关于机械密封可靠性的探讨

薛德军

（黑龙江省赵光农场，黑龙江 北安 164021）

1 引言

流体密封技术对于大多数工业技术领域都有着重要意义，并一直是各方面专家所关注的问题，其中机械密封技术是最主要的动密封形式之一。机械密封的平均寿命为8～13个月，某些情况下甚至可以达到3～5 年。然而，即使在实行严格质量保证的工业部门，如原子能工业，由于原因不明的“早期失效”和偶然性损坏事故仍时有发生。针对某一特定过程获得所期望的密封寿命的一般规律是十分困难的。

研究密封的使用寿命，重要的是不仅要考虑泵（和密封）的一次性投资，还要考虑由于密封失效而带来的经济损失：产品损失；备用设备的投资；由于流体泄漏带来的对人、环境及设备（包括毗邻密封的轴承）的损害；更换密封所需的工时及部件，包括备件的库存等。

据报道，密封的使用寿命极限可能相差很大，在化学腐蚀工况下仅为几天，而在烯烃应用中能有效运行20 年以上。

2 机械密封的可靠性

除前述不同工况条件会使密封寿命有很大差异外，相同的密封在相同使用条件下的使用寿命也会显著不同。这与滚动轴承所做的试验相似，因此在讨论密封的可靠性时，应用统计概念比较恰当。

以下两个统计值已用于机械密封：

（1）L10寿命

当一个零件抽样数组中失效数目达到10%时的运转时间为L10使用寿命，与用韦伯失效分析方法有紧密关系。

（2）平均工作寿命（MTBF）

式中，L1、L2-单个密封的工作寿命。

注意：数组是一个统计学概念，是指标定值相同的部件在相同运行条件下得到的数值。

失效分析可用韦伯分析法，它可以用来确定失效时间分布。通过分析，韦伯系数β′的取值可按不同的失效时间分布类型选用下列值：早期寿命失效（早期失效）β′=0.5；中期失效（随机发生失效）β′=1.0，磨损失效β′＞3.4。

图1 是一组由29个甲醇泵的抽样数据而得的机械密封失效韦伯曲线。其中，0.8 表示处于早期失效和中期随机失效的混合状态。这种典型的机械密封遵循早期失效和中期随机失效的模式，而不是磨损失效模式。L10寿命可由韦伯曲线中直接得到，为46 天（1100h）。应注意，上述分析中包括仍在正常使用的密封的数据（如有些密封在工作5 年（40000h）后仍在正常使用）。

图1 甲醇泵密封失效的韦伯曲线

与流程泵内滚动轴承的最低预定寿命25000h 相比，L10寿命太短了。如此低的数值意味着寿命分布的范围太广，由此可见，MTBF 与L10寿命相比在应用方面更具有统计意义。

韦伯统计分析与MBTF的实用性在于它们可以用来相互比较，尤其在改变了设计或运行条件，并且已经达到延长寿命的预期效果的情况下，以上两种分析方法更有使用价值。

图2 硝酸循环泵密封失效的韦伯曲线

图2 是硝酸循环泵的密封失效韦伯曲线，这种泵的运行条件比较恶劣，应注意，尽管韦伯系数仅有很小的改变，在一些性能指标稍加改善后，其L10寿命可由2.1d 提高到10.05d，提高约5 倍。

3 结语

在许多场合下，用户对准确预测寿命比对提高可靠性更感兴趣。但预测寿命与随机失效分布有矛盾，只有在排除早期失效和中期随机失效之后才有可能提高预测能力，目前的研究工作应集中在如何预防密封失效方面。