化工机械密封的故障原因与解决措施

姚辉波

（淄博职业学院，淄博 255314）

化工机械密封的故障原因与解决措施

姚辉波

（淄博职业学院，淄博 255314）

Failure reason and resolvent of chemical mechanical face seal

YAO Hui-bo

机械密封作为一种重要的轴封装置，广泛应用于各工业领域。欲使密封具有良好的性能，则必须做到受载后的动、静环密封端面间保持平行或近似平行的几何形状。然而，密封环在外部机械力的作用下，将产生变形。因此，机械密封动、静环端面力变形准确的分析和计算对于设计、制造出性能优良的机械密封产品是至关重要的。

化工；机械密封；故障；解决措施

0 引言

化工机械源于化学工业，通常是指化工生产中为了将原料加工成一定规格的成品，在原料预处理、化学反应以及反应产物的分离和精制等一系列化工过程所用到的机械。化工机械密封的可靠性和使用寿命不仅取决于环境和运行工况，还取决于对故障的诊断和处理。本文总结了化工机械密封中常见的渗漏原因，并提出解决的具体措施。

机械密封是一种先进的动密封产品，它指由至少一对垂直于旋转轴线的端面在流体压力和补偿机构弹力（或磁力）的作用下以及辅助密封的配合下保持贴合并相对滑动而构成的防止流体泄漏的装置。多用于动密封部位，是因为与填料密封相比其具有密封效果好，不磨损转轴，使用寿命长，消耗功率小等优点。特别是在一些工作环境比较恶劣的场合，一般的密封产品是无法胜任的。时至今口，机械密封以其综合优良的使用性能已在诸多重要工业领域如石化、石油、化工等得到广泛应用。

1 机械密封的概述

1.1 机械密封的定义和组成

机械密封简称为“机封”，是一种先进的动密封产品，机械密封也称端面密封，主要用于泵、压缩机、液压传动和其他类似设备的旋转轴的密封。机械密封是指由至少一对垂直于旋转轴线的端面在流体压力和补偿机构弹力（或磁力）的作用下以及辅助密封的配合下保持贴合并相对滑动而构成的防止流体泄漏的装置（如图1所示）。在轻型密封中，还有使用橡胶波纹管作辅助密封的，橡胶波纹管弹力有限，一般需要辅以弹簧来满足加载弹力。

图1 机械密封结构示意图

随着新型密封材料的不断涌现、精密加工技术的不断进步以及计算机技术的广泛应用，机械密封在密封理论、密封结构、密封工作性能等方面都得以迅速拓展、丰富、完善和提高，具体体现在以下几个方面：

密封理论：主要涉及密封机理、密封摩擦副的摩擦与润滑、密封动静环的热力变形分析、动力学特性、流体动压润滑理论、流体静压润滑理论、热弹性流体动压润滑理论等。

密封结构：由最初的单端面密封发展到双端面密封和多端面密封、平衡型和非平衡型、静止式和旋转式、单弹簧和多弹簧、内流式和外流式、内装式和外装式、接触式和非接触式、集装式、剖分式、浮动式、组合式、波纹管式、刃边密封等。

密封工作性能：由最早单纯地追求减少泄漏量向实现零泄漏、零逸出、长寿命、低功耗、无污染等方面发展。

主要有以下四类部件组成了机械密封系统：a.主要密封件：动环和静环。b.辅助密封件：密封圈。c.压紧件：弹簧、推环。d.传动件：弹箕座及键或固定螺。

1.2 机械密封的分类

机械密封可按照不同的标准分类。按弹簧元件旋转或静止可分为旋转型和静止型。旋转型密封在高速运转时，介质中的弹簧本身受离心力影响容易变形，强腐蚀性介质在弹簧的强烈搅动下更为不利，而静止型则无这种缺点。由于它们是机械密封中最主要的零配件,其性能好坏直接关系到密封效果和寿命，因此，对密封环的材料、结构、形状、尺寸以及表面加工质量等都有较高的要求（表面加工精度如表1所示)。按密封介质泄漏方向可分为内流失和外流式。按介质在端面引起的卸载情况可分为平衡式和非平衡式。按静环位于密封端面内侧或外侧可分为内装式和外装式。按密封腔温度分类：高、中、普、低温密封。按密封腔压力分离：超高、高、中、低压机械密封。按弹簧的个数可分为单弹簧式和多弹簧式。按非接触式机械密封结构分类流体静压式、流体动压式、干气密封式。按密封端面的对数可分为单端面和双端面。按弹性元件分类弹簧压缩式和波纹管式。

表1 摩擦环端面粗糙度值

2 化工机械密封故障的主要原因

机械密封一般为内装式，常常需根据经验、现场观察及仪器测量分析来确定密封泄漏的原因。首先，弄清受损伤的密封件对密封性能的影响，然后依次对密封环、传动件、加载弹性元件、辅助密封圈、防转机构、紧固螺钉等仔细检查磨损痕迹。对附属件及密封系统等也应进行全面的检查。

图2 静止环示意图

图3 旋转环示意图

2.1 安装不良造成的机械密封泄露

操作中，由于抽空、气蚀、憋压等异常现象产生较大的轴向力，使动静环接触面分离；动环密封圈过紧，弹簧无法调整动环的轴向浮动量；对安装机械密封时压缩量过大，导致摩擦副端面严重磨损、擦伤；静环密封圈过松，当动环轴向浮动时，静环脱离静环座；设计选型有误，密封端面比压偏低或密封材质冷压缩较大等；工作介质中有颗粒状物质，运转中进入摩擦副端面，探伤动静环密封端面。

2.2 过热损伤造成的机械密封泄露

过热不仅引起密封副变形产生磨损,还可能引起热裂和疱疤。通常,在过大的热应力作用下密封环表面上出现径向裂纹, 称为热裂。在短时间的机械负荷或热负荷作用下会出现热裂,例如由于干摩擦、冷却系统中断等热裂时密封环磨损加剧泄漏量迅速增长。对于平衡型密封, 甚至密封环分开。为了避免热裂,必须掌握材料的机械－物理性能,在设计时考虑到可能产生热裂,并给定运转条件。介质润滑性差、过载、操作温度高、线速度高、配对材料组合不当等因素,或者是以上几种因素的叠加,都可以产生过大的摩擦热,若摩擦热不能及时散发,就会产生热裂纹,从而引起泄漏。

2.3 长期磨损造成的机械密封泄露

机械磨损将引起密封副的正常配合关系被破坏,当端面出现一定的磨损,传动轴每转一转密封件都要作轴向位移和径向摆动。根据磨损痕迹可以判断运动和磨损情况,也可以确定密封泄漏的原因。例如,密封副磨损痕迹均匀,各零件的配合良好,这就说明传动部分的同轴度良好。这时密封端面产生的泄漏,可能不是由密封本身问题引起的。若泄漏量为常数,就意味着泄漏不是发生在两端面之间,有可能发生在其他部位上, 如静密封处。再如,密封开始使用时就泄漏,且观察不到摩擦端面磨损痕迹,可能是旋转环相对于静止环不旋转或打滑, 其原因可能是防转销松脱或折断,或是底座的孔径小于密封件的外径,由于安装不到位所致。

2.4 化学腐蚀造成的机械密封泄露

由于密封接触腐蚀性介质就会产生表面腐蚀，甚至在表面各处产生剧烈腐蚀点而形成点蚀。在金属的晶界上产生的晶间腐蚀，会深入到金属的内部，并进一步破坏而引起断裂。腐蚀的性能影响很大。由于密封件比主机的零件小，而且更精密,通常要选用比主机更耐腐蚀的材料。经验表明，压力、温度和滑动速度都能使腐蚀加速。密封件的腐蚀率随温度升高呈指数规律增加。处理强腐蚀流体时，采用双端面密封，可以最大限度减轻腐蚀对密封件的影响，因为它与工艺流体相接触的零件数量少。这也是在强腐蚀条件下，选择密封结构的一条最重要的原则。

2.5 密封零件失效造成的机械密封泄露

机械密封零件失效大部分是辅助密封圈失效，机械密封由于泄漏而不能正常工作的一个主要原因也是因为O形圈失效引起的。O形圈失效的表现为老化、永久性变形、溶胀变形、扭曲及挤出损伤。因此,在选用O形圈时应考虑合成橡胶的安全使用温度,尽可能地选用截面较大的橡胶O形圈，适当提高硬度，采用沟槽式的装配结构, 通过沉浸试验合理选材，必要时选用复合材料，如橡胶包覆聚四氟乙烯密封圈。

3 机械密封泄漏问题对策

机械密封是由于密封端面间存在着端面膜而起到密封作用，而端面膜的形态又决定了密封的效果。由于工况的不同，机械密封端面间存在着液相、气相与气液混相等三种形式的端面膜。端面膜存在着不同形态的原因是被密封液体接近饱和状态时，出现沸腾或闪蒸，即发生相变。而端面膜一旦发生相变，膜的反压力就会发生较大变化，从而导致端面贴合不稳定。所以解决问题的关键是如何保证机械密封的端面膜为稳定膜。很显然，要确保端面膜为稳定膜，只需确保端面膜不发生相变或虽发生相变但不破坏端面的贴合。基于以上原因的分析，机械密封设计和造型一定要结合生产实际情况，尽量选用密封可靠、寿命较长的摩擦副材料及静密封圈材料。本文对机械密封的泄漏和解决措施总结分析如下。

3.1 周期性渗漏

泵转子轴向窜动量大，辅助密封与轴的过盈量大，动环不能在轴上灵活移动。在泵翻转，动、静环磨损后，得不到补偿位移。解决措施：在装配机械密封时，轴的轴向窜动量应小于0.1mm，辅助密封与轴的过盈量应适中，在保证径向密封的同时， 动环装配后保证能在轴上灵活移动(把动环压向弹簧能自由地弹回来)。密封面润滑油量不足引起干摩擦或拉毛密封端面。解决措施：油室腔内润滑油面高度应加到高于动、静环密封面。转子周期性振动。原因是定子与上、下端盖未对中或叶轮和主轴不平衡，汽蚀或轴承损坏(磨损)，这种情况会缩短密封寿命和产生渗漏。解决措施：可根据维修标准来纠正上述问题。

3.2 小型潜污泵机封渗漏

7.5kW以下小泵机封失效常常产生磨轴，磨轴位置主要有以下几个：动环辅助密封圈处、静环位置、少数弹簧有磨轴现象。

磨轴的主要原因：1）双端面机械密封，反压状态是不良的工作状态，介质中的颗粒、杂质很容易进入密封面，使密封失效。2）磨轴的主要件为橡胶波纹管，且是由于上端密封面处于不良润滑状态，动静环之间的摩擦力矩大于橡胶波纹管与轴之间的传递转矩，发生相对转动。3）动、静环辅助密封由于受到污水中的弱酸、弱碱的腐蚀，橡胶件已无弹性。有的已腐烂，失去了应有的功能，产生了磨轴的现象。为解决以上问题，现采取如下措施：1）保证下端盖、油室的清洁度，对不清洁的润滑油禁止装配。2）机封油室腔内油面线应高于动静环密封面。3）根据不同的使用介质选用不同结构的机封。对高扬程泵应重新设计机封结构，对腐蚀性介质橡胶应选用耐弱酸、弱碱的氟橡胶，机封静环应加防转销。

3.3 由于压力产生的渗漏

高压和压力波造成的机械密封渗漏由于弹簧比压力及总比压设计过大和密封腔内压力超过3 M P a 时，会使密封端面比压过大，液膜难以形成，密封端面磨损严重，发热量增多，造成密封面热变形。解决措施：在装配机封时，弹簧压缩量一定要按规定进行， 不允许有过大或过小的现象，高压条件下的机械密封应采取措施。为使端面受力合理，尽量减小变形，可采用硬质合金、陶瓷等耐压强度高的材料，并加强冷却的润滑措施。真空状态运行造成的机械密封渗漏泵在起动、停机过程中，由于泵进口堵塞，抽送介质中含有气体等原因，有可能使密封腔出现负压，密封腔内若是负压，会引起密封端面干摩擦，内装式机械密封会产生漏气( 水)现象，真空密封与正压密封的不同点在于密封对象的方向性差异，而且机械密封也有其某一方向的适应性。解决措施：采用双端面机械密封，这样有助于改善润滑条件，提高密封性能。

[1]胡国桢.化工密封技术[M].北京:化学工业出版社,1990.

[2]罗志新.石油化工釜用机械密封的失效分析与对策[J].聚氯乙烯,2000,(2).

[3]顾永泉.机械密封实用技术[M].北京:机械工业出版社,2002.

[4]徐灏.密封[M].北京:中国冶金工业出版社,2002.

[5]李系会.泵串联机械密封及系统改造[J].石油矿场机械,2006,35(2):93-94.

[6]李德俭,管洪君.可控式机械密封设计[J].石油矿场机械,2006,35(6):42- 44.

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1009-0134(2010)06-0159-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.06.52

2010-03-24

姚辉波（1963－）男，山东巨野人，副教授，硕士，研究方向为机械。