影響機械密封因素的研究

冀向陽 孫晗 劉宇

摘 要：機械密封的生命期定義中指出，其包括機械密封的設計、機械密封的制造、機械密封墊使用和維護、機械密封的失效四個部分。只有仔細全面地查找使機械密封產生失效的影響因素，才能夠減低機械密封產生失效的可能性。因此，找到機械密封產生失效的因素集合就成為了最重要的任務之一。通過研究大量的失效樣本，產生失效的影響因素、具體出現的次數以及失效因素的階段屬性被分析出來了，最終確認了失效的樣本和三個生命階段的關聯性大小，并對影響的機制進行了分析，研究的成果提高了機械密封的生命期。

關鍵詞：機械密封；影響的因素；失效；影響的機制

引言

對于大量的旋轉機械，機械密封被作為其最重要的部分之一，如果機械密封一旦失效，那么機械設備必須停機進行維修，情況嚴重的會使機械設備毀損或者造成重大的事故。僅僅把目光局限在一個研究樣本上，機械密封的失效原因是多種多樣的，但是隨著研究樣本的增多，產生失效的因素集合就很容易被挖掘出來。找出機械密封的失效因素集合可以促進機械密封在生命期的質量的含義形成，改善其在生命期的質量問題，還可以幫助人們迅速找到失效的原因。

一、影響機械密封出現不好因素的區別與聯系

機械密封的生命期定義指出，其可以分為機械密封的設計、機械密封的制造、機械密封的使用和維護、機械密封的失效四個重要階段。產生失效的情況多種多樣，有單一因素導致的，也有一個或者是多個階段結合共同導致的。課題收集了108個樣本進行研究統計數據分析，結果表明，108個樣本中產生失效和三個階段密切相關，關聯性最強的是設計，其次是使用，再次是制造，關聯性最強的設計達到88.9%。

二、生命期的各個階段的影響因素

（一）機械密封的設計階段

在108個樣本中，有多達四十項的影響因素是屬于機械密封的設計階段。其中前十三項的影響次數高達一百六十九項次，占到了總項次的百分之八十，在剩余的影響因素中，影響項次最多的是端面的比壓不適當，其次是密封件的選材不合適，再次是密封的端面和動靜環的磨損，以及彈簧的失效等等。

1.端面的比壓因素

端面的比壓與機械機密的端面所含有的液膜相關，如果端面的比壓值較大，則機械產生的摩擦熱可以使液膜慢慢蒸發完，導致機械磨損嚴重；如果端面的比壓值較小，那么機械密封很容易泄漏而導致失效。選擇端面比壓受到機械密封的形式、受摩擦的狀態以及運送介質的相態的影響。比較容易揮發的介質，端面的比壓值太小是不行的，太小容易使得端面之間存在的介質產生汽化現象。

2.密封件的影響

摩擦副的密封面配對材料根據需要被密封的介質特性進行選擇，摩擦副的密封面配對材料是影響機械密封性能的直接因素。輔助的密封圈具有較好的彈性可以保證機械密封的性能，同時密封圈的材料也要根據需要被密封的介質性質選擇。

某一艘船是采用離心泵工作，其摩擦副的密封面配對材料使用硬質的碳石墨合金和硬質的青銅合金，因為海水中含有泥沙等等其他的顆粒性的介質，然而這兩種摩擦副的密封面配對材料不耐顆粒的磨損，所以有人將其改為硬質合金，雖然使用起來較理想，但是泵是間歇運作的，偶爾會有長時間的停機，硬質合金就會有咬合卡死的狀態，導致密封面產生拉傷，從而使密封性能失效。經研究，選取鎳基的硬質合金和碳化硅進行配對之后，作用效果明顯改善。

3.密封的端面和動靜環的影響

密封的端面和動靜環會因為顆粒的存在、密封液的汽化現象、液膜厚度較薄、同軸度差異或者是軸剛度不夠等導致磨損情況嚴重，其中出現頻率最高的是顆粒造成的磨損，占所有樣本的百分之七十二，固態顆粒的主要來源是一些結晶物質、腐蝕性物質、具有催化性的顆粒以及泥沙等物質。經過對樣本的研究表明，設計階段一定要考慮機械使用的環境條件。

4.彈簧因素

彈簧這個部件在機械的密封中起到的是補償、及時預緊和緩沖的效果，只有自始至終保證彈簧的彈性功能才可使端面的摩擦副能夠較緊密的貼合以及動環的補償。彈性功能和在高溫條件下的穩定性能直接影響著端面密封的比壓值大小。如果比壓值較大，則使密封面間的起潤滑作用的液膜的厚度顯著減小，受磨損的程度加劇，產生摩擦熱，進而導致靜動環的端面材料性能遭到破環，最終形成熱裂。如果比壓值較小，密封的端面是一種液體間摩擦的狀態，然而彈簧彈力在高溫下的降低，以至于彈性完全消失，端面的摩擦副的貼合效果降低，因此密封性就沒辦法得到保證。所以根據實際的工況，以及對工況中使用彈簧的講究，選擇特定的材料，對于機械密封性能要著重要的作用。

（二）機械密封的制造階段

在108個樣本中，有十四項是受制造的影響因素造成的，其中有五項是占所有項次百分之八十三，這五項一次是：第一機械密封的裝配質量；第二加工過程中精度的不足；第三機械振動或者軸的徑向產生的跳動太大；第四端面的比壓值較大或者較小；第五靜動環端面的平面度存在過大的誤差。

1.機械密封的裝配質量因素

108個樣本中，由于裝配質量問題產生失效現象較多的為以下的幾種情況：

（1）彈簧的壓縮量太大致使摩擦副受到嚴重的損傷乃至于在一瞬之間被燒毀，調節動環能力喪失。動環的密封圈發生變形，密封的效果受到影響。

（2）動環的密封圈太緊密封圈和軸套之間的摩擦損傷加劇，同時使得動環軸向的調整和移動的阻力大大增大，且其無法根據工況的實時變化調整。

（3）靜環的密封圈在配合過程中太緊易使得靜環的密封產生大變形，從而影響到密封的效果。

（4）動環和靜環裝配過程中發生傾斜在壓力下工作會使得動環和靜環裝配過程中發生傾斜和磨損，磨損的速度顯著加快。

2.加工過程中精度的因素

機械密封的端面上流動的流體膜厚度和固體表面的粗糙度是在同一數量級的，固體表面的粗糙度、較低頻率下的波度與整體的形狀誤差會對機械的密封性能產生重大的影響。固體表面的粗糙度變大，則機械密封的端面間的間隙就越大，那么泄漏也就越大。

（三）機械密封的使用階段

在108個樣本中，有十八項是受使用的影響因素造成的，其中前八項是占所有項次百分之八十，影響較為顯著的因素為不適當的操作步驟、泵的抽空、介質冷卻后的結垢和淤積、泵的振動或者是徑軸向的大幅度跳動。

1.不適當的操作步驟因素

機械設備在使用與維護過程中，沒有按照規定的操作步驟成為密封失效的一個重要的原因。例如所用的泵運行過程中如果發生了故障，則需要啟動備用的泵，不嚴格按照規定的操作進行啟動泵之前的盤車以及灌泵等程序，而僅是按下按鈕啟動，管線當中的氣體還沒有徹底排干凈，機械密封還沒有得到潤滑與冷卻，機械密封的端面溫度迅速升高造成燒毀。

2.泵的抽空因素

在正壓進行抽空時，工作泵內的介質的壓力明顯高于正常的大氣壓，然而密封箱中的介質的壓力或者機械密封的端面上流動的流體膜的壓力較介質在輸送的溫度下的飽和的蒸汽壓力低，因此在密封箱中或者是在機械密封的端面間介質會發生汽化現象。

三、結論

影響機械密封的失效因素集的研究已經基本建立，此研究可以幫助機械工程中技術人員更好地理解影響機械密封的各種因素，進一步提高其設計和制造等水平，改善機械密封的生命期的質量問題。

參考文獻：

[1]尹金峰.針對機械密封失效的影響因素研究[J].裝備制造技術.2017（07）.

[2]唐雨飛.機械密封失效的影響因素分析[J].科技視界.2017（04）.

[3]杜鵬宇.機械密封端面比壓影響因素分析[J].北石化學報.2016（01）.

[4]魏龍.接觸式機械密封端面研究[J].摩擦學學報.2016（05）.