船用机械密封常见故障形式及预防措施研究

[摘 要]船用机械密封作为船舶机械设备的重要组成部分，其稳定运行直接关系到船舶的航行安全与经济效益。然而，在实际运行过程中，船用机械密封常因各种原因出现故障，导致设备性能下降，甚至引发安全事故，因此，做好船用机械密封常见故障的预防工作至关重要。文章通过深入分析船用机械密封常见故障形式，提出了有效的预防措施，可以确保机械密封装置的长期稳定运行，提高船舶机械设备的使用效率和安全性，为船舶的顺利航行提供有力保障。

[关键词]船用；机械密封；故障；预防措施

[中图分类号]TP183 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2024）06–0086–03

Research on Common Fault Forms and Preventive Measures of Marine Mechanical Seals

ZHANG Zhao

[Abstract]Marine mechanical seals， as an important component of ship mechanical equipment， have a direct impact on the safety and economic benefits of ship navigation due to their stable operation. However， in actual operation， marine mechanical seals often fail due to various reasons， leading to decreased equipment performance and even causing safety accidents. Therefore， it is crucial to do a good job in preventing common faults in marine mechanical seals. The article analyzes the common forms of faults in marine mechanical seals in depth and proposes effective preventive measures to ensure the long-term stable operation of mechanical seal devices， improve the efficiency and safety of ship mechanical equipment， and provide strong guarantees for the smooth navigation of ships.

[Keywords]marine use； mechanical seal； fault； preventive measure

1 船用机械密封的特征

1.1 优异的密封性能与低泄漏率

船用机械密封设计用于旋转轴端面的密封，能有效阻止流体介质（包括油、水、化学溶液等）沿轴向泄漏，保证设备内部压力稳定和介质纯度，满足船舶运行中对密封性能的高要求。相较于传统的填料密封，机械密封的泄漏量极小，甚至可做到接近零泄漏，这对于减少资源浪费、避免环境污染（尤其是对于海洋环境敏感的船舶行业）及确保设备运行安全至关重要。

1.2 高可靠性与适应性强

由于采用高质量材料和精密制造工艺，船用机械密封具有耐磨损、耐腐蚀、抗高温、抗高压等特点，能在恶劣工况下长时间稳定工作，大幅降低了维护频次和更换成本，提高了设备运行的连续性和可靠性。同时，适用于各种船舶泵、压缩机、搅拌器等设备的旋转轴密封，能应对船舶航行过程中可能遇到的大幅温度变化、振动冲击、海水侵蚀及介质中含有固体颗粒等复杂工况，保持良好的密封性能。

1.3 精密性与规范性

机械密封通常包括动环、静环、弹簧、辅助密封圈、传动机构（如推环、销钉、螺栓等）及流体冲洗或冷却系统等多个组件，各部分精密配合，确保密封面间的微小间隙得以精确控制，实现有效的端面密封。与此同时，船用机械密封遵循严格的行业标准和规范，如CB/T 3345—2008《船用泵轴机械密封装置》、 CB 3346—1988《船用泵轴的变压力机械密封》、HG/ T 2057—2011《搪玻璃搅拌容器用机械密封》、HG/T 2100—2020《液环式氯气泵用机械密封》等，确保产品的设计、制造、检验和安装均符合船舶应用的特殊要求。

1.4 动态特性与维护要求较高

船用机械密封在设计时充分考虑其动态性能，如动静环之间的摩擦力、热变形、弹性补偿、流体动力学效应等，确保在高速旋转条件下仍能保持良好的密封性和稳定性。正是由于其精密性和复杂性，船用机械密封对安装精度、对中、预紧力调节、介质清洁度、润滑状态等有较高要求，正确安装、操作及维护对延长其使用寿命至关重要。

2 船用机械密封常见故障形式

2.1 噪声

2.1.1 爆裂声

爆裂声通常表现为突发性的、强烈的、短促的响声，源自机械密封的密封面或周边区域。从实际情况来看，这种声响是由于密封面在某一瞬间承受的力分布不均匀，或是密封腔内气泡在高压下突然破裂所致。爆裂声的出现通常伴随着密封面的局部损伤，如划痕、凹陷、裂纹等，严重时导致密封面直接失效，无法有效阻止流体介质的泄漏。引发爆裂声的原因较多，与密封面材质硬度不匹配、轴偏摆过大、介质中存在大量气体、安装预紧力过大或过小、介质压力波动剧烈等因素有关。

2.1.2 尖叫声

尖叫声是一种持续、刺耳的高频声音，通常发生在机械密封运行过程中。尖叫声由以下原因导致：①干摩擦。当密封面缺乏有效润滑，直接接触并相对运动时，会产生剧烈的摩擦热和尖锐噪声。干摩擦不仅会加速密封面的磨损，还会导致密封面烧伤，严重降低密封性能。②密封面过度磨损。长期运行或异常工况下，动静环等密封元件的接触面出现严重磨损，导致密封间隙增大，密封面之间产生剧烈摩擦，发出尖锐噪声。③介质中混入硬质颗粒。如果流体介质中含有砂砾、金属屑等硬质颗粒，这些颗粒在密封面间循环挤压，会加剧密封面的磨损，同时产生刺耳的刮擦声。④冷却或润滑不足，如冷却液流量不足或润滑剂失效，会导致密封面温度升高，加剧密封面磨损，同时产生尖锐噪声。

2.2 结焦与热裂纹

2.2.1 结焦

结焦是指密封面或轴封区域的沉积物在高温作用下硬化成炭状物质的现象，其发生原因主要有：①密封面温度过高，超过密封材料的耐温极限，导致密封材料热分解、碳化，形成结焦。②某些特殊介质在高温下发生热分解或与氧气发生氧化反应，生成的产物在密封面沉积并硬化，形成结焦层。结焦不仅会改变密封面的表面性质，降低其耐磨性和自润滑性，还会阻碍密封面之间的有效贴合，导致密封性能下降。此外，结焦层的剥落也会加剧密封面的磨损。

2.2.2 热裂纹

热裂纹通常是指密封面或附近金属部件表面因高温作用产生的裂纹。例如，冷却系统故障或冷却液流量不足，导致密封面长时间处于高温状态，材料内部热应力积累，最终引发裂纹。设备长时间超负荷运转，使密封面承受过高的压力和温度，材料力学性能下降，易于产生裂纹。

2.3 冲击碎裂

冲击碎裂主要表现为密封组件因承受突然或剧烈的机械冲击而发生破裂或碎裂的情况。这类故障通常由这些因素引发：①泵起停过程中产生的水锤效应，即泵在启停过程中，流体介质的惯性导致管道内压力骤升骤降，产生强烈的水锤冲击，对密封组件造成破坏。②异物撞击，通常是流体介质中夹带的硬质异物（如砂砾、金属碎片等）在高速流动中撞击密封面，导致密封元件破裂。③安装过程中，如预紧力过大、对中不良、轴弯曲等，导致密封组件承受过大的机械应力，在运行过程中发生碎裂。冲击碎裂通常会导致密封组件立即失效，造成严重的介质泄漏，对设备运行安全构成威胁。

2.4 异常腐蚀

异常腐蚀通常由以下因素造成：①流体介质本身具有较强的腐蚀性，或含有腐蚀性成分，如酸、碱、盐、氧化剂等，对密封材料产生侵蚀。②选用的密封材料与实际工况下的介质不兼容，易被介质腐蚀。③密封件表面的防腐涂层因磨损、老化、开裂等原因失效，失去对基材的保护作用，导致基材暴露于腐蚀环境中。④外部环境中含有腐蚀性杂质（如海水、湿气、酸雾等）进入密封腔内，对密封件产生腐蚀。异常腐蚀不仅会降低密封件的机械强度，导致其提前失效，还产生腐蚀产物，堵塞密封间隙，影响密封性能。

2.5 泄漏

泄漏出现在以下部位：①轴套与轴之间的径向密封失效，导致介质沿轴向泄漏。同时，动环与轴套之间的密封面磨损、划伤或间隙过大，也会造成介质泄漏。②动静环之间的密封面磨损、划伤、热变形或间隙过大，那么介质泄漏的可能性较大。③静环与静环座之间的密封面磨损、划伤或固定不牢，进而造成介质泄漏。④密封端盖与泵体之间的连接面密封失效，如法兰连接处的垫片破损、螺栓松动等，最终也会造成介质泄漏的情况。泄漏量的大小可间接反映密封元件（如密封圈、摩擦副）的问题严重程度，轻微的泄漏仅需调整操作参数或修复密封面，严重的泄漏则需要更换密封组件或进行密封系统的大修。

2.6 安装静试时泄漏

新安装或维修后的机械密封在静止状态下进行测试时即出现泄漏，表明密封系统存在制造缺陷、装配误差或设计不合理等问题。具体原因包括：①密封元件制造缺陷。如动静环表面粗糙度不符合要求、密封圈尺寸偏差过大、弹簧弹性不足等，导致密封面贴合不良或预紧力不足，引发泄漏。②装配误差。如轴偏摆过大、密封面对中不良、密封件安装方向错误、预紧力过大或过小等，导致密封面贴合不良，引发泄漏。③介质压力异常。常见的是静试时介质压力过高，超过密封设计压力，导致密封面被强行推开，引发泄漏。

2.7 其他故障

2.7.1 磨损过度

动静环或辅助密封圈等因长期运行或异常工况导致过度磨损，失去密封效果。例如，密封元件在长期、高速、高压的工况下，密封面逐渐磨损，导致密封间隙增大，密封性能下降。

2.7.2 弹簧失效

弹簧疲劳、断裂或弹性丧失，无法提供稳定的密封力。因为弹簧在长期交变载荷作用下，内部产生微裂纹并逐渐扩展，最终导致断裂。同时，在特定介质环境下发生腐蚀，导致弹簧强度降低、弹性丧失。特别是弹簧承受的荷载超过其设计极限，导致弹簧塑性变形或断裂。一旦弹簧失效，便会影响密封面的贴合程度和预紧力，导致密封性能下降，严重时引发泄漏。

2.7.3 辅助系统故障

例如，冲洗、冷却或润滑系统的失效，导致密封面过热、干摩擦或介质污染。结合实际情况而言，当冲洗液流量不足、压力过低、水质差等，便会导致密封面不能得到有效冲洗，积聚污垢或腐蚀产物，影响密封性能。如果冷却液流量不足、温度过高、冷却器效率低等，也会进一步导致密封面温度升高，加剧磨损，引发结焦或热裂纹。

3 预防措施

3.1 噪声预防

定期对机械密封进行检查，确保各部件无损伤、磨损，并保持良好的润滑状态。对于有噪声迹象的密封，应及时调整或更换。同时，还要根据工作介质特性和工况条件选择合适的密封类型、材质及结构，确保动静环材质匹配，减少因材质硬度不均导致的爆裂声。控制泵的起停过程平稳，避免水锤效应；合理设定运行压力和转速，避免因压力波动或转速过高引发噪声，特别是要确保流体介质中不含气泡、硬质颗粒等异物，必要时安装过滤器；对含气介质进行脱气处理。

3.2 结焦与热裂纹预防

加强冷却，主要是确保冷却系统运行正常，冷却液流量充足，温度适中，有效带走密封面热量，防止过热导致结焦或热裂纹。选材与设计优化，需要采用耐高温、抗结焦、抗热裂的密封材料和设计，如采用热稳定好的合金材料、优化密封面形状和冷却结构，减少热应力集中。落实监测与预警，建议安装温度传感器，实时监控密封面温度，一旦发现异常升温，立即停机检查，防止热损伤进一步扩大。

3.3 冲击碎裂预防

防异物进入，需要设置有效的过滤装置，防止大颗粒异物进入泵内；在起停泵和切换工况时，遵循操作规程，避免因操作不当导致冲击。正确安装与对中，建议严格按照厂家推荐的安装步骤和对中要求进行密封安装，确保轴的同轴度和垂直度符合标准，防止因安装不当导致过应力。做好防护措施，重点是对关键部位如泵入口、出口及密封区域加装防护罩或缓冲装置，减轻外来冲击对密封的影响。

3.4 异常腐蚀预防

依据介质特性选用耐腐蚀的密封材料，确保与介质的化学兼容性；对易腐蚀部位使用防腐涂层或镀层进行保护，特别是对于腐蚀性强的介质需要进行预处理，如中和、脱盐、除氧等，降低其腐蚀性；定期更换或再生冷却、冲洗液，防止其成为腐蚀源，同时，确保密封腔内充满合适的隔离液或冲洗液，防止腐蚀性环境直接接触密封面；定期检查隔离液或冲洗液的品质和流量。

3.5 泄漏预防

根据泵的工作压力、温度、转速和介质特性选择适合的机械密封类型、材质和结构，确保密封设计合理、安装正确。对密封元件制造过程进行严格质量控制，确保尺寸精度、表面粗糙度等符合要求；出厂前进行密封性能试验，剔除不合格产品。按照制造商提供的安装手册进行密封安装，确保轴向窜动、径向跳动等符合规定值；进行静、动平衡试验，确保轴系稳定性。

3.6 安装静试时泄漏预防

对密封元件进行出厂前的全面质量检查，确保无制造缺陷；对供应商进行资质审查，确保其产品质量可靠。基于实际需求，建议培训专业技术人员进行密封装配，确保对中良好、预紧力适中；使用专用工具进行装配，避免人为操作失误。需注意，静试前确保介质压力、温度、纯度符合要求，清除可能存在的空气或其他非工作介质；严格按流程进行充液、排气，还要制订严格的静试验收标准和程序，对静试结果进行记录和分析，确保密封在静止状态下无泄漏。

3.7 其他故障预防

对于磨损的预防，可以合理选择摩擦副材料，提高耐磨性；定期检查和更换磨损件，保证密封间隙在允许范围内；对含有颗粒的介质进行过滤或预处理。对于弹簧预防而言，通常是选用优质弹簧材料，确保弹簧强度和弹性持久；定期检查弹簧状态，及时更换疲劳、腐蚀或变形的弹簧。关于辅助系统的预防，重点在于定期检查冲洗、冷却、润滑系统的运行状况，确保流量、压力、温度等参数符合要求；定期更换冷却液、润滑油，防止其变质影响密封性能；定期清洗或更换过滤器，防止系统堵塞。

4 结束语

在实践过程中，须熟知船用机械密封常见故障形式，然后通过上述预防措施的综合运用，可以显著降低船用机械密封各类故障的发生率，提高设备运行的安全性和可靠性。同时，建立健全设备维护保养制度，强化操作人员培训，严格执行设备操作规程，也是预防故障不可或缺的环节。

参考文献

[1] 张玉超.船舶机械设备故障类型及维修策略[J].科技创新与应用，2024，14（5）：133-136.