姚輝波

（淄博職業(yè)學(xué)院，淄博 255314）

化工機(jī)械密封的故障原因與解決措施

姚輝波

（淄博職業(yè)學(xué)院，淄博 255314）

Failure reason and resolvent of chemical mechanical face seal

YAO Hui-bo

機(jī)械密封作為一種重要的軸封裝置，廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域。欲使密封具有良好的性能，則必須做到受載后的動(dòng)、靜環(huán)密封端面間保持平行或近似平行的幾何形狀。然而，密封環(huán)在外部機(jī)械力的作用下，將產(chǎn)生變形。因此，機(jī)械密封動(dòng)、靜環(huán)端面力變形準(zhǔn)確的分析和計(jì)算對(duì)于設(shè)計(jì)、制造出性能優(yōu)良的機(jī)械密封產(chǎn)品是至關(guān)重要的。

化工；機(jī)械密封；故障；解決措施

0 引言

化工機(jī)械源于化學(xué)工業(yè)，通常是指化工生產(chǎn)中為了將原料加工成一定規(guī)格的成品，在原料預(yù)處理、化學(xué)反應(yīng)以及反應(yīng)產(chǎn)物的分離和精制等一系列化工過(guò)程所用到的機(jī)械?；C(jī)械密封的可靠性和使用壽命不僅取決于環(huán)境和運(yùn)行工況，還取決于對(duì)故障的診斷和處理。本文總結(jié)了化工機(jī)械密封中常見(jiàn)的滲漏原因，并提出解決的具體措施。

機(jī)械密封是一種先進(jìn)的動(dòng)密封產(chǎn)品，它指由至少一對(duì)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）的作用下以及輔助密封的配合下保持貼合并相對(duì)滑動(dòng)而構(gòu)成的防止流體泄漏的裝置。多用于動(dòng)密封部位，是因?yàn)榕c填料密封相比其具有密封效果好，不磨損轉(zhuǎn)軸，使用壽命長(zhǎng)，消耗功率小等優(yōu)點(diǎn)。特別是在一些工作環(huán)境比較惡劣的場(chǎng)合，一般的密封產(chǎn)品是無(wú)法勝任的。時(shí)至今口，機(jī)械密封以其綜合優(yōu)良的使用性能已在諸多重要工業(yè)領(lǐng)域如石化、石油、化工等得到廣泛應(yīng)用。

1 機(jī)械密封的概述

1.1 機(jī)械密封的定義和組成

機(jī)械密封簡(jiǎn)稱為“機(jī)封”，是一種先進(jìn)的動(dòng)密封產(chǎn)品，機(jī)械密封也稱端面密封，主要用于泵、壓縮機(jī)、液壓傳動(dòng)和其他類似設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸的密封。機(jī)械密封是指由至少一對(duì)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）的作用下以及輔助密封的配合下保持貼合并相對(duì)滑動(dòng)而構(gòu)成的防止流體泄漏的裝置（如圖1所示）。在輕型密封中，還有使用橡膠波紋管作輔助密封的，橡膠波紋管彈力有限，一般需要輔以彈簧來(lái)滿足加載彈力。

圖1 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖

隨著新型密封材料的不斷涌現(xiàn)、精密加工技術(shù)的不斷進(jìn)步以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，機(jī)械密封在密封理論、密封結(jié)構(gòu)、密封工作性能等方面都得以迅速拓展、豐富、完善和提高，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

密封理論：主要涉及密封機(jī)理、密封摩擦副的摩擦與潤(rùn)滑、密封動(dòng)靜環(huán)的熱力變形分析、動(dòng)力學(xué)特性、流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論、流體靜壓潤(rùn)滑理論、熱彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論等。

密封結(jié)構(gòu)：由最初的單端面密封發(fā)展到雙端面密封和多端面密封、平衡型和非平衡型、靜止式和旋轉(zhuǎn)式、單彈簧和多彈簧、內(nèi)流式和外流式、內(nèi)裝式和外裝式、接觸式和非接觸式、集裝式、剖分式、浮動(dòng)式、組合式、波紋管式、刃邊密封等。

密封工作性能：由最早單純地追求減少泄漏量向?qū)崿F(xiàn)零泄漏、零逸出、長(zhǎng)壽命、低功耗、無(wú)污染等方面發(fā)展。

主要有以下四類部件組成了機(jī)械密封系統(tǒng)：a.主要密封件：動(dòng)環(huán)和靜環(huán)。b.輔助密封件：密封圈。c.壓緊件：彈簧、推環(huán)。d.傳動(dòng)件：彈箕座及鍵或固定螺。

1.2 機(jī)械密封的分類

機(jī)械密封可按照不同的標(biāo)準(zhǔn)分類。按彈簧元件旋轉(zhuǎn)或靜止可分為旋轉(zhuǎn)型和靜止型。旋轉(zhuǎn)型密封在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，介質(zhì)中的彈簧本身受離心力影響容易變形，強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)在彈簧的強(qiáng)烈攪動(dòng)下更為不利，而靜止型則無(wú)這種缺點(diǎn)。由于它們是機(jī)械密封中最主要的零配件,其性能好壞直接關(guān)系到密封效果和壽命，因此，對(duì)密封環(huán)的材料、結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸以及表面加工質(zhì)量等都有較高的要求（表面加工精度如表1所示)。按密封介質(zhì)泄漏方向可分為內(nèi)流失和外流式。按介質(zhì)在端面引起的卸載情況可分為平衡式和非平衡式。按靜環(huán)位于密封端面內(nèi)側(cè)或外側(cè)可分為內(nèi)裝式和外裝式。按密封腔溫度分類：高、中、普、低溫密封。按密封腔壓力分離：超高、高、中、低壓機(jī)械密封。按彈簧的個(gè)數(shù)可分為單彈簧式和多彈簧式。按非接觸式機(jī)械密封結(jié)構(gòu)分類流體靜壓式、流體動(dòng)壓式、干氣密封式。按密封端面的對(duì)數(shù)可分為單端面和雙端面。按彈性元件分類彈簧壓縮式和波紋管式。

表1 摩擦環(huán)端面粗糙度值

2 化工機(jī)械密封故障的主要原因

機(jī)械密封一般為內(nèi)裝式，常常需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)觀察及儀器測(cè)量分析來(lái)確定密封泄漏的原因。首先，弄清受損傷的密封件對(duì)密封性能的影響，然后依次對(duì)密封環(huán)、傳動(dòng)件、加載彈性元件、輔助密封圈、防轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、緊固螺釘?shù)茸屑?xì)檢查磨損痕跡。對(duì)附屬件及密封系統(tǒng)等也應(yīng)進(jìn)行全面的檢查。

圖2 靜止環(huán)示意圖

圖3 旋轉(zhuǎn)環(huán)示意圖

2.1 安裝不良造成的機(jī)械密封泄露

操作中，由于抽空、氣蝕、憋壓等異?，F(xiàn)象產(chǎn)生較大的軸向力，使動(dòng)靜環(huán)接觸面分離；動(dòng)環(huán)密封圈過(guò)緊，彈簧無(wú)法調(diào)整動(dòng)環(huán)的軸向浮動(dòng)量；對(duì)安裝機(jī)械密封時(shí)壓縮量過(guò)大，導(dǎo)致摩擦副端面嚴(yán)重磨損、擦傷；靜環(huán)密封圈過(guò)松，當(dāng)動(dòng)環(huán)軸向浮動(dòng)時(shí)，靜環(huán)脫離靜環(huán)座；設(shè)計(jì)選型有誤，密封端面比壓偏低或密封材質(zhì)冷壓縮較大等；工作介質(zhì)中有顆粒狀物質(zhì)，運(yùn)轉(zhuǎn)中進(jìn)入摩擦副端面，探傷動(dòng)靜環(huán)密封端面。

2.2 過(guò)熱損傷造成的機(jī)械密封泄露

過(guò)熱不僅引起密封副變形產(chǎn)生磨損,還可能引起熱裂和皰疤。通常,在過(guò)大的熱應(yīng)力作用下密封環(huán)表面上出現(xiàn)徑向裂紋, 稱為熱裂。在短時(shí)間的機(jī)械負(fù)荷或熱負(fù)荷作用下會(huì)出現(xiàn)熱裂,例如由于干摩擦、冷卻系統(tǒng)中斷等熱裂時(shí)密封環(huán)磨損加劇泄漏量迅速增長(zhǎng)。對(duì)于平衡型密封, 甚至密封環(huán)分開(kāi)。為了避免熱裂,必須掌握材料的機(jī)械－物理性能,在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到可能產(chǎn)生熱裂,并給定運(yùn)轉(zhuǎn)條件。介質(zhì)潤(rùn)滑性差、過(guò)載、操作溫度高、線速度高、配對(duì)材料組合不當(dāng)?shù)纫蛩?或者是以上幾種因素的疊加,都可以產(chǎn)生過(guò)大的摩擦熱,若摩擦熱不能及時(shí)散發(fā),就會(huì)產(chǎn)生熱裂紋,從而引起泄漏。

2.3 長(zhǎng)期磨損造成的機(jī)械密封泄露

機(jī)械磨損將引起密封副的正常配合關(guān)系被破壞,當(dāng)端面出現(xiàn)一定的磨損,傳動(dòng)軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)密封件都要作軸向位移和徑向擺動(dòng)。根據(jù)磨損痕跡可以判斷運(yùn)動(dòng)和磨損情況,也可以確定密封泄漏的原因。例如,密封副磨損痕跡均勻,各零件的配合良好,這就說(shuō)明傳動(dòng)部分的同軸度良好。這時(shí)密封端面產(chǎn)生的泄漏,可能不是由密封本身問(wèn)題引起的。若泄漏量為常數(shù),就意味著泄漏不是發(fā)生在兩端面之間,有可能發(fā)生在其他部位上, 如靜密封處。再如,密封開(kāi)始使用時(shí)就泄漏,且觀察不到摩擦端面磨損痕跡,可能是旋轉(zhuǎn)環(huán)相對(duì)于靜止環(huán)不旋轉(zhuǎn)或打滑, 其原因可能是防轉(zhuǎn)銷松脫或折斷,或是底座的孔徑小于密封件的外徑,由于安裝不到位所致。

2.4 化學(xué)腐蝕造成的機(jī)械密封泄露

由于密封接觸腐蝕性介質(zhì)就會(huì)產(chǎn)生表面腐蝕，甚至在表面各處產(chǎn)生劇烈腐蝕點(diǎn)而形成點(diǎn)蝕。在金屬的晶界上產(chǎn)生的晶間腐蝕，會(huì)深入到金屬的內(nèi)部，并進(jìn)一步破壞而引起斷裂。腐蝕的性能影響很大。由于密封件比主機(jī)的零件小，而且更精密,通常要選用比主機(jī)更耐腐蝕的材料。經(jīng)驗(yàn)表明，壓力、溫度和滑動(dòng)速度都能使腐蝕加速。密封件的腐蝕率隨溫度升高呈指數(shù)規(guī)律增加。處理強(qiáng)腐蝕流體時(shí)，采用雙端面密封，可以最大限度減輕腐蝕對(duì)密封件的影響，因?yàn)樗c工藝流體相接觸的零件數(shù)量少。這也是在強(qiáng)腐蝕條件下，選擇密封結(jié)構(gòu)的一條最重要的原則。

2.5 密封零件失效造成的機(jī)械密封泄露

機(jī)械密封零件失效大部分是輔助密封圈失效，機(jī)械密封由于泄漏而不能正常工作的一個(gè)主要原因也是因?yàn)镺形圈失效引起的。O形圈失效的表現(xiàn)為老化、永久性變形、溶脹變形、扭曲及擠出損傷。因此,在選用O形圈時(shí)應(yīng)考慮合成橡膠的安全使用溫度,盡可能地選用截面較大的橡膠O形圈，適當(dāng)提高硬度，采用溝槽式的裝配結(jié)構(gòu), 通過(guò)沉浸試驗(yàn)合理選材，必要時(shí)選用復(fù)合材料，如橡膠包覆聚四氟乙烯密封圈。

3 機(jī)械密封泄漏問(wèn)題對(duì)策

機(jī)械密封是由于密封端面間存在著端面膜而起到密封作用，而端面膜的形態(tài)又決定了密封的效果。由于工況的不同，機(jī)械密封端面間存在著液相、氣相與氣液混相等三種形式的端面膜。端面膜存在著不同形態(tài)的原因是被密封液體接近飽和狀態(tài)時(shí)，出現(xiàn)沸騰或閃蒸，即發(fā)生相變。而端面膜一旦發(fā)生相變，膜的反壓力就會(huì)發(fā)生較大變化，從而導(dǎo)致端面貼合不穩(wěn)定。所以解決問(wèn)題的關(guān)鍵是如何保證機(jī)械密封的端面膜為穩(wěn)定膜。很顯然，要確保端面膜為穩(wěn)定膜，只需確保端面膜不發(fā)生相變或雖發(fā)生相變但不破壞端面的貼合?；谝陨显虻姆治?，機(jī)械密封設(shè)計(jì)和造型一定要結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，盡量選用密封可靠、壽命較長(zhǎng)的摩擦副材料及靜密封圈材料。本文對(duì)機(jī)械密封的泄漏和解決措施總結(jié)分析如下。

3.1 周期性滲漏

泵轉(zhuǎn)子軸向竄動(dòng)量大，輔助密封與軸的過(guò)盈量大，動(dòng)環(huán)不能在軸上靈活移動(dòng)。在泵翻轉(zhuǎn)，動(dòng)、靜環(huán)磨損后，得不到補(bǔ)償位移。解決措施：在裝配機(jī)械密封時(shí)，軸的軸向竄動(dòng)量應(yīng)小于0.1mm，輔助密封與軸的過(guò)盈量應(yīng)適中，在保證徑向密封的同時(shí)， 動(dòng)環(huán)裝配后保證能在軸上靈活移動(dòng)(把動(dòng)環(huán)壓向彈簧能自由地彈回來(lái))。密封面潤(rùn)滑油量不足引起干摩擦或拉毛密封端面。解決措施：油室腔內(nèi)潤(rùn)滑油面高度應(yīng)加到高于動(dòng)、靜環(huán)密封面。轉(zhuǎn)子周期性振動(dòng)。原因是定子與上、下端蓋未對(duì)中或葉輪和主軸不平衡，汽蝕或軸承損壞(磨損)，這種情況會(huì)縮短密封壽命和產(chǎn)生滲漏。解決措施：可根據(jù)維修標(biāo)準(zhǔn)來(lái)糾正上述問(wèn)題。

3.2 小型潛污泵機(jī)封滲漏

7.5kW以下小泵機(jī)封失效常常產(chǎn)生磨軸，磨軸位置主要有以下幾個(gè)：動(dòng)環(huán)輔助密封圈處、靜環(huán)位置、少數(shù)彈簧有磨軸現(xiàn)象。

磨軸的主要原因：1）雙端面機(jī)械密封，反壓狀態(tài)是不良的工作狀態(tài)，介質(zhì)中的顆粒、雜質(zhì)很容易進(jìn)入密封面，使密封失效。2）磨軸的主要件為橡膠波紋管，且是由于上端密封面處于不良潤(rùn)滑狀態(tài)，動(dòng)靜環(huán)之間的摩擦力矩大于橡膠波紋管與軸之間的傳遞轉(zhuǎn)矩，發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。3）動(dòng)、靜環(huán)輔助密封由于受到污水中的弱酸、弱堿的腐蝕，橡膠件已無(wú)彈性。有的已腐爛，失去了應(yīng)有的功能，產(chǎn)生了磨軸的現(xiàn)象。為解決以上問(wèn)題，現(xiàn)采取如下措施：1）保證下端蓋、油室的清潔度，對(duì)不清潔的潤(rùn)滑油禁止裝配。2）機(jī)封油室腔內(nèi)油面線應(yīng)高于動(dòng)靜環(huán)密封面。3）根據(jù)不同的使用介質(zhì)選用不同結(jié)構(gòu)的機(jī)封。對(duì)高揚(yáng)程泵應(yīng)重新設(shè)計(jì)機(jī)封結(jié)構(gòu)，對(duì)腐蝕性介質(zhì)橡膠應(yīng)選用耐弱酸、弱堿的氟橡膠，機(jī)封靜環(huán)應(yīng)加防轉(zhuǎn)銷。

3.3 由于壓力產(chǎn)生的滲漏

高壓和壓力波造成的機(jī)械密封滲漏由于彈簧比壓力及總比壓設(shè)計(jì)過(guò)大和密封腔內(nèi)壓力超過(guò)3 M P a 時(shí)，會(huì)使密封端面比壓過(guò)大，液膜難以形成，密封端面磨損嚴(yán)重，發(fā)熱量增多，造成密封面熱變形。解決措施：在裝配機(jī)封時(shí)，彈簧壓縮量一定要按規(guī)定進(jìn)行， 不允許有過(guò)大或過(guò)小的現(xiàn)象，高壓條件下的機(jī)械密封應(yīng)采取措施。為使端面受力合理，盡量減小變形，可采用硬質(zhì)合金、陶瓷等耐壓強(qiáng)度高的材料，并加強(qiáng)冷卻的潤(rùn)滑措施。真空狀態(tài)運(yùn)行造成的機(jī)械密封滲漏泵在起動(dòng)、停機(jī)過(guò)程中，由于泵進(jìn)口堵塞，抽送介質(zhì)中含有氣體等原因，有可能使密封腔出現(xiàn)負(fù)壓，密封腔內(nèi)若是負(fù)壓，會(huì)引起密封端面干摩擦，內(nèi)裝式機(jī)械密封會(huì)產(chǎn)生漏氣( 水)現(xiàn)象，真空密封與正壓密封的不同點(diǎn)在于密封對(duì)象的方向性差異，而且機(jī)械密封也有其某一方向的適應(yīng)性。解決措施：采用雙端面機(jī)械密封，這樣有助于改善潤(rùn)滑條件，提高密封性能。

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1009-0134(2010)06-0159-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.06.52

2010-03-24

姚輝波（1963－）男，山東巨野人，副教授，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械。