機械密封使用壽命影響因素
2024-05-07
1 機械密封簡介
1.1機械密封定義
機械密封是一種流體旋轉(zhuǎn)機械的軸封裝置，又叫端面密封，在國家有關(guān)標準中是這樣定義的“有至少一對垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的端面在流體壓力和補償機構(gòu)彈力（或磁力）的作用以及輔助密封的配合下保持貼合并相對滑動而構(gòu)成的防止流體泄漏的裝置。
1.2機械密封的組成及密封原理
機械密封由于具有泄漏量少和壽命長等優(yōu)點，近年來發(fā)展很快，根據(jù)不同的工況出現(xiàn)了各種各樣的結(jié)構(gòu)，但無論哪種結(jié)構(gòu)都有以下部分組成：第一部分是由動環(huán)和靜環(huán)組成的密封端面，有時也稱為摩擦副；第二部分是由彈性元件為主要零件組成的緩沖補償機構(gòu)，其作用是是密封端面緊密貼合；第三部分是輔助密封圈，其中有動環(huán)和靜環(huán)密封圈；第四部分是使動環(huán)隨軸旋轉(zhuǎn)的傳動機構(gòu)。機械密封的構(gòu)成如圖一所示，通過傳動座6和推環(huán)4，帶動動環(huán)2旋轉(zhuǎn)，靜環(huán)1固定不動，依靠介質(zhì)壓力和彈簧力使動靜環(huán)之間的密封端面緊密貼合，阻止了介質(zhì)的泄漏。摩擦副表面磨損后，在彈簧5的推動下實現(xiàn)補償。為了防止介質(zhì)通過動環(huán)和軸之間泄漏，裝有動環(huán)密封圈3；而靜環(huán)密封圈7則阻止了介質(zhì)沿靜環(huán)和壓蓋8之間的泄漏。
圖一 機械密封
2 機械密封常見故障
通常，機械密封的使用壽命至少為8000-10000小時。在此期間密封環(huán)中較軟的一只（大都用碳-石墨制造）的承磨臺首先被磨掉，磨損量在2-3mm之間，這時表面雖然基本光潔，但因彈簧不能補償或比壓過低而喪失了密封能力，其他零件基本上無磨損。這種密封失效屬自然磨損，稱之為老化性故障。顯然，這種磨損是不可避免的。在實際工作中，有些密封環(huán)的磨損量遠沒有達到2-3mm，但其密封面表面就有了傷痕（不光潔），或其他零件失效，使其壽命尚未達到上述預(yù)計值，通常把這種突發(fā)性的故障稱為事故性故障。據(jù)統(tǒng)計，屬于老化性故障的失效約占10%-30%，而大量的則屬于后一種故障。機械密封主要的失效形式就是泄漏，但造成泄漏的原因是多種多樣的，天脊集團高平化工有限公司尿素車間自2006年6月投入生產(chǎn)以來，機械密封出現(xiàn)故障率較高的主要在以下幾個方面：密封面磨損、動靜環(huán)破裂、動環(huán)不能補償、O型圈密封失效、彈簧斷裂等，
3 引起機械密封失效的主要因素
機械密封的密封性是其主要的指標。影響因素很多，其中有密封結(jié)構(gòu)、材料、制造、安裝，介質(zhì)性質(zhì)及使用等。哪個環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問題，密封性都要受到影響?？砂堰@些因素分為密封件本身和使用條件兩大類。密封結(jié)構(gòu)、材料和制造屬于制造廠。而安裝、介質(zhì)性質(zhì)和使用等屬于使用條件的范圍，如何正確使用取決于用戶自己。
3.1振動
由于制造和安裝精度等原因，所有的離心泵都存在著振動，所有的密封端面和軸心都存在一定的垂直度誤差。垂直度誤差使動環(huán)旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生一軸向擺動。振擺的幅度取決于誤差的大小，而其頻率則取決于彈簧剛度及動環(huán)組件的質(zhì)量，與泵的轉(zhuǎn)速無關(guān)。
泵的振動原因很多，振動原因主要為轉(zhuǎn)子不平衡，也有其它原因。例如：泵和電機振正不佳，軸承故障、地腳螺栓松動等。振動原因不同振動頻率也不同，絕大多數(shù)泵振動頻率等同于工作轉(zhuǎn)速，而振動幅度差別很大，從軸承箱表面測到的振幅不能大于0.06mm，超過該值就要停泵處理，振動可分解為三個方向，即垂直、水平和軸向，其中以軸向振動對密封的危害。大多數(shù)工藝流程泵的轉(zhuǎn)速在2950r/min左右，由于密封的追隨性較差，泵的振動加劇了動靜環(huán)的分離，瞬間的分離在液膜壓力作用下使密封面開啟，出現(xiàn)大量泄露，如果摩擦副附近存在固體顆粒，進入密封端面間會導(dǎo)致密封端面損壞，從而使機械密封失效。
3.2抽空和汽蝕
故障發(fā)生時正常工作的離心泵出口壓力大幅度下降并激烈的波動通稱抽空，這時泵內(nèi)出現(xiàn)氣化現(xiàn)象，離心泵啟動前沒灌泵、進空氣、液體不滿或介質(zhì)大量汽化，這種情況下啟動或者運轉(zhuǎn)離心泵必然抽空，表現(xiàn)在性能上是出口壓力趨近于零或接近泵的入口壓力，此時機械密封處于干或半干摩擦狀態(tài)，常出現(xiàn)的失效形式有：
a.石墨環(huán)表面出現(xiàn)深而粗的環(huán)狀溝紋。
b.硬環(huán)用1Cr13表面堆焊硬質(zhì)合金或噴涂陶瓷時出現(xiàn)徑向裂紋。
c.硬環(huán)用碳化鎢硬質(zhì)合金時，出現(xiàn)環(huán)狀溝紋，有時出現(xiàn)徑向裂紋或斷裂。
d.動、靜環(huán)密封圈變質(zhì)，如橡膠圈老化、龜裂。
e.熱裝式密封環(huán)硬質(zhì)合金環(huán)松脫。
正在運轉(zhuǎn)的泵由于葉輪的低壓區(qū)氣體氣化或氣體溢出，流至高壓區(qū)時而產(chǎn)生凝聚，這種迅速進行的氣化凝聚現(xiàn)象稱為氣蝕，其特點是運轉(zhuǎn)中產(chǎn)生激烈地水力沖擊，表現(xiàn)在性能上是出口壓力有較大幅度的激烈波動，泵振動加大，能產(chǎn)生抱 軸和斷軸之類的惡性事故，對密封也有損壞，其程度視汽蝕能量和持續(xù)時間而不同，密封腔中摩擦副處介質(zhì)溫度較高，其中部分組分汽化，流至低溫區(qū)又凝聚。這也具備了產(chǎn)生蝕的條件，出現(xiàn)激烈地水力沖擊，帶動密封做迅速的軸向運動，可使動、靜環(huán)及輔助密封圈等零件嚴重的損壞，密封性遭到破壞，若泵出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象，機封損壞一般以下形式：
a.靜環(huán)離位或防轉(zhuǎn)銷打彎。
b.動環(huán)被“抽”到傳動座中被卡住，彈簧失去作用。
c.摩擦副有一件用脆性材料制造進（如碳化硅），在密封端面上因“敲擊”而出現(xiàn)片狀剝落。
3.3載荷系數(shù)與彈簧比的確定;
密封流體壓力作用在補償環(huán)上（例如機封動環(huán)），使其對于非補償環(huán)（例如機封靜環(huán)），趨于閉合的有效作用面積與密封環(huán)帶面積之比稱為載荷系數(shù)。載荷系數(shù)對機械密封的密封性及使用壽命可靠性等有很大影響，從密封性密封角度考慮希望載荷系數(shù)大一些，可得到較高的比壓，密封的穩(wěn)定性和可靠都比較好。但是載荷系數(shù)大產(chǎn)生的摩擦熱較大，如不能及時散去使密封面溫度過高，當(dāng)達到介質(zhì)氣化溫度時將發(fā)生氣化，液膜破壞，磨損加大，使用壽命短。
彈簧比壓就是單位密封端面的彈簧力，單位是MPa，計算方法是總的彈簧力除以密封端在的面積，彈簧比壓是促使密封端面貼合的重要因素，當(dāng)泵在停車與啟動時壓力較低，或密封腔中正常工作壓力低，或工作中壓力出現(xiàn)較大波動時,彈簧比壓就成為端面比壓的主要組成部分。彈簧比壓的大小要根據(jù)密封結(jié)構(gòu)、工作條件、介質(zhì)性質(zhì)和載荷系數(shù)等綜合考慮，彈簧比壓大了有利于密封端面貼合，改善追隨性，增強密封穩(wěn)定性，若過大則摩擦熱量大，功率消耗增加，使用壽命縮短，彈簧比壓過小，泄露量大，密封穩(wěn)定性差。
因此，在機械密封的使用選型過程中，載荷系數(shù)與彈簧比壓的確定是保證機械密封長期穩(wěn)定運行的一個十分重要的因素。
3.4輔助密封圈：
機械密封的輔助密封圈包括動環(huán)密封圈和靜環(huán)密封圈。根據(jù)其作用要求輔助密封圈材料具有良好的彈性，低的摩擦系數(shù)，能耐介質(zhì)的腐蝕溶解和溶脹，耐老化，在壓縮之后及長期工作中不較小的永久變形，在高溫下使用具有不粘著性，低溫下不硬脆而失去彈性，具有一定的強度和抗壓性，另外，要求來源方便，成本低廉些。
根據(jù)泵內(nèi)流體的物理特性，應(yīng)選擇合適的密封材料，密封材料選擇的合適與否將直接影響機械密封的使用壽命。
3.5其它
造成機械密封失效的原因有很多，有機械密封本身的原因，也有安裝和使用方面的原因，表二對造成機械密封失效的原因進行了匯總。
4 實例
4.1廢液泵（位號：P06413，介質(zhì)：解析廢液，溫度：70℃左右，平時2開2備），該泵在運行過程中由于介質(zhì)溫度較高，介質(zhì)組分為多組分混合液體，部分組分在該溫度下經(jīng)常性發(fā)生汽化，導(dǎo)致該泵在運行過程中經(jīng)常發(fā)生汽蝕，泵振動增大，噪音高。據(jù)統(tǒng)計該泵平均每4個月機械密封更換一次，機械密封在拆出檢查時發(fā)現(xiàn)存在密封面片狀脫落，靜環(huán)破損現(xiàn)象。
4.2回流泵（位號：P06412，介質(zhì)：30-40%甲胺液，溫度：50-60℃，平時2開2備），在2011年4月11日至6月17日僅67天之間，就頻繁更換機械密封達7次，對生產(chǎn)造成了一定影響，每次機械密封發(fā)生泄漏后拆開檢查時，發(fā)現(xiàn)機械密封動、靜環(huán)及補償彈簧等均完好，而動環(huán)、靜環(huán)密封圈嚴重老化，失去彈性。后通過檢查記錄報表分析確定該泵每次機械密封失效前，泵入口液位均出現(xiàn)過偏低現(xiàn)象，泵在短時間內(nèi)存在抽空現(xiàn)象。
4.3高壓洗滌器循環(huán)水泵（位號：P06402，介質(zhì)：普通調(diào)溫水，溫度：130℃左右）和低壓冷凝器循環(huán)水泵（位號P06403，介質(zhì)：普通調(diào)溫水，溫度：130℃左右），機械密封泄漏一般發(fā)生在倒泵過程中，機械密封拆開后，動靜環(huán)密封面完好，但是彈簧發(fā)生了卡澀，軸套部分麻坑較多，后將該泵軸套由碳鋼改為304材質(zhì)不銹鋼且表面做硬質(zhì)處理后，該泵在倒泵過程中出現(xiàn)機械密封泄漏的故障明顯減少。
5 優(yōu)化操作
在實際生產(chǎn)過程中，以離心泵為例，分析優(yōu)化操作對機械密封長周期使用的影響和作用。
5.1 試車前準備工作
① 檢查泵的各連接螺栓及地腳螺栓是否有松動現(xiàn)象。
② 檢查軸承箱潤滑油位是否正常，是否有漏油現(xiàn)象。
③ 盤車，檢查泵是否有卡澀現(xiàn)象。
④ 檢查泵的進出口壓力表是否完好。
⑤ 檢查泵的安全護罩等是否完好。
⑥ 將泵內(nèi)充滿液體，排除泵內(nèi)氣體，檢查機械密封是否泄漏。
5.2 試車
① 電機電動實驗，檢查電機轉(zhuǎn)動方向是否正確。
② 打開進口閥，啟動電機，打開出口閥，避免軸承溫度過高，損壞機械密封。
③負荷試車應(yīng)符合以下要求：機械密封無泄漏；運行平穩(wěn)，無雜音；潤滑、冷卻系統(tǒng)均正常；流量、壓力平穩(wěn)無波動；電流不超過額定值。
5.3正常運行
① 泵啟動后若有輕微泄漏現(xiàn)象，則先觀察一段時間，如果連續(xù)運轉(zhuǎn)4 小時，泄漏量仍不減小，停泵檢查。
② 泵的操作壓力應(yīng)平穩(wěn)，壓力波動不大于0.1MPa。
③ 運轉(zhuǎn)中避免發(fā)生抽空現(xiàn)象，以避免造成機械密封損壞。
④ 確保冷卻水及密封水暢通。
⑤ 發(fā)現(xiàn)設(shè)備有不正常情況應(yīng)立即停泵檢查原因。
6 總結(jié)
綜上所訴，機械密封的長周期運行要從零件的加工精度、選材以及安裝、維修、使用等方面入手進行改進，同時應(yīng)不斷提高操作人員的現(xiàn)場操作水平，以確保機械密封使用的穩(wěn)定性和長期性。
（來源：中國通用機械工業(yè)協(xié)會泵業(yè)分會）
