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機(jī)械密封的維護(hù)與選型
李海洋
( 斯達(dá)造紙有限公司 黑龍江 富裕 161202)
摘 要： 機(jī) 械密封失效分析 和 故障分析 維護(hù)及選型
關(guān)鍵詞： 機(jī) 械密封 維護(hù) 選型
隨著環(huán)境保護(hù)和人類健康要求的提高，對機(jī)器的泄漏要求也不斷提高。由于機(jī)械密封泄漏量很小，密封可靠。因此自 1885年，英國產(chǎn)生第一個(gè)機(jī)械密封以來，機(jī)械密封被廣泛應(yīng)用于化工、石化和醫(yī)藥裝置中。目前 8 0～ 9 0％的工業(yè)用泵配備機(jī)械密封。 隨著制造業(yè)的發(fā)展，制造精度的提高， 這就要求機(jī)械密封的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)周期也需 要同時(shí)跟隨著提高到同一水平。
雖然近年來機(jī)械密封技術(shù)發(fā)展很快，集裝式機(jī)械密封的不斷完善及新材料的不斷應(yīng)用，使密封壽命大大延長，泄漏量也大大減少。但要滿足這一條仍相當(dāng)困難。據(jù)統(tǒng)計(jì)，密封引起的故障占全部機(jī)器故障的 41 ％以上。 造成這一現(xiàn)象的原因，一是作為泵機(jī)組中的動密封，其本身所處的工作條件、所起的作用所決定。二是許多用戶 , 認(rèn)為密封選用是泵廠和密封廠的事情，往往對機(jī)械密封的選用參數(shù)、類型、結(jié)構(gòu)和原理以及管路系統(tǒng)了解不深，難以 對 機(jī)械密封的 失效 ， 做出正確的判斷，而 造成密封 的頻繁更換 。 導(dǎo)致機(jī)械故障。
本文從機(jī)械密封與機(jī)械密封的選型兩個(gè)方面進(jìn)行分析 ,從而避免因機(jī)械密封的泄漏而引發(fā)機(jī)械故障。
一、 械密封失效分析與故障分析
1.腐 蝕失效
機(jī)械密封因腐蝕引起的失效為數(shù)不少，常見的腐蝕類型有如下幾種。
① 表面腐蝕 。 由于腐蝕介質(zhì)的侵蝕作用，機(jī)械密封件會發(fā)生表面腐蝕，嚴(yán)重時(shí)也可發(fā)生腐蝕穿孔，彈簧件更為明顯，采用不銹鋼材料，可減輕表面腐蝕。
② 點(diǎn)腐蝕 。 彈簧套常出現(xiàn)大面積點(diǎn)蝕或區(qū)域性點(diǎn)蝕，有的導(dǎo)致穿孔，此類局部腐蝕對密封使用尚不會造成很嚴(yán)重的后果，不過大修時(shí)也應(yīng)予更換。
③ 縫隙腐蝕 。 動環(huán)的內(nèi)孔與軸套表面之間、螺釘與螺孔之間， O形環(huán)與軸套之間，由于間隙內(nèi)外介質(zhì)濃度之差而導(dǎo)致縫隙腐蝕 。
④ 電化學(xué)腐蝕 。 異種金屬在介質(zhì)中往往引起電化學(xué)腐蝕，它使鑲環(huán)松動，影響密封，一般亦采取在鑲接處涂黏結(jié)劑的辦法予以克服。
2 . 熱損失效
① 熱裂 。 如密封面處于干摩擦、冷卻突然中斷、雜質(zhì)進(jìn)入密封面、抽空等，會導(dǎo)致環(huán)表面出現(xiàn)徑向裂紋，從而使對偶環(huán)急劇磨損，密封面泄漏迅速增加。碳化鎢環(huán)熱裂現(xiàn)象較常見。
② 老化、龜裂、溶脹 。 橡膠超過許用溫度繼續(xù)使用，將迅速老化、龜裂、變硬失彈。如是有機(jī)介質(zhì)則溶脹失彈，這些均導(dǎo)致密封失效。凡因熱損引起密封失效，關(guān)鍵在于盡量降低摩擦熱，改善散熱，使密封面處不發(fā)生溫度劇變。
3 . 磨損失效
摩擦副若用材耐磨性差、摩擦因數(shù)大、端面比壓（包括彈簧比壓）過大、密封面進(jìn)入固體顆粒等均會使密封面磨損過快而引起密封失效。采用平衡型機(jī)械密封以減少端面比壓及安裝中適當(dāng)減少彈簧壓力，有利克服因磨損引起的失效，此外，選用良好的摩擦副材料可以減輕磨損。按耐磨次序材料排列為碳化鎢 -碳石墨、硬質(zhì)合金-碳石墨、陶瓷（氧化鋁）-碳石墨、噴涂陶瓷-碳石墨、氧化硅陶瓷-碳石墨、高速鋼-碳石墨、堆焊硬質(zhì)合金-碳石墨。
4 . 安裝、運(yùn)轉(zhuǎn)等引起的故障分析
① 加水或靜壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)生泄漏 。
由于安裝不良，機(jī)械密封加水或靜壓試驗(yàn)時(shí)會發(fā)生泄漏。安裝不良有下述諸方面。
a.動、靜環(huán)接觸表面不平，安裝時(shí)有碰傷、損壞。
b.動、靜環(huán)密封圈尺寸有誤、損壞或未被壓緊。
c.動、靜環(huán)表面有異物夾入。
d.動、靜環(huán)V形密封圈方向裝反，或安裝時(shí)反邊。
e.緊定螺釘未擰緊，彈簧座后退。
f.軸套處泄漏，密封圈未裝或壓緊不夠。
g.如用手轉(zhuǎn)動軸泄漏方向性則有如下原因：彈簧力不均勻，單彈簧不垂直，多彈簧長短不一或個(gè)數(shù)少；密封腔端面與軸垂直不夠。
h.靜環(huán)壓緊不均勻。
② 由安裝、運(yùn)轉(zhuǎn)等引起的周期性泄漏
運(yùn)轉(zhuǎn)中如泵葉輪軸向竄動量超過標(biāo)準(zhǔn)、轉(zhuǎn)軸發(fā)生周期性振動及工藝操作不穩(wěn)定，密封腔內(nèi)壓力經(jīng)常變化均會導(dǎo)致密封周期性泄漏。
③ 經(jīng)常性泄漏
a.動環(huán)、靜環(huán)接觸端面變形會引起經(jīng)常性泄漏。如端面比壓過大，摩擦熱引起動、靜環(huán)的熱變形；密封零件結(jié)構(gòu)不合理，強(qiáng)度不夠產(chǎn)生變形；由于材料加工原因產(chǎn)生的殘余變形；安裝時(shí)零件受力不均等，均是密封端面發(fā)生變形的主要原因。
b.鑲裝或粘接的動、靜環(huán)接縫處泄漏造成泵的經(jīng)常性泄漏，由于鑲裝工藝不合理引起殘余變形、用材不當(dāng)、過盈量不合要求、黏結(jié)劑變質(zhì)均會引起接縫泄漏。
c.摩擦副損傷或變形而不能跑合引起泄漏。
d.摩擦副夾入顆粒雜質(zhì)。
e.彈簧比壓過小。
f.密封圈選材不正確，溶脹失效。
g.V形密封圈裝反。
h.動、靜環(huán)密封面對軸線不垂直度誤差過大。
i . 密封圈壓緊后，傳動銷、防轉(zhuǎn)銷頂住零件。
j.大彈簧旋向不對。
k.轉(zhuǎn)軸振動。
l.動、靜環(huán)與軸套間形成水垢不能補(bǔ)償磨損位移。
m.安裝密封圈處軸套部位有溝槽或凹坑腐蝕。
n.端面比壓過大，動環(huán)表面龜裂。
o.靜環(huán)浮動性差。
p.輔助裝置有問題。
④ 突發(fā)性泄漏
由于以下原因，泵密封會出現(xiàn)突然的泄漏。
a. 泵強(qiáng)烈振動、抽空破壞了摩擦副。
b. 彈簧斷裂。
c. 防轉(zhuǎn)銷脫落或傳動銷斷裂而失去作用。
d. 輔助裝置有故障使動、靜環(huán)冷熱驟變導(dǎo)致密封面產(chǎn)生變形或裂紋。
e. 由于溫度變化，摩擦副周圍介質(zhì)發(fā)生冷凝、結(jié)晶影響密封。
⑤ 停泵一段時(shí)間再開支時(shí)發(fā)生泄漏
摩擦副附近介質(zhì)的凝固、結(jié)晶，摩擦副上有水垢；彈簧銹蝕、堵塞而喪失彈性，均可引起泵重新開動時(shí)發(fā)生泄漏 。
二、 機(jī)械密封的選 型
1. 機(jī)械密封選型參數(shù)
機(jī)械密封的選型參數(shù)如下：
① 輸送介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)，如腐蝕性、固體顆粒含量和大小、密度、
粘度、汽化壓力，介質(zhì)中的氣體含量，以及介質(zhì)是否易結(jié)晶等。
② 安裝密封的有效空間等。
③ 工藝參數(shù)
2. 機(jī)械密封型式的確定
① 推壓型和非推壓型密封
推壓型密封：指輔助密封沿軸或軸套機(jī)械推壓來補(bǔ)償密封面磨損的機(jī)械密封，通常就是指彈簧壓緊式密封 。
非推壓型密封：輔助密封固定在軸上的機(jī)械密封，通常為波紋管密封 。
② 平衡型和非平衡型密封
密封腔中的壓力作用在動環(huán)上形成了閉合力，端面間的液膜形成開啟力。一
般非平衡型只能用于低壓。當(dāng)壓力大于一定的限度，密封面間的液膜就會被擠出。在喪失液膜潤滑及高負(fù)荷的作用下，密封端面會很快損壞。非平衡型密封不能平衡液體對端面的作用，端面比壓隨流體壓力的上升而上升。內(nèi)裝式密封軸上的臺階使密封端面延徑向內(nèi)移但不減少密封面的寬度。密封的開啟力不變，但由于動環(huán)有較大的面積暴露在液體中，因此，閉合力被平衡了相當(dāng)一部分。外裝式密封的平衡方法除作用力方向恰好相反外，其余與內(nèi)裝式密封相同。在這種情況下，要增加閉合力中的液壓的份額，以抵銷密封端面間液膜的開啟力 , 平衡型密封能部分平衡液體對端面的作用，端面比壓隨流體壓力的上升而緩慢上升。
一般非平衡型只能用于低壓，但對潤滑性能差，低沸點(diǎn)，易汽化介質(zhì)及高速工況，即使在低壓下，也應(yīng)選用平衡型密封。因?yàn)閷τ诜瞧胶庑兔芊猓?當(dāng)密封腔壓力上升時(shí)，會將密封端面間的液膜擠出，使密封面很快損壞。平衡型密封能用于各種壓力場合。
③ 單端面密封、無壓雙重密封和有壓雙重密封
單端面密封：只有一對摩擦副，結(jié)構(gòu)簡單，制造、拆裝容易，一般只需設(shè)置
沖洗系統(tǒng)，不需要外供封液系統(tǒng)。有壓雙重密封 (原稱為雙端面機(jī)械密封)：有兩對摩擦副，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要外供封液系統(tǒng)，密封腔內(nèi)通入比介質(zhì)壓力高0.5~1.5bar的隔離液，起封堵、潤滑等作用，隔離液對內(nèi)側(cè)密封起到潤滑作用。無壓雙重密封：有兩對摩擦副，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要外供封液系統(tǒng)，密封腔內(nèi)的緩沖液不加壓，工藝介質(zhì)對內(nèi)側(cè)密封起到潤滑作用。
一般情況下，應(yīng)優(yōu)先選用單端面密封，因?yàn)閱味嗣婷芊饨Y(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價(jià)格低。但在以下場合，優(yōu)先選用雙重機(jī)械密封。
a. 有毒及有危險(xiǎn)性介質(zhì)。
b. 高濃度的 H2S。
c. 易揮發(fā)的低溫介質(zhì) (如液化石油氣等)。
④ 內(nèi)裝式和外裝式密封
內(nèi)裝式密封：指機(jī)械密封安裝在密封腔內(nèi) 。
外裝式密封：指機(jī)械密封安裝在密封腔外 。
由于內(nèi)裝式密封的受力情況好，比壓隨介質(zhì)壓力的增加而增加，其泄漏方向與離心力方向相反，因此一般情況均選用內(nèi)裝式機(jī)械密封。只有當(dāng)介質(zhì)腐蝕性極強(qiáng)時(shí)，且又不想考慮用有壓雙重密封時(shí)，才考慮選用外裝式機(jī)械密封。
⑤ 旋轉(zhuǎn)式和靜止式機(jī)械密封
旋轉(zhuǎn)式機(jī)械密封指補(bǔ)償環(huán)隨軸一起轉(zhuǎn)動的機(jī)械密封。
靜止式機(jī)械密封指補(bǔ)償環(huán)不隨軸一起轉(zhuǎn)動的機(jī)械密封。
由于彈簧及其它旋轉(zhuǎn)元件產(chǎn)生的離心力較大，動平衡要求高，消耗的攪拌功率也大，應(yīng)選用靜止式機(jī)械密封。一般情況下均選用旋轉(zhuǎn)式機(jī)械密封，但在軸徑較大，轉(zhuǎn)速較高 則選擇 靜止式機(jī)械密封 。 此外如果介質(zhì)受強(qiáng)烈攪動易結(jié)晶時(shí)，也推薦采用靜止式機(jī)械密封。
⑥ 單彈簧和多彈簧機(jī)械密封
單彈簧機(jī)械密封，結(jié)構(gòu)簡單，彈簧可兼起傳動作用，但端面比壓不均勻，不適用于高速運(yùn)轉(zhuǎn)。多彈簧機(jī)械密封，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，彈簧不能兼起傳動作用，但端面比壓均勻，適用于高速運(yùn)轉(zhuǎn)。一般情況下，推薦選用多彈簧機(jī)械密封。
以上是工作幾年來做的總結(jié)，希望對機(jī)械維護(hù)方面做一點(diǎn)點(diǎn)貢獻(xiàn)。
參考文獻(xiàn)：
[1]鄺守敏 制漿工藝及設(shè)備 中國輕工業(yè)出版社 2000
[2徐敏. 設(shè)備故障故障診斷手冊, 西安交通大學(xué)出版社，1998