關鍵詞：機械密封 失效原因 實際應用
導 讀：機械密封普遍應用于煉油、化工、化纖、化肥等行業的泵、壓縮機、反應釜等旋轉設備。機械密封良好的使用性能為生產裝置的長周期、安全、平穩運行打下了有效的物質基礎。而且，機械密封在實踐應用中不斷地得到改進，使得機械密封應用更加廣泛和完善。雖然如此，但由于諸多因素的影響，機械密封的使用壽命有長有短，長的可達1~2年，短的只有2~3月，甚至幾周時間。今天老姜給大家帶來機械密封在應用過程中容易失效的原因進行了總結和分析，并對機械密封的實際應用提出了幾點建議。
機械密封的實效原因分析
機械密封亦稱端面密封，其至少有一對垂直于旋轉軸線的端面，該端面在流體壓力及補償機械外彈力的作用下，加之輔助密封的配合，與另一端面保持貼合并相對滑動，從而構成防止流體泄漏。
由于兩個密封端面的緊密貼合，使密封端面之間的分界形成一微小間隙，當有壓介質通過此間隙時，形成極薄的液膜并產生阻力，阻止介質泄漏，又使端面得以潤滑，由此獲得長期的密封效果。
根據機械密封的結構和工作原理以及日常的實際應用結果來看，機械密封發生失效的原因主要有以下幾個方面：
1.由于兩密封端面失去潤滑膜而造成的失效
a) 因端面間載荷的存在，在密封腔缺乏液體時啟動泵而發生干摩擦；
b) 介質的壓力低于其飽和蒸汽壓力，使得端面液膜發生閃蒸，喪失潤滑；
c) 如介質為易揮發性產品，在機械密封冷卻系統出現結垢或堵塞時，由于端面摩擦及旋轉元件攪拌液體產生熱量而使介質的飽和蒸汽壓上升，也可造成介質壓力低于其飽和蒸汽壓的狀況。
2.由于腐蝕而引起的機械密封失效
a) 由于腐蝕介質的侵蝕作用，機械密封會發生表面腐蝕以及一些點蝕，嚴重時可發生腐蝕穿透；
b) 由于碳化鎢環與不銹鋼座等焊接，使用中不銹鋼座易發生晶間腐蝕；
c) 焊接金屬波紋管、彈簧等在應力與介質腐蝕的共同作用下，往往會產生破裂。另外還有縫隙腐蝕和電化學腐蝕等，它們不是主要的原因。
3.由于高溫效應而產生的機械密封失效
a) 熱裂是高溫油泵，如油漿泵、回煉油泵、常減壓塔底泵等最常見的失效現象。在密封面處由于干摩擦、冷卻水突然中斷、雜質進入密封面、抽空等情況下，都會導致環表面出現徑向裂紋；
b) 石墨炭化是使用碳-石墨環時密封失效的主要原因之一。由于在使用中，如果石墨環一旦超過許用溫度(一般在-105~250℃)時，其表面會析出樹脂，摩擦面附近樹脂會發生炭化，當有粘結劑時，會發泡軟化，使密封面泄漏增加，密封失效；
c) 輔助密封件(如氟橡膠、乙丙橡膠、全橡膠等)在超過許用溫度后，將會使其迅速老化、龜裂、變硬失彈。現在所使用的柔性石墨耐高溫、耐腐蝕性較好，但其回彈性較差。而且易脆裂，安裝時容易損壞。
4.由于密封端面的磨損而造成機械密封失效
a) 摩擦副所用的材料耐磨性差、摩擦系數大、端面比壓(包括彈簧比壓)過大等，都會縮短機械密封的使用壽命。對常用的材料，按耐磨性排列的次序為：碳化硅-碳石墨、硬質合金-碳石墨、陶瓷-碳石墨、噴涂陶瓷-碳石墨、氮化硅陶瓷-碳石墨、高速鋼-碳石墨、堆焊硬質合金-碳石墨。
b) 對于含有固體顆粒介質，密封面進入固體顆粒是致使密封失效的主要原因。固體顆粒進入摩擦副端面起研磨劑作用，使密封發生劇烈磨損而失效。密封端面合理的間隙，以及機械密封的平衡程度，還有密封端面液膜的閃蒸等都是造成端面打開而使固體顆粒進入的主要原因。
c) 機械密封的平衡程度β也影響著密封的磨損。一般情況下，平衡程度β=75%左右最適宜。β＜75%磨損量雖降低，但泄漏增加，密封面打開的可能性增大。對于高負荷(高PV值)的機械密封，由于端面摩擦熱較大，β一般取65%~70%為宜，對低沸點的烴類介質等，由于溫度對介質氣化較敏感，為減少摩擦熱的影響，β取80%~85%為好。
5.因安裝、運轉或設備本身所產生的誤差而造成機械密封泄露
a) 由于安裝不良，造成機械密封泄漏。主要表現在以下幾方面：
1) 動、靜環接觸表面不平，安裝時碰傷、損壞；
2) 動、靜環密封圈尺寸有誤、損壞或未被壓緊；
3) 動、靜環表面有異物；
4) 動、靜環V型密封圈方向裝反，或安裝時反邊；
5) 軸套處泄漏，密封圈未裝或壓緊力不夠；
6) 彈簧力不均勻，單彈簧不垂直，多彈簧長短不一；
7) 密封腔端面與軸垂直度不夠；
8) 軸套上密封圈活動處有腐蝕點。
b) 設備在運轉中，機械密封發生泄漏的原因主要有：
1) 設備在運轉中，如泵葉輪軸向竄動量超過標準，轉軸發生周期性振動及工藝操作不穩定，密封腔內壓力經常變化等均會導致密封周期性泄漏；
2) 摩擦副損傷或變形而不能跑合引起泄漏；
3) 密封圈材料選擇不當，溶脹失彈；
4) 大彈簧旋向不對；
5) 設備運轉時振動太大；
6) 動、靜環與軸套間形成水垢后使得彈簧失彈而不能補償密封面的磨損。
7) 密封環發生龜裂等。
c) 泵在停一段時間后再啟動時發生泄漏，這主要是因為摩擦副附近介質的凝固、結晶，摩擦副上有水垢、彈簧銹蝕、阻塞而失彈。
d) 泵主軸是由軸承來支撐，密封端面處的軸都有一定的撓曲變形量和轉動的角度。泵在運轉時，機械密封的動環實際上就變為三維運動的陀螺。也就是說機械密封實際上是處于不穩定狀態。對于機械密封自平衡性能不好，或者由于結構等原因而阻礙了密封的自平衡性，這也會導致密封泄漏失效。
機械密封，在實際應用中的建議
以上總結了機械密封在使用過程中比較常見的失效原因。其實機械密封失效的原因很多，也很復雜。在實際生產中，機械密封泄漏往往是各種因素的集合，而且各個企業的情況又不相同。比如冷卻水結垢是引起機械密封失效的一個主要原因，但由于水質的不同，冷卻水結垢的情況也不一樣。因此，要根據機械密封失效的原因全面地制定出相應的措施很困難。下面根對機械密封在實際應用中提出幾點建議，以期對使用機械密封的企業有所幫助。
1.選用性能可靠、價格合理、安裝相對方便的機械密封
對于轉動設備來說，機械密封是為設備的正常運轉服務的，機械密封泄漏過大將無法使用，必須對其進行維修或更換。因此，要以設備的長周期平穩運行為目的，選用機械密封要以可靠性為首要指標，同時參考其價格合理程度。一般來說，焊接金屬波紋管機械密封在使用上相對其它各類機械密封的性能要可靠許多，主要因素有：
a) 波紋管機械密封的密封端面受力相對較均勻；
b) 波紋管機械密封的追隨性較好，它可以在一定程度上彌補由于轉軸的撓曲變形、設備振動、動靜環與軸套的同軸度誤差等因素所產生的端面間隙(一般要求小于1μm)，從而減少機械密封的泄漏；
c) 波紋管機械密封與大彈簧型機械密封相比，它受軸套表面的腐蝕影響較小；
d) 波紋管機械密封的靜環是用螺栓緊固在機械密封壓蓋上，而大部分彈簧型機械密封的靜環基本上都是依靠“O”型密封圈同機械密封壓蓋的過度配合以及流體壓力與外彈簧的作用來密封，它要受到壓蓋密封面的配合尺寸及腐蝕程度的影響，密封效果較差
但是，焊接金屬波紋管機械密封相對價格較高，但以“單位費用的設備運轉周期”來衡量，大部分的設備使用焊接金屬波紋管機械密封要經濟、省事的多。尤其象丹東克隆集團生產的DBM系列，動環與軸套通過螺栓緊固，密封面設計為平面密封，安裝方便，受軸套腐蝕影響小，密封效果好。
2.高溫重質油泵用機械密封的選用
對石油化工行業來說，高溫重油介質泵的機械密封選用一直是一大難題。例如催化裂化油漿泵、回煉油泵、常壓塔底泵、初餾塔底泵、減壓塔底泵、延遲焦化的輻射進料泵等。
高溫重油泵的介質具有以下共同的特點：
溫度高：一般在340~400℃；
介質粘度大：在工作溫度下一般運動粘度為(12~180)×10-6m/s；
介質含有顆粒：如催化劑、焦炭、含有沙粒等其它雜質。
對于高溫重油介質泵用機械密封，現在各個企業都采用焊接金屬波紋管機械密封。現在使用情況較好的有DBM型、XL-604/606/609型、YH604/606/609型等。波紋管材料采用AM350、INCONEL718、哈氏B、C等不銹鋼；耐腐蝕高溫合金等，有的波片采用雙層結構，使其承壓力從2MPa上升到5MPa，這些都有效的解決了波紋管的失彈問題。
針對波紋管內側結焦和積炭以及含有固體顆粒等情況，解決的辦法有關資料已做了相關的說明，比如采用蒸汽吹掃、摩擦副采用“硬對硬”、采用外沖洗等等，這些在一定程度上起到了較好的作用，這里不再過多闡述。但是以前提出的各種方法在實際應用中由于種種因素的影響效果不夠理想。為了更好的提高機械密封的使用壽命，節資降耗，針對各種情況，建議應把以下措施綜合起來采用：
a) 將金屬波紋管設計成旋轉型結構，旋轉的波紋管機械密封有自清洗的離心作用，這可以減少波紋管外圍沉積和內側結焦；
b) 對摩擦副組對材料，建議使用“硬對硬”結構，一般采用碳化鎢對碳化鎢(其中選YG6-YG6)和碳化鎢對碳化硅。選用“硬對硬”結構，必須注意以下幾個問題：
1) 冷卻系統要保障，禁止冷卻水中斷，以防端面溫度升高，潤滑膜閃蒸而降低密封端面的潤滑，加劇磨損；
2) 機械密封在安裝過程中，要給密封端面澆一些潤滑油(機油或黃油均可)。以防在起泵時，密封端面由于缺乏潤滑而造成的干摩擦；
3) 采用清潔的外沖洗是解決溶劑顆粒堆積的比較有效的方法之一，但這種方法浪費較大，而且各種泵的介質、溫度、壓力(一般要求沖洗液壓力比介質側壓力高0.07~0.12MPa)又各不相同，外沖洗系統結構就更繁雜，加之外沖洗設施的投入以及維護費用的消耗，有時會造成弊大于利，尤其是一些中小型企業。因此許多企業的封油系統棄之不用，或者就沒有設這套系統，針對這些情況，建議使用配有隔離介質的多密封結構，如油漿泵、回煉油泵等，使用雙端面機械密封，在兩組密封端面之間充滿隔離介質(干凈的機油等)。
這種結構可有效地延長機械密封的使用壽命，一般可達到6000~8000h以上。另外，采用這種結構還應考慮以下兩點：
①靠近葉輪的一組密封端面材料選用“硬對硬”結構(如YG6-YG6)；而靠近機械密封壓蓋的一組密封端面既可選用“硬對硬”結構，也可選用浸銅或銻的碳-石墨對碳化鎢或碳化硅；
②對高溫油泵選用的隔離介質，要具有熱分解溫度、自燃點、閃點高(一般在260℃以上)、熱氧化穩定性好、高溫蒸發損失小的特點。
3.液態烴泵用機械密封的選用
液態烴介質是一種低溫液化氣體，具有低沸點、低粘度、高蒸氣壓等特性。在這種工況下應用的機械密封，會使密封件材料出現冷脆性，大氣中的水汽會在密封裝置的大氣側面上凍結，摩擦副端面液膜容易汽化等。尤其是當介質稍有泄漏，漏出的液態烴在大氣側立即汽化，帶走大量的熱，機械密封環境溫度急劇下降，使用一般的密封材料，如橡膠或聚四氟乙烯普遍變脆，導致密封失效，泄漏增大而一發不可收拾。有些企業采用雙端面機械密封，在介質和大氣之間設一隔離室，其間通以封油以緩和低溫的影響。但這種結構的機械密封安裝要求復雜，且還需配封液系統，使用溫度也受到限制，代價比較高。根據實際經驗，使用波紋管機械密封比較好，主要表現在用金屬波紋管和柔性石墨代替輔助密封圈，解決了密封圈材料發生冷脆而失彈及緩沖作用的問題，如用DBM型、YH-604/606/609型等。在液態烴泵上使用波紋管機械密封時應注意以下幾點：
a)金屬波紋管材料選用耐低溫、塑性及韌性好的Hastelloy-C，AM350，Carpenter20等；
b）摩擦副材料在兩種特殊情況下的選用：
1)對連續運轉的設備，介質內若含有較多的固體顆粒，此時選用“硬對硬”結構(在實際應用中選了YG6-YG6)較好，一般連續運轉壽命8000h以上；
2)對間歇性的運轉設備，摩擦副選用碳化鎢或碳化硅對特種石墨。
c)由于在低溫條件下，摩擦副端面的汽化對機械密封性能影響很大，除選取較合適的材料外，合理選取端面比壓(主要是波紋管的壓縮量，一般比通常使用中所給的壓縮量大15%~30%為宜)，在機械密封元件靠近大氣側通入25℃左右的冷卻水，以改善摩擦副潤滑環境。
