動環和靜環端面磨損加劇，引起泄漏；如果端面寬度設計太小，不易形成液膜，同樣會引起密封泄漏。三是密封彈簧壓力不當。彈簧壓力過大時，會產生大量的摩擦熱量，加劇密封端面的磨損，同時使密封面熱變形；彈簧壓力過小時，動靜環端面比壓不足，導致動、靜環不能很好地貼合，造成封液快速泄漏，進而導致密封端面處于干摩擦狀態，造成密封端面損壞。從日常的巡檢情況分析，結合損壞密封的拆解情況，可以排除設計不當的原因。

3.2.4 機封振動偏大

振動偏大的原因一般不是機械密封本身引起的，產生振動的根源常常是由于泵的其他零部件損壞引起的，如泵軸設計不合理、加工精度不夠、軸承損壞、口環磨損、工況不穩定等原因。由于泵振動異常引起了機械密封的振動偏大，最終引起動、靜密封端面不平行、間隙變大等，導致機械密封失去密封效果。

通過對穩壓泵的拆檢，發現以下問題。（1）葉輪口環與殼體口環間隙最大為5．4mm。口環間隙過大液體產生渦流，并破壞軸向平衡力，導致振動偏大。（2）支撐軸承內徑與軸徑之間間隙為0．10mm，且軸表面有損傷。說明軸承與軸的配合間隙大，造成軸承與配合軸面之間產生相對運動，使軸承溫度升高、振動。（3）軸承箱安裝軸承處與軸承外圓間隙過大，來回晃動。（4）地腳螺絲與殼體地腳螺絲孔不同心，螺絲旋緊后對殼體產生應力引發振動。

3.2.5 泵汽蝕的原因

在化工裝置中，泵的汽蝕現象很常見。常見的是由于操作不合理以及泵進口汽蝕性能不好，在泵的入口處發生局部汽蝕，汽蝕發生后，介質中的氣泡會沖擊葉輪入口處，使其表面出現破損；同時也會使動靜環密封面間的液膜因為沖擊振動不能形成穩定的流動液膜，造成動靜環的密封面干摩擦，使機械密封端面損壞。從日常的巡檢情況分析，結合損壞密封的拆解情況，可以排除泵汽蝕的原因。

3.2.6 使用不當

（1）泵啟動前未盤車。這種現象通常是由于長期停車后，密封面粘合在一起，啟動時，過大的驅動扭矩通過驅動銷將靜環損壞，從而導致密封失效。（2）干運轉導致。發生干運轉的原因一般都是泵啟動前沒有投密封液或密封液量不足。在密封端面干摩擦情況下，密封端面之間的摩擦系數很大，會引起由于驅動扭矩過大而導致密封端面破裂的情況。（3）操作中，當發生泵氣蝕、憋壓、抽空等異常狀況時，往往會產生較大的軸向力，使動、靜環接觸面不能很好地貼合，引起密封的失效。（4）工作介質中有顆粒物，進人到密封端面間隙，損傷動、靜環密封端面。

4 解決措施和建議

通過對我公司循環水泵、消防穩壓泵機械密封失效原因的分析，有針對性的提出了解決措施，并進行了整改。

4.1 安裝不良解決措施

由于機械密封結構復雜，制造、安裝精度要求高，現場缺少必要的工裝及檢測手段，對于集裝式機械密封，建議損壞的機封應盡量發回生產廠家進行維修，以避免由于裝配不良導致機封損壞。對于非集裝式機封的安裝，嚴格按照機械密封的安裝和技術要求來執行，保證機械密封的檢修成功率，防止二次維修。

密封安裝注意事項：（1）檢查新密封端面、O型圈等有無傷痕、缺損現象。（2）檢查與密封圈相接觸的軸或軸套表面的質量，若發現有異常現象，則必須更換或修理后再使用。（3）安裝各部分零部件時，為了防止端面變形及端面損壞，必須緩慢、均勻的用力。（4）在裝配時要確定合理的壓縮量，一般以彈簧總壓縮量的1/2為宜，壓縮量定完之后即將動環在軸上鎖緊。（5）在緊固壓蓋前，要確認軸與殼體的同心度符合要求。緊固機封壓蓋時，應先對角預緊，以防止機封壓偏。（6）安裝完成后，應手動盤車檢查壓蓋、靜環與軸有無摩擦，盤車時應感覺均勻、輕快為合格。

4.2 振動偏大解決措施

通過對穩壓泵拆檢發現的問題及原因分析，進行了一系列整改措施，最終解決了振動的問題。檢修完成后，試車運行狀態良好，機械密封無泄漏，振動最大值為3．2mm/s，軸承溫度27℃，符合設計要求，最大程度的保護了機械密封的安全運行。

具體整改措施如下：（1）重新加工口環，口環安裝間隙為0．40mm。（2）重新加工了一根新軸，安裝新軸承，保證了軸承與軸的安裝配合精度。（3）對軸承箱缺陷部位進行了噴鍍，使軸承安裝符合要求。（4）將殼體地腳螺栓孔銑大，使地腳螺栓在孔內呈自由狀態，消除了地腳螺栓旋緊后對殼體產生的應力。（5）加強巡檢人員的技術培訓，加強設備巡檢，及時發現問題，及時處理，避免小隱患造成大事故的現象發生。

4.3 使用不當解決措施

針對裝置出現的機封泄漏現象進行了機械密封的解體，分析出了密封失效原因，為此針對相應的問題采取了相應的措施。（1）正常啟動：首先打開泵的入口閥，泵腔內引入介質，在靜壓狀態下檢查密封情況，確認有無泄漏；如果靜壓狀態下無泄漏，可緩慢轉動泵軸盤車，檢查密封情況。如果出現大的泄漏情況，則可能是因為密封安裝時出現問題，應馬上進行拆解，仔細查找原因，找出原因并及時解決問題后重新安裝機械密封；如果未出現泄漏，即可啟泵。如果剛啟動時出現微小的滲漏，可觀察使用，若滲漏逐漸變小則可正常使用，而滲漏不斷增大則說明有安裝問題或密封本體有問題，應立即停泵，拆解查找原因，找到原因后重新安裝機封。（2）長時間停車后，再次啟動設備前，應對設備進行手動盤車。（3）加強設備狀況監控，如泵的振動、密封液壓力、流量等，防止由于泵振動過大、密封液流量過小等使密封失效。（4）做好日常巡檢工作記錄，記錄設備運行是否正常、記錄密封液流量、壓力等，這些都是判斷機械密封失效原因的重要依據。

5 結語

本文通過對神華榆林能源化工有限公司的一臺循環水泵和一臺消防穩壓泵機械密封失效的情況進行深刻研究和原因分析，提出了相應的解決措施和建議，可減少密封失效的情況，提高機械密封的使用壽命，降低維修費用，從而保證機械密封穩定運行，保證生產設備、生產裝置的安全、平穩、長周期運行。

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1671-0711（2017）08（下）-0052-03