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機械密封故障原因——摩擦副材料分析
2024-05-08
用作摩擦副的材料雖然很多，然而確定機械密封摩擦副合適的組對材料并非容易,。從組對材料的相容性,、耐磨蝕性等角度出發(fā)，往往要通過大量的臺架試驗,，以及現(xiàn)場應(yīng)用的經(jīng)驗積累,，才能確定磨擦副的優(yōu)化組合。此外,，還要通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計,，才能充分發(fā)揮材料優(yōu)異的性能。
一,、碳石墨
碳石墨有幾十種可供選用,，其性質(zhì)各異。必須了解各種碳石墨的牌號,、性能及供貨來源,，合理選用。以下介紹一些失效形式及如何選用這類材料,。
1,、高磨損
目前，在選材時普遍存在著一種傾向,，即無論何種工況一律采用硬質(zhì)碳石墨,，認為硬度越髙越耐磨,。然而，在有些工況下卻并非如此,。例如,，對介質(zhì)的潤滑性差，或無潤滑性,，或易產(chǎn)生干摩擦的場合,，如輕烴介質(zhì)，使用硬質(zhì)的 M106k磨損較大,，而釆用軟質(zhì)的高純電化石墨磨損小,，這是因為軟質(zhì)石墨具有優(yōu)良的低摩擦性能，它是由于石墨晶體自潤滑性能好,，運轉(zhuǎn)期間有一層極薄的石墨膜向?qū)ε技砻孓D(zhuǎn)移,，使摩擦面得到潤滑，摩擦系數(shù)下降,，磨損減小。當(dāng)組對材料為噴涂陶瓷時,，以選用中等硬度的石墨為宜,。
若介質(zhì)中固體顆粒含量超過5%時，碳石墨不宜作單端面機械密封的組對材料,，也不宜作串聯(lián)布置中的主密封環(huán),。否則，密封件會出現(xiàn)高磨損,。
2,、泡疤
在熱油泵中，常會發(fā)現(xiàn)機械密封的碳石墨環(huán)端面上出現(xiàn)凹坑,、疤塊,。這是在選用碳石墨材料時，沒有充分研究浸漬物與碳石墨材料結(jié)合的溫度,。由于浸漬物的不同,，碳石墨密封件的適用溫度范圍也就不同。例如,，浸酚醛樹脂石墨,， 當(dāng)摩擦副表面溫度超過180°C時，樹脂會在密封端面分解形成硬粒和析出揮發(fā)物,，形成疤痕,，從而極大地增加摩擦力，使表面損傷而出現(xiàn)泄漏,。在條件允許的情況下,，減小摩擦副的接觸寬度，對降低摩擦熱造成的溫升是有效的。所以,，適當(dāng)減小碳石墨環(huán)摩擦寬度,，有利于防止泡疤的發(fā)生。質(zhì)量較差的碳石墨環(huán),，因內(nèi)部氣孔較多,，使用時氣孔膨脹，將碳微粒及樹脂揮發(fā)物吹出而形成泡疤,，而且將會引起密封端面黏著,。因此，高溫工況推薦用浸銅或浸銻石墨,。
3,、咬合破裂
在高溫場合下， 選擇浸漬金屬碳石墨是有利的,。因為無論是接觸端面溫度或?qū)嵯禂?shù)都要比浸漬樹脂的高許多,。但是，在機械密封運行時,，若出現(xiàn)干摩擦,，密封更容易失效，端面瞬時高溫,，金屬浸漬物會出現(xiàn)熔滴 ,，造成端面咬焊而使密封件破裂。浸巴氏合金,，銅合金或銻的碳石墨環(huán),，不宜用于高溫干摩擦工況。高溫干摩擦運轉(zhuǎn)應(yīng)采用浸銀石墨,。金屬銀具有良好的自潤滑性,，可有效地防止咬合破裂現(xiàn)象發(fā)生。
4,、斷裂
石墨的裂紋是由傳動件的振動,、 密封圈的脹大以及石墨環(huán)本身界面的尖角處應(yīng)力集中造成的。當(dāng)碳石墨環(huán)用于高黏度流體中時,， 特別是做浮裝式非補償環(huán),， 由于流體的黏性阻力， 使碳石墨密封環(huán)產(chǎn)生前后顛簸而碎裂,。因此,， 碳石墨密封環(huán)應(yīng)使用流體黏度界限制在 30Pa.s 以下，對高黏度流體,，可用銅合金環(huán)替代碳石墨環(huán),。
5,、變形
浮裝式碳石墨非補償環(huán)，在高壓下容易產(chǎn)生變形,，故高壓工況推薦用接觸式安裝,。大軸徑的非補償環(huán)，更應(yīng)注意其形狀及外形尺寸的設(shè)計,，增大徑向及軸向尺寸以防變形,。夾緊式結(jié)構(gòu)的碳石墨環(huán)，當(dāng)軸徑在100mm以上時,，用聚四氟乙烯0形圈夾緊,，容易造成碳石墨環(huán)變形，因此,，推薦用橡膠O形圈,。
二、工程陶瓷
工程陶瓷是耐腐蝕用機械密封不可缺少的摩擦副材料之一,。若選用不當(dāng),，也會出現(xiàn)很多問題。陶瓷是一種硬,、 脆且對切口及熱沖擊敏感的材料,。以下介紹使用工程陶瓷易出現(xiàn)的失效形式及選材方法。
1,、斷裂
脆性是所有陶瓷共有的缺點。特別是棱角部位受沖擊載荷易裂,。設(shè)計上盡量采用簡單的形狀,，避免有尖角存在。安裝,、拆卸,、儲運過程中應(yīng)極其小心， 不能有沖擊載荷,。裝配過緊是陶瓷環(huán)破裂的主要原因（其強度為硬質(zhì)合金的 1/4),。熱沖擊也是陶瓷環(huán)破裂的常見原因，密封裝置可能會暫時短時間地干運轉(zhuǎn),，因而溫度升髙,，當(dāng)液體突然進入密封界面，使瓷環(huán)驟然冷卻,，于是產(chǎn)生了難以承受的熱應(yīng)力而破壞,。所以，無論哪種陶瓷都要考慮其耐溫度驟變的性能,。髙溫工況下,，若經(jīng)常出現(xiàn)驟冷現(xiàn)象,，好不采用氧化鋁陶瓷，可用其它材料替換,。純度為 95%的氧化鋁陶瓷易于破裂,。純度越髙、粒度越細的髙純氧化鋁瓷環(huán)卻不易破裂,。
為彌補陶瓷強度低的缺點,，可用鑲裝結(jié)構(gòu)。為防止脫環(huán),，多采用鈦合金材料作環(huán)座,，過盈量一般在0.05~0.08mm 范圍內(nèi)選取。這樣,，既避免瓷環(huán)碎或脫環(huán),，又可保持兩者材料在耐腐蝕方面的同一性。
陶瓷材料的機械強度雖然低,，但要是結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,，使用和操作得當(dāng)，在給定工況條件下,，使用壽命仍然較長,。
2、組對性能
氮化硅陶瓷用作機械密封摩擦副材料具有選擇性,。例如,，在稀硫酸中氮化硅與填充玻璃纖維聚四氟乙烯組對時，氮化硅的磨耗大,， 而與碳石墨組對時效果較好,；用鉻鋼玉陶瓷與填充玻璃纖維聚四氟乙烯組對時，效果佳,。氮化硅陶瓷相互組對不僅磨耗大,，泄漏量也大，宜在低負荷條件下使用,。碳化硅陶瓷與碳石墨組對可用于高負荷條件,。
三、 硬質(zhì)合金
盡管硬質(zhì)合金的組對性能好,，但隨使用工況不同,，其組對性能也具有選擇性。
鈷基硬質(zhì)合金彼此組對,，在高溫場合端面容易產(chǎn)生熱裂紋,；若用鎳基硬質(zhì)合金與鈷基硬質(zhì)合金組對則可得以改善。
硬質(zhì)合金中的碳化物在室溫下一般能抗大多數(shù)酸堿的腐蝕,。用鈷作為粘結(jié)劑的鈷基硬質(zhì)合金,，由于鈷易被氧化以及耐蝕性差,，所以耐蝕性能不夠理想， 容易產(chǎn)生粘著,、 腐蝕磨損,。
熱水泵宜采用鎳基硬質(zhì)合金，例如,，用鎳基硬質(zhì)合金與碳石墨組對比用鈷基硬質(zhì)合金與碳石墨組對的壽命高一倍,。當(dāng)泵停用較長一段時間后，后者的起動轉(zhuǎn)矩約為前者的4倍,。
(來源：機械密封)
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