機械密封常用試驗測評方法與現場應用分析

寧廣東

（艾志環保管接技術股份有限公司，江蘇南京 211100）

0 引言

機械密封又稱端面密封，是流體機械和動力機械的重要輔件，它對整體設備甚至整個工廠的安全生產影響都很大。機械密封廣泛應用于廠礦企業、市政環保等各行業的泵類設備，因其具有使用壽命長、密封效果好等綜合優勢（比如API STD 682—2014要求密封連續運行3 a且泄漏量＜1000 mL/m3EPA-21），在很多領域逐漸替代了填料密封。

機械密封結構相對較為復雜，有的采用多端面結構或輔助裝置，而根據特殊需要的定制型密封更是形式各異、造價較高。另外，安裝機械密封通常需要對泵進行解體，對于大型設備很不方便。而且，這些設備作為生產線上的一個環節，如果等接通工藝流體后再進行密封測試，有可能導致反復拆裝、密封部件損壞以及影響正常生產計劃，甚至造成較大經濟損失。因此，有必要在前端進行密封測試，盡可能在安裝前、運行前發現并解決問題。

1 零部件生產與裝配環節的檢測

機械密封零部件通常包括動環、靜環、O形圈、彈簧等，也可能有金屬波紋管或橡膠波紋管、磁力等結構以及軸套、壓蓋及定位、鎖緊等部件。有些零部件有專門的行業標準，比如JB/T 6374—2006《機械密封用碳化硅密封環技術條件》JB/T 8872—2002《機械密封用碳石墨密封環技術條件》JB/T 11107—2011《機械密封用圓柱螺旋彈簧》等，而JB/T 4127.1—2013《機械密封技術條件》則是對于各部件和整機密封性的綜合要求，相應有JB/T 4127.3—2011《機械密封產品驗收技術條件》規定了機械密封產品的驗收項目與規則、包裝、外觀質量等方面。

零部件的設計要求和這些相關標準都是控制零部件質量的重要依據，裝配后的成品則不方便進行零部件的質量核實。一些要求較高的技術指標需要專門工具才能進行測試，比如研磨面的平面度要求達到0.000 9，粗糙度達到Ra0.2，橡膠件的硬度測定、彈簧力的測定等。零部件的裝配性能，比如與設備結合處尺寸控制，零部件之間的間隙設置，輔助密封安裝位設計，傳動與防轉結構等，需要設計、加工、檢驗等環節共同實現，因此，嚴格的質量控制流程是機械密封產品質量的根本性保證。

零部件加工完成后，按照工藝要求進行裝配。裝配環境應保持干凈，零部件應先清潔、烘干，裝配摩擦副、O形圈等部件前再次檢驗配合面完好、清潔，檢查銷釘、孔、基本裝配尺寸、數量等確認與圖紙要求一致；完成裝配則進入成品檢測。

2 機械密封成品檢測

2.1 國內的參考規定

GB/T 14211—2010《機械密封試驗方法》規定了機械密封試驗分為型式試驗和出廠試驗：前者是判定機械密封是否滿足技術規范的全部性能要求，后者是對經過型式試驗的機械密封在出廠時進行的試驗。該標準要求同一規格每批至少抽取一套進行出廠試驗。型式試驗和出廠試驗都包含靜圧試驗和運轉試驗：靜壓試驗保壓時間為15 min；運轉試驗對型式試驗要求≥100 h，對于出廠試驗要求≥5 h。靜壓試驗采用壓力為最高使用壓力的1.25倍，運轉試驗壓力為產品最高使用壓力，試驗流體為水，溫度（0～80）℃采用該試驗方法，參照JB/T 4127.1—2013《機械密封技術條件》要求的泄漏量情況（表1）。但是，對于特殊條件及被密封介質為氣體時不受此限。

表1 不同工作壓力和軸（或軸套）外徑下的泄漏量mL/h

環磨損情況要求：滿足機械密封使用周期的要求，以清水為介質的試驗運行100 h，軟質材料的密封環磨損量≤0.02 mm。

關于密封壽命。JB/T4127.1—2013《機械密封技術條件》描述為“在選型合理、安裝正確的情況下，被密封介質為清水、油類及類似介質時，機械密封的使用壽命一般≥8000 h。被密封介質為腐蝕性介質時，機械密封的使用期一般為（4000～8000）h。使用條件苛刻時不受此限”。JB/T4127.3—2013《機械密封產品驗收技術條件》另有描述“使用條件苛刻，如高溫、低溫、高壓、高速、高黏度液體、強腐蝕介質、顆粒介質以及開停車頻繁的情況下，產品的使用周期和平均泄漏量應由用戶和制造廠商定”。可見，密封壽命與選型安裝、使用條件等密切相關。

2.2 國外的參考規定

API 682—2014標準是石油、石化和天然氣工業中設計與使用機械密封的重要指導，對機械密封形式、材質選擇、密封試驗以及輔助方案等做了較為全面的規定。這些規定已經被更多行業的相關專業人員參考使用。API 682—2014第10章《檢驗、試驗和發貨準備》規定的密封檢測試驗包括5方面。

（1）密封認證試驗（10.3.2）：認證試驗的目的是為了讓密封終端用戶對產品持有高度的信賴，相信所提供的特定型號密封能符合該標準之要求；聲明遵守API 682—2014標準的機械密封應符合該標準規定，并需要2種尺寸規格的密封在1種或多種認證流體進行認證試驗且符合規定要求。API682—2014在附錄Ⅰ中詳細說明了認證試驗目的、范圍、步驟、參數等。

（2）機械密封承壓元件及附件的水壓試驗（10.3.3）：密封承壓殼體元件承壓試驗壓力為最大允許工作壓力的1.5倍（且表壓≥140 kPa）。試驗時間≥30 min，密封腔無滲漏為合格。

（3）密封制造商對工作密封進行試驗（10.3.4）：機械密封最終裝配完成后，采用空氣對每個密封進行氣壓試驗。

（4）裝配完整性試驗（10.3.5）：為確認密封已經正確裝配，每個新的或維修過的集裝密封都要采用空氣或氮氣進行氣壓試驗。這是一個驗收試驗，主要是避免部件缺漏或損傷，如端面變形、O圈損傷、墊片缺失等，因此，裝配完整性試驗結果并不代表密封在實際工況流體中的性能。氣壓試驗壓力為170 kPa，5 min內壓力降≤14 kPa為合格。標準另說明，裝配完整性試驗不建議采用過高壓力，低壓試驗對密封是有利的。

（5）泵制造商對密封進行試驗（10.3.6）：為避免損壞工作密封，在進行泵的性能試驗時可采用泵制造商提供的試驗密封，當泵性能試驗完成后再安裝密封制造商提供的工作密封，再進行前述的氣壓試驗。為避免損壞工作密封，在泵性能試驗中工作密封可不運轉。也可把更換密封環并經氣壓試驗合格的密封裝于泵上進行泵的性能試驗，完成后將工作密封環裝進密封內并進行氣壓試驗。總之，泵性能試驗過程應避免損壞機械密封。

3 標準方法檢測的局限和實際操作參考

國內外的標準檢測方法規定已比較詳細了，但實際操作有很多不便之處。因為密封產品種類、形式以及裝配尺寸各不相同，即使只做靜壓測試，集裝式機封也通常需要加工相應工裝，分離式機封就更麻煩一些。制造廠家對密封產品尤其是定制密封做測試是保證其可靠性的重要方法，根據密封結構合理設計測試方法，可以降低成本提高效率。

（1）集裝式單端面機械密封通常采用壓縮氣體進行裝配完整性試驗。通常需要的工裝有芯棒、套筒和底板，組裝后進行保壓測試；必要時，可結合水箱判斷漏點。對于每套機封都進行測試，如有泄漏需要修整、調整，直到試驗合格方能發貨（圖1）。

（2）集裝式雙端面機械密封可以采用上面的類似工裝，對一側密封進行檢測；也可以在兩端面之間，從沖洗孔通入壓縮空氣測試。試驗參數參考裝配完整性測試的要求，泄漏率參考并考慮雙端面情況。需要說明的是，這種測試不宜采用過高的壓力以避免損壞機封。

（3）分離式機封，如果做氣壓試驗還要有工裝壓蓋等，并要準確設定動環部分在軸上的位置。實際通常以檢驗端面的平面度為分離式密封可靠性的參照，而O形圈、彈簧、傳動等部件被認為是不應有問題的環節。

圖1 氣壓試驗方法示意

實際上，集裝式機封也有廠家僅做環的平面度檢測而不做靜壓試驗，他們認為其他零部件及裝配過程均是“不應出現泄漏”的環節。

氣壓試驗因為相對容易實現、沒有液體殘留、不損壞密封等，被廣泛用于機械密封的裝配完整性測試，雖然不代表密封的最終使用性能，但可以避免將一些裝配、零部件缺失等問題帶到密封使用環節。

4 密封使用現場檢驗判斷

4.1 密封件的安裝前的檢驗與測試

新的機械密封安裝前，要核實密封形式，檢查基本裝配尺寸，彈簧應有適當的壓縮浮動空間，補償環順暢無卡阻，與腔端面、軸配合的靜密封完好，仔細閱讀廠家提供的安裝說明。分離式機封則需要在軸上合理設定安裝起始位置，裝完后動環在軸上可以順暢滑動。雙端面機封安裝完成后，可以在端面間通過氣壓或循環液進行密封檢測；單端面密封，可結合關閉泵的閥門形成封閉腔室進行密封測試。總之，盡可能將密封裝配問題或密封損壞等情況在正式運行前發現并解決。

4.2 密封件的更換和維修利用

機械密封是工廠的重要輔件，用戶要進行定期檢查和預防性維修更換，制定密封管理清單，結合需求量、交期等做好備件安排。如希望更換下來的密封舊件再次使用，建議將其返還生產廠家進行檢測、維修。如果不得已需要使用舊件密封，則要仔細檢查密封零部件完好情況，尤其是密封的核心部件，如動環、靜環、驅動件、補償件、彈簧等，基本判斷及參考建議見表2。

表2 使用舊件密封的基本判斷及參考建議

處理軟質材料動靜環時，如果沒有平板或研磨機，可用玻璃做研磨平板，然后與對應的硬質材料對研，接觸閉合面積≥80%方可使用。使用一定時間后的O形圈，通常有溶脹或老化，維修時一般更換新件（滑動密封要求比靜止密封嚴格）；若僅為變形且在允許幅度內，可繼續使用（部分數據摘自杜邦、信越、華爾卡公司測試數據）。

密封零部件維修后，重新裝配時，要保持零部件及操作區域清潔，采用兼容的潤滑劑輔助裝配O形圈，裝配后手動壓縮機封，應有適當的彈簧浮動空間。

圖2 崩邊（b/a≤1/5）

圖3 O形圈變形（（a-b）/a≤1/5）

5 結束語

機械密封是重要且較為復雜的密封件，在密封廠家、泵廠和最終用戶中，有很多環節會影響其使用性能。采用適當的檢測試驗方法排除密封可能存在的問題，有利于提高密封運行的可靠性，這也是密封設計、制造和相關標檢驗準制定的根本目的，而用戶現場良好的設備與備件維護管理也與此相輔相成。