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機(jī)械密封使用壽命影響因素
2024-05-07
1 機(jī)械密封簡介
1.1機(jī)械密封定義
機(jī)械密封是一種流體旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸封裝置,，又叫端面密封,，在國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(bǔ)償機(jī)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(jī)械密封的組成及密封原理
機(jī)械密封由于具有泄漏量少和壽命長等優(yōu)點(diǎn),，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(bǔ)償機(jī)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(jī)構(gòu),。機(jī)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(shí)現(xiàn)補(bǔ)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(jī)械密封
2 機(jī)械密封常見故障
通常,，機(jī)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(bǔ)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(shí)際工作中,，有些密封環(huán)的磨損量遠(yuǎn)沒有達(dá)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(dá)到上述預(yù)計(jì)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(jì)，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(jī)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(tuán)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(jī)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(bǔ)償,、O型圈密封失效、彈簧斷裂等,，
3 引起機(jī)械密封失效的主要因素
機(jī)械密封的密封性是其主要的指標(biāo),。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(jī)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(jìn)入密封端面間會導(dǎo)致密封端面損壞，從而使機(jī)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(jìn)空氣,、液體不滿或介質(zhì)大量汽化，這種情況下啟動或者運(yùn)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(jī)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(yùn)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(jìn)行的氣化凝聚現(xiàn)象稱為氣蝕,，其特點(diǎn)是運(yùn)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(yùn)動,，可使動,、靜環(huán)及輔助密封圈等零件嚴(yán)重的損壞，密封性遭到破壞,，若泵出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象,，機(jī)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(jìn)（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(bǔ)償環(huán)上（例如機(jī)封動環(huán)）,，使其對于非補(bǔ)償環(huán)（例如機(jī)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(jī)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(dá)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(jì)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(qiáng)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(jī)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(jī)械密封長期穩(wěn)定運(yùn)行的一個十分重要的因素,。
3.4輔助密封圈：
機(jī)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(qiáng)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(jī)械密封的使用壽命,。
3.5其它
造成機(jī)械密封失效的原因有很多，有機(jī)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(jī)械密封失效的原因進(jìn)行了匯總。
4 實(shí)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(yùn)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(yùn)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(jì)該泵平均每4個月機(jī)械密封更換一次,，機(jī)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(jī)械密封達(dá)7次,，對生產(chǎn)造成了一定影響,，每次機(jī)械密封發(fā)生泄漏后拆開檢查時，發(fā)現(xiàn)機(jī)械密封動,、靜環(huán)及補(bǔ)償彈簧等均完好,，而動環(huán)、靜環(huán)密封圈嚴(yán)重老化,，失去彈性,。后通過檢查記錄報(bào)表分析確定該泵每次機(jī)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(jī)械密封泄漏一般發(fā)生在倒泵過程中,，機(jī)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(jī)械密封泄漏的故障明顯減少,。
5 優(yōu)化操作
在實(shí)際生產(chǎn)過程中,，以離心泵為例，分析優(yōu)化操作對機(jī)械密封長周期使用的影響和作用,。
5.1 試車前準(zhǔn)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(jìn)出口壓力表是否完好,。
⑤ 檢查泵的安全護(hù)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(jī)械密封是否泄漏,。
5.2 試車
① 電機(jī)電動實(shí)驗(yàn)，檢查電機(jī)轉(zhuǎn)動方向是否正確,。
② 打開進(jìn)口閥,，啟動電機(jī)，打開出口閥,，避免軸承溫度過高,，損壞機(jī)械密封。
③負(fù)荷試車應(yīng)符合以下要求：機(jī)械密封無泄漏,；運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)轉(zhuǎn)中避免發(fā)生抽空現(xiàn)象,，以避免造成機(jī)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(jī)械密封的長周期運(yùn)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(jìn)行改進(jìn),，同時應(yīng)不斷提高操作人員的現(xiàn)場操作水平，以確保機(jī)械密封使用的穩(wěn)定性和長期性,。
（來源：中國通用機(jī)械工業(yè)協(xié)會泵業(yè)分會）
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