水泵機械密封技術故障問題的處理措施

修 建

（遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連 116001）

水泵的機械密封裝置較為復雜，裝置對環境溫度、介質性質等方面有一定的要求。在機械的設計和安裝過程中，需要針對具體的工藝要求來確定材料的性質，對可能發生的故障采取相應的措施，避免在使用過程中發生液體泄漏。本文從機械密封的失效機理出發，分析了可能存在的故障形式并提出相應的解決方法。

1 水泵機械密封的作用機理

1.1 機械密封的工作原理

水泵的機械密封裝置由一對或幾對與旋轉軸互相垂直的端面組成，密封環隨軸作旋轉運動，在密封介質和補償裝置共同作用下，密封環的端面之間保持貼合，端面之間在潤滑作用下相對滑動，避免液體的泄露。介質的壓力作用和補償裝置的彈性作用使端面之間保持合理間隙，縫隙間的液膜能夠保持端面良好的潤滑性能。

1.2 機械密封邊界摩擦與潤滑的特征

密封端面縫隙間的液膜不均勻連續，縫隙壓力較小，在發生泄漏時不易測量，兩個摩擦面由于其摩擦系數相同，因此泄露量與摩擦面寬無關，通常與機械密封的密封端面光潔度、端面所承受的承載壓力、端面件的摩擦滑動速率等因素有系。

1.3 機械密封裝置的組成

機械密封主要由主密封、副密封和輔助密封、補償機構、傳動及防轉機構和輔助裝置配套組成。機械密封中兩個密封環的端面相互貼合并產生相對滑動，分為動換和靜環，動環隨軸作旋轉運動，靜環則不隨軸轉運，補償環有軸向補償能力，反之則是非補償環。機械密封的補償機構是由補償環與其他彈性元件做軸向移動的機構。機械密封裝置的泄漏點常常發生在壓蓋與機體連接處、靜環與壓蓋的間隙、介質在動環與軸之間的間隙、動環與靜環在相互接觸運動的密封面。

2 水泵機械密封的故障問題分析

在水泵的運行過程中，因人為操作不當、工藝因素、環境因素等原因，機械密封會發生故障失效，出現泄漏、磨損等情況，分析機械密封的失效故障，能夠從機械密封件的材質、結構以及水泵的日常使用與維護過程中預防、阻止故障的發生。

2.1 水泵機械密封故障的主要形式

2.1.1 水泵機械密封泄漏問題

穿漏是發生在端體界面的泄漏，在機械密封泄漏中占有較大比例，是一種單向泄漏，密封面之間的間隙由于介質壓力差的存在，導致介質液體由高壓區向低壓區泄漏，穿漏泄漏的速度較慢，當端面間隙以及介質流體壓力差越大時，泄漏量越大。

滲漏是發生在密封件的材料中的毛細管中的一種單向分子的泄漏，是由部分疏松性較大、致密性較差的密封件材料造成，因此當密封介質的粘性較小時容易發生滲漏現象，而粘性大的密封介質則不太容易出現。

擴散不同于滲漏、穿漏，是一種雙向的過程，當密封介質流體在較強的濃度差下，密封件吸附氣體，密封端面的間隙以及密封材料中的毛細管會出現物質傳遞現象，由一側向密封件的另外一側析出。

在水泵機械密封中會出現周期性的動環問題，這種周期性問題泄漏量不穩定，另外還有不隨安裝軸轉動的固定點靜環問題，這種問題造成的泄漏量較為很穩定。此外還有發生在端面的磨損的不可見故障，可以根據接觸端面的磨損情況來對密封產生的故障進行分析。

2.1.2 機械密封的溫度問題

在水泵的使用過程中，由于摩擦和攪拌作用或工藝的溫度要求會使機械密封的密封端面溫度有所上升，溫度過高時則會給機械密封帶來一系列問題，密封環以及輔助材料由于其材質與耐溫性原因，在高溫下易發生形變，彈性元件的彈性也會在高溫作用下發生變化，密封面之間介質容易在高溫作用下發生汽化，從而導致接觸端面之間過度磨損，還會發生熱裂等情況。

圖1 密封試驗的基本流程圖

2.1.3 機械密封的變形問題

機械密封的變形包括熱變形、力變形以及殘余變形。熱變形是當熱應力過大時，密封環的表面摩擦受熱導致其超出了材料所允許應力限度，容易產生熱裂，而裂縫會加劇密封面的磨損，開裂則會造成更為嚴重的泄漏。

2.2 水泵機械密封的故障分析

2.2.1 端面出現分離的原因與措施

端面出現泄漏的原因有很多，安裝前端面受損、安裝過程中端面的平面度以及粗糙程度不符合相關標準要求、摩擦端面之間有雜質進入導致磨損不均勻加劇、安裝操作不規范導致傾斜、密封材料不符合相關標準易出現性變等情況都會造成端面分離。

2.2.2 輔助密封圈處的泄漏分析

在水泵機械密封的密封圈處由于密封圈發生損壞、膨脹等情況導致動環輔助密封圈、靜環密封圈、軸套、壓蓋等部分之間發生泄漏。出現泄漏的原因可能是動環輔助密封圈本身品質較為劣質、安裝過程中造成的破裂損壞、旋轉軸的耐腐蝕性不符合相關標準、軸在使用過程中出現腐蝕情況、密封圈的材質問題、密封橡膠出現變形等情況。電分為可見故障和不可見故障。

另外，靜環輔助密封圈處也有可能出現泄漏，可能是由壓蓋的加工尺寸問題、安裝的技術規范問題、密封圈質量問題與材質問題等因素引起。軸與軸套之間的泄漏則是由于軸與軸套端面不夠契合、螺栓預緊力不足、安裝過程有缺漏、結合面受雜質污染等原因造成。

2.2.3 摩擦副材料

摩擦副材料的浸漬的工藝不符合相關規定、使用溫度過高、結構的設計與使用環境不相匹配等情況會造成摩擦副材料的高磨損、變形、破裂、腐蝕甚至斷裂的情況。

2.2.4 彈簧及傳動件的失效分析

彈簧處的損壞主要體現在當拉力強度過或達到疲勞強度、設計存在缺陷時其發生永久形變、斷裂等情況。在傳動過程中，由于振動原因會造成傳動件的磨損，當介質的粘度過大時，扭矩過大也會造成其發生斷裂，在腐蝕介質中，傳動裝置也會發生腐蝕而影響其功能[1]。

3 水泵機械密封技術故障的處理措施

3.1 保證密封性能的檢查

在水泵的機械密封裝置安裝過程中，需要對機械密封的密封性進行有效的檢查，確保其運行符合技術要求以及工藝規劃，能夠在運行過程中達到其標準要求的密封性能。因為泵機一旦開始正常運轉，其系統的環境有不確定性，并且介質反應過程中的條件惡劣，技術人員難以在出現故障后近距離觀察檢測并采取維修措施，因此使用前的檢查排查和工藝檢驗是必要環節[2]。

3.1.1 外部特征的檢查

觀察機械密封部件是否存在泄漏現象以及是否運行通暢，在運行過程中密封是否發生異常振動，有異常響動應判斷響動的位置，判斷軸承等原件的溫度熱度是否處在正常范圍，密封圈周圍是否有異常氣味，部件是否發生形變以及其磨損情況，設備的性能參數是否處在標準狀態。

3.1.2 密封的工藝性檢查

密封的工藝性檢查需要在選型以及安裝之前對機械密封進行工藝檢查，嚴格排查工藝故障。根據機械密封所使用的環境判斷其是否符合實際的工況需求。檢查密封腔內的壓力是否處在其限制的動態壓力與靜態壓力的標準之中，檢查密封系統在實際工況下的溫度，判斷其介質和材料性質是否符合工藝需求，緩沖液或者隔離液的選用是否與工況相適應。當存在機械密封的泄漏情況時，判斷其泄漏的速度隨壓力、速度以及溫度的變化趨勢；在維護過程中檢查所使用的潤滑劑是否符合工藝規范；摩擦面的表面是否清潔干凈不存在雜質。除了常規的工藝性檢查，對機械密封進行密封性試驗也非常重要。

3.1.3 密封安裝前的有關要求

水泵機械密封在安裝前需要進行靜壓試驗進行零部件基礎功能的檢查，避免在運輸和安裝的過程中發生損壞，按照相關標準判斷其徑向跳動公差是否符合要求，當未達到要求時，可以對其增設中間軸承或底軸承；安裝過程中軸徑表面不能發生磕碰，表面內部密封圈被刮傷；安裝過程中保持干凈光滑，不存在凹凸不平，釜口法蘭應該與傳動裝置軸心線保持垂直，各管路的接口需要和機架的方位應放置正確。

3.1.4 環境溫度的控制

控制機械密封的端面溫度，確保其不發生劇烈變化并處在標準溫度范圍內。首先要提供一個合理的運行環境，并且在環境中能夠適當調節和控制工作溫度和壓力，在工作過程中保持端面的潤滑性[3]。

沖洗包括內沖洗、外沖洗以及循環沖洗，通過向機械密封端面的高壓側直接注入或者排出冷卻液體來實現對密封端口的冷卻，避免因溫度升高導致液膜汽化，改善端面的潤滑性能。沖洗時需要考慮沖洗的密封部位、沖洗方式和對應的沖洗量。

急冷是通過一定量的氣體或者液體從背面對靜環進行冷卻，有快速、直接的特點，在選擇用水來進行急冷時，溫度過高則容易造成水垢的出現，反而會影響泵的正常運轉，因此需要根據實際的工況來選擇急冷液。為避免加進的介質出現泄漏現象，應當在機械密封的運行系統中設置填料密封或者油封等有效的輔助裝置。

3.2 防止密封件變形的措施

在機械密封部件的設計環節，首先需要確保遵循平行平面的原則，使得元件能夠擁有符合工藝標準的強度和剛度，避免在使用過程中發生變形。在對密封材料進行選擇時，需要考慮水泵的實際工作環境，選擇導熱性好、熱膨脹系數小以及高彈性模量的材料。機械密封元件的制造工藝需要避免發生應力集中，消除和釋放結構中殘余的應力；在機械密封的安裝過程中，需要嚴格按照技術規范以及安裝程序的要求，由專業人員進行安裝，提高安裝的精度和準確性、確保角度、螺栓安裝等影響機械密封的安裝環節的精細安裝。

3.3 泄漏發生后阻止密封泄漏的主要途徑

在水泵的設計和實際的生產過程中，首先要盡可能減少需要設置密封裝置的部位，密封點的位置越多，則越容易增加水泵的密封泄漏風險，當發生泄漏時，需要針對泄漏點采取相對應的措施，及時切斷泄漏途徑?？梢酝ㄟ^增加通道的阻力來減少泄漏，改變兩端的壓差、通道長短、通道壁面的光潔程度與棱緣的光滑程度等方式來達到增加阻力的效果，也可以將小型的做功元件添加在泄漏通道之中來抵消造成泄露的壓差。

3.4 水泵機械泄漏不同元件故障的解決措施

3.4.1 端面泄漏的解決措施

在端面發生泄漏時，需要對損壞的密封環進行修復與更換，在安裝過程中避免雜質的進入造成過度摩擦，當技術人員存在操作不當的問題時，需對零部件重新安裝，確保其垂直度、安裝位置符合標準規范。由于密封材料有較低的彈性模量，因此在安裝過程中還需格外注意對其夾緊力施加均勻。

3.4.2 輔助密封圈處泄漏的解決措施

當壓蓋加工尺寸出現問題時需對其進行重新加工修整，在安裝過程中將凹面對準介質端，及時更換不合格產品，使密封圈材質與液體介質相匹配。在安裝過程中采用材質較好的墊片，注意預緊力的大小，確保安裝現場的清潔，避免雜質進入。

3.4.3 摩擦副材料處泄漏的解決措施

對制品進行二次浸漬處理，當使用溫度過高時，為避免浸漬劑發生溢出，應當采取沖洗與冷卻措施。在選擇材料時，選用硬質碳石墨作為摩擦副材料，補償環采用托裝式結構避免高溫高壓下造成其形變。

4 結語

水泵的機械密封能夠確保其在使用過程中不發生液體的泄漏，但機械密封往往因為環境、工藝、安裝等因素而功能失效，在軸、密封圈等接口處發生液體的泄漏。本文對水泵機械密封的故障形式以及故障機理進行了研究，分析了故障可能存在的形式，并提出了針對不同類型故障的解決方法，從檢測、維護等各個環節確保機械密封的有效性。