機械密封失效原因與故障分析

機械密封失效原因與故障分析

     機械密封是由至少一對垂直于旋轉軸線(xiàn)的端面在流體壓力和補償機構彈力的作用及輔助密封的配合下保持貼合并相對滑動(dòng)而構成防止流體泄露的裝置。機械密封在石油和化工企業(yè)使用非常廣泛,由于其密封性好,性能穩定,泄漏量少,摩擦功耗低,使用周期長(cháng),對軸(或軸套)磨損很小,能滿(mǎn)足多種工況要求等特點(diǎn)而被廣泛使用。但是其密封結構復雜，使用條件苛刻，價(jià)格高及維修技術(shù)高等特點(diǎn)，特別是機械密封工藝條件溫度、壓力等工藝參數的影響直接關(guān)系到設備機械密封的性能和使用壽命，因此，找出機械密封失效原因及改進(jìn)措施是保證企業(yè)安全生產(chǎn)，提高設備使用壽命的重要任務(wù)。做如下分析。

　   1 機械密封失效時(shí)長(cháng)見(jiàn)的現象

　　1.1 工作時(shí)發(fā)生尖叫

　　這是因為密封端面潤滑效果不佳,應安裝旁路沖洗管路,加大管徑和相應的節流裝置的尺寸。

　　1.2 密封在工作時(shí)發(fā)生爆鳴

　　原因是密封介質(zhì)汽化或閃蒸,應在允許范圍內提高密封腔壓力,改進(jìn)密封設計,降低介質(zhì)

　　溫差,安裝旁路沖洗管路,加大管徑和相應的節流元件;加強密封端面的冷卻,檢查密封平衡設計,精確測量密封腔內的壓力，溫度及介質(zhì)壓力。

　　1.3 石磨粉聚集在密封面外側

　　原因是密封面潤滑不良,密封端面間的液膜汽化或閃蒸,產(chǎn)生殘留物質(zhì),造成石墨環(huán)磨損，應改善潤滑狀態(tài),防汽化。

　　1.4 密封泄露

　　由于密封介質(zhì)汽化或閃蒸密封端面, 應先判斷泄漏源,斷面密封問(wèn)題可能出在端面不平、裂紋、破碎或爆破,發(fā)生熱變形或機械變形;密封零件結構不合理或強度不夠產(chǎn)生變形;因材料及加工原因產(chǎn)生的殘余變形;安裝時(shí)零件受力不均等,應檢查安裝尺寸是否正確，密封和材質(zhì)是否適于使用工況,密封墊是否壓緊,是否螺栓力矩太大造成密封座變形，是否有安裝損傷,必要時(shí)予以更換;檢查填料腔裝配面和其他有關(guān)元件對軸線(xiàn)的垂直度，管道及設備安裝誤差"輔助密封安裝時(shí)可能被壓傷或擦傷;介質(zhì)從軸套間隙中漏出,0型圈老化;密封壓縮屈服變形,化學(xué)腐蝕"檢查密封槽和導角是否正常,起動(dòng)設備前應將密封端面重新研磨以保證密封面的光滑平整。

　　2 機械密封失效的原因分析

　　2.1 腐蝕失效

　　(1)表面腐蝕。

　　機械密封件會(huì )因腐蝕介質(zhì)的侵蝕而導致表面腐蝕，嚴重時(shí)會(huì )造成腐蝕穿透。

　　(2)點(diǎn)腐蝕。

彈簧套常出現大面積或區域性的點(diǎn)蝕，有的導致穿孔。此類(lèi)局部腐蝕對密封的使用雖未造成嚴重后果，但大修時(shí)也應更換.　　    

(3)晶間腐蝕

　　碳化鎢環(huán)不銹鋼環(huán)座以銅焊連接，使用中不銹鋼座易發(fā)生晶間腐蝕，為克服敏化的影響，不銹鋼應進(jìn)行固溶處理。圖2所示為帶波紋管的動(dòng)環(huán)采用有填充劑的聚四氟乙烯，靜環(huán)為陶瓷，此裝置對大部分腐蝕介質(zhì)都適用。

 　　(4)應力腐蝕破裂

　　在應力和介質(zhì)腐蝕的共同作用下，金屬焊接管道、軸承、彈簧等會(huì )發(fā)生破裂現象。

        (5)間隙腐蝕。因介質(zhì)濃度之差而導致縫隙泄露而長(cháng)生腐蝕。

　　(6)電化學(xué)腐蝕。密封中使用的金屬因工作環(huán)境的介質(zhì)而發(fā)生電化學(xué)反應，導致密封失效。　　

        2.2 高溫失效

　　當密封腔內的溫度高達150℃時(shí)，機械密封可能出現一些問(wèn)題：1.配對使用的密封環(huán)摩擦副發(fā)生熱變形和熱裂是材料發(fā)生腐蝕和磨損加快，發(fā)生失效。2.密封圈在超出須用溫度時(shí)會(huì )發(fā)生高溫老化、變硬、龜裂等現象是之失效。3.對與碳-石墨形式的密封環(huán)可能造成炭化從而產(chǎn)生泄露密封失效。4.對于有彈簧的裝置可能使其高溫失彈。5.運轉中產(chǎn)生的摩擦熱使局部發(fā)生溫度變化，如果沒(méi)有合理的沖洗冷卻控制會(huì )使機密件發(fā)生失效。

　　2.3 摩擦失效

　　摩擦副使用的材料耐磨性差、摩擦系數大、端面比壓過(guò)大，當密封面進(jìn)入固體顆粒雜質(zhì)時(shí)使摩擦面磨損，端面間液膜難以形成和維持，造成密封失效。

　　2.4 壓力造成失效

　　(1)高壓和壓力波動(dòng)造成機械密封失效

　　密封腔內壓力超過(guò)須用壓力時(shí)，會(huì )時(shí)密封端面比壓過(guò)大，液膜難以形成，端面磨損嚴重，發(fā)熱量過(guò)多。還會(huì )使密封零件變形。高壓條件下的機密應采取方法使端面受力合理，減少變形;加強冷卻和潤滑措施;使用平衡型機密和較小的載荷系數;采用多端面密封結構等。

　　工作壓力的波動(dòng)會(huì )影響密封零件的彈性變形量，影響密封效果。當壓力變化幅度較大時(shí)會(huì )產(chǎn)生很明顯的泄露量。應選用WC對WC摩擦副等措施降低壓力波動(dòng)的影響。

　　(2)真空狀態(tài)造成失效

　　真空會(huì )引起密封干摩擦、漏氣等現象。.實(shí)踐證明,半濕摩擦時(shí),摩擦系數通常是百分之幾,而半干摩擦和干摩擦時(shí)則為十分之幾. 〔3〕即干摩擦釋放的熱量為潤滑時(shí)的十幾倍甚至更多,從而加劇了密封件的磨損.由于表面受到損壞,表面溫度升高,加上材料機械性能的變化,使磨損劇烈程增大,磨損速度增快,造成密封環(huán)熱裂或燒損,最終導致設備不能正常工作.為解決此問(wèn)題，應采用雙端面繼續密封，注入封液保證潤滑和提高密封性能，變氣相密封為液相密封。

　　2.5 密封形式或密封材料與密封工況不相適應造成失效

　　若密封材料選擇不當,則密封很容易因腐蝕、高壓、高速或過(guò)熱而損壞。機械密封用于腐蝕性介質(zhì)時(shí),因密封件經(jīng)受化學(xué)和電化學(xué)腐蝕,其摩擦副應選擇既耐腐蝕又耐磨的材料,在強腐蝕性介質(zhì)中,可選用聚四氟乙烯波紋管，用于高壓介質(zhì)中時(shí),一般選用雙端面平衡型結構或多端面串聯(lián)式密封裝置用于高溫下時(shí),零件應進(jìn)行穩定性熱處理,且各零件應盡量選用膨脹系數近似材料,高速旋轉設備用的機械密封,應盡量減少轉動(dòng)零件.

　　2.6 安裝、運轉時(shí)失效分析

　　由于安裝不良造成機械密封的泄露有以下幾個(gè)方面的原因

　　(1)動(dòng)、靜環(huán)接觸表面不平，安裝時(shí)碰傷或損壞。

　　(2)動(dòng)、靜環(huán)密封圈尺寸有誤、損壞或未被壓緊。

　　(3)動(dòng)、靜環(huán)表面有異物夾入。

　　(4)動(dòng)、靜環(huán)V形密封圈方向裝反或安裝時(shí)反邊。

　　(5)密封腔端面與軸垂直不夠。

　　(6)靜環(huán)壓緊不均勻。

　　(7)緊固螺釘未擰緊，彈簧座后退。

　　(8)軸套處泄露，密封圈未裝或壓緊力不夠，軸套上密封圈活動(dòng)處有腐蝕點(diǎn)。

　　綜上所述，引起機械密封失效的原因很多，某公司共有84臺運轉設備采用機械密封，1998～2000年引起機械密封失效的各中原因的出現頻率見(jiàn)下表：

　　表1 機械密封失效原因統計

　　3 其他原因造成的失效

　　密封件本身由于設計、工藝、制造、選材、安裝或選型配對不正確等缺陷造成機械密封點(diǎn)泄露失效，比如密封端面制造不平，安裝密封件時(shí)沒(méi)有對稱(chēng)，導致存在密封間隙而泄露;密封沖洗系統存在問(wèn)題，導致密封腔溫度過(guò)高使機械密封失效;密封輔助系統選擇不當，工藝條件苛刻，環(huán)境差等因素均可能導致密封失效。

　　4 預防機械密封失效的措施

　　(1)密封結構的選擇

　　密封結構的選擇應以結構簡(jiǎn)單、操作方便、可靠性高、安裝與維修容易為佳。使用機械密封時(shí)應該對密封的選用參數、結構、形式、材料、標準及其特點(diǎn)加以了解，選擇質(zhì)量可靠的機械密封裝置。

　　(2)機械密封設備的選擇

　　當機械密封設備輸送的是腐蝕性高及高溫介質(zhì)，要考慮密封設備的耐腐蝕、高強度、硬度和較小的熱膨脹系數。

　　(3)工藝條件的改善

　　對于高溫、高壓介質(zhì)，采用耐高溫、導熱好的摩擦副材料，在設備管理工作中，應合理利用現場(chǎng)條件，優(yōu)化機械密封的工藝條件，提高密封性能和使用壽命，降低設備維護和維修費用。

　　(4)輔助措施的實(shí)施

　　冷卻、潤滑、沖洗等輔助措施應根據機械密封環(huán)境的需要加以完善，保證機械密封的穩定性和可靠性。

　　(5)安裝、維修管理的高效性

　　機械密封零部件的安裝質(zhì)量直接影響密封效果，安裝前要仔細檢查各個(gè)部件的完好性和規范性，正確安裝和調試，之后要試運行，如果發(fā)現問(wèn)題一定要及時(shí)處理，以免后患。另外，合理的使用和維護也非常重要，操作人員一定要遵守操作規范，培訓后上崗，實(shí)行責任制保證設備的正常運行的可靠性、安全性。

　　5 結語(yǔ)

　　以上總結了機械密封在使用過(guò)程中比較常見(jiàn)的失效原因，其實(shí)機械密封失效的原因很多,也很復雜。機械密封是較為精密的部件，可是泄露點(diǎn)多，對于零件的加工精度和安裝、維修質(zhì)量都有很高的要求。機械密封失效在生產(chǎn)實(shí)際中有各種因素造成的，因此，正確分析失效的原因，并非容易。首先要找到密封失效點(diǎn)，然后采取具體的措施進(jìn)行改進(jìn)。

　　選用合理的機械密封以提高安裝質(zhì)量和減少運轉設備的振動(dòng)，加強工藝管理以確保工藝指標的穩定，防止壓力、溫度等條件的變化過(guò)大是提高機械密封可靠性的有效方法，保證機械密封系統的正確應用，使機械密封長(cháng)期有效的運轉。運用新材料的開(kāi)發(fā)和計算機技術(shù)，進(jìn)行機械密封失效地方的計算機建模，利用有限元知識分析失效點(diǎn)及機械密封結構優(yōu)化，借鑒國外機械密封技術(shù)和經(jīng)驗，提高機械密封穩定性、長(cháng)期性，節約能耗，提高經(jīng)濟效益。