泵轴上机械密封的失效原因分析

本文概述了机械密封端面泄漏、端面偏磨、密封环碎裂、密封圈泄漏等常见早期失效现象，并分析了产生这些现象的原因，主要是设计制造问题造成的。同时介绍了延长泵轴机械密封使用寿命的一些有效措施，如选用密封可靠、寿命较长的摩擦付材料及静密封圈材料。         机械密封系指两块密封元件在其垂直于轴线的光洁而平直的表面上相互贴合，并作相对转动而构成密封的装置。它通常由静环、动环、弹簧加荷装置（包括推环、弹簧、弹簧座、固定螺钉，传动销）、辅助密封圈（动环密封圈和静环密封圈）等元件组成。防转销固定在压盖上，用以防止静环转动。       从结构来看，机械密封主要是将极易泄漏的轴向密封，改变为不易泄漏的端面密封。因为机械密封具有密封性能可靠、泄漏量少、使用寿命长、功率损耗少、不需要经常维修等优点，且能满足生产自动化和高温、低温、高压、高真空、高速、各种易燃易爆、腐蚀性以及腐蚀性介质的密封要求，因此较其它密封获得更为迅速的发展和推广，越来越多地替代填料密封和其它密封。              1 新端面早期磨损原因及解决办法       机械密封端面早期磨损的原因常见的有以下几种。       1.机动环和静环的材料选择是否合适       由动环和静环所组成的摩擦副是机械密封最重要的零件。密封的寿命和工作质量（泄漏指标）都和它有直接关系。           机械密封摩擦副的材料要根据泵的工作介质的性质、工作压力、温度、转动速度等因素来选择，特别是对老产品上填料密封改装机械密封或原机械密封的改造，合理地选用机械密封材料是非常重要的。当机械密封在腐蚀性介质中时，它经受着化学腐蚀和电化腐蚀，尤其在摩擦面上，腐蚀率极大，这是因为端面上腐蚀生成物刚产生（能降低腐蚀率）就被摩擦所破坏的缘故。这种由耐腐蚀表层的产生到磨去，周期性的循环不止,通常称为磨蚀现象。其磨蚀速度约为无摩擦作用表面的腐蚀率的10至50倍。因此，摩擦副应选择既耐腐蚀耐磨性又好的材料。一般来说，石墨浸渍酚醛树脂耐酸不耐碱，浸渍呋喃树脂耐酸亦耐碱，浸渍环氧树脂耐碱性好，浸渍聚四氟乙烯树脂和陶瓷能耐强腐蚀性介质。          ⑴当机械密封在高压介质中时，由高压介质引起的端面比压如果超出其适应范围,会导致液膜破坏，引起发热和磨损;高压易使摩擦副变形及碎裂，从而使机械密封失效。要求高压下工作的摩擦副材料必须具有足够的刚度及强度,必须考虑用硬质合金、陶瓷、喷涂陶瓷等耐压且强度和刚度都高的材料。          ⑵在高转速情况下，机械密封由于线速度大，密封面上的摩擦热和磨损加大，故摩擦副材料应采用摩擦系数较低的导热好的陶瓷浸铜石墨等。          ⑶当机械密封在高温环境中时，如果处理不当易产生橡胶制品的老化、零件的变形等，使机械密封泄漏，应选用耐高温的材料，如烧结氧化铝瓷（刚玉陶瓷）、堆焊硬质合金等。          2.机石墨静环质量未达到设计要求            设计要求石墨静环浸渍树脂，而且要有一定的浸渍深度。有时石墨静环不是浸渍深度不够，就是机加工后浸渍层所剩很少;设计要求端面有的光洁度，而备件光洁度往往达不到要求;设计要求石墨质地纯洁，并有一定的硬度，而备件往往有硬质点、硬度也不够等。因此造成石墨的磨损相当严重。            3.机弹簧比压选择不当机械密封的主要密封点——动密封点，是由与轴线垂直的作旋转运动的动环端面和静环端面相互贴合而成的。弹簧在密封端面上产生的压紧力即弹簧比压，是使密封端面在低压启动、运转及停车情况下始终保持贴合，维持良好的密封状态的必要前提。而当密封端面磨损时，靠弹簧比压克服密封圈与轴的磨擦力，保证动环沿轴向移动，补偿端面磨损，保证密封。           由于弹簧比压值的大小直接影响密封的可靠性，如弹簧比压值过大，密封面压得过紧，磨损加剧;弹簧比压值过小，密封面不能很好贴合，弹簧力抵抗不了内部气体介质的压力或端面磨损得不到补偿，造成机械密封的泄漏。所以选择合理的弹簧比压值是密封可靠性的关键。弹簧比压不够，采取以下两种方法消除泄漏：（1）在动环背后加垫来补偿弹簧力。（2）用刮刀与砂布刮研、打磨密封腔与弹簧座及“V”型圈的配合处，使弹簧力作用在磨擦副的紧密贴合上。           4.机杂质进入密封端面造成的磨损       在密封端面接触和摩擦正常时，能够进入密封端面的固体杂质都是极细微的，也容易被密封水冲走，因此，对密封泄漏没有什么影响。较大固体颗粒进入密封端面，造成磨损加剧的情况，都是在密封工作不正常时发生的。大体分为以下几种情况：          ⑴在停机或检修后，试车初期，由于管路较脏或密封水质不好，固体杂质容易进入密封端面。因此，机械密封摩擦面磨损较快。           ⑵双端面机械密封在密封水压力波动，甚至低于泵、机内压力时，泵体内带有杂质的化工介质从内端面进入密封室，部分杂质存留在密封端面上，造成磨损加剧，单端面内装机械密封，由于介质压力波动，密封端面进入杂质的可能性较双端面小得多，相对寿命较长。           ⑶由于种种原因杂质进入密封端面。过氧机械密封端面早期严重磨损，从磨损机理来看，主要是颗粒磨损，粘着磨损只有在个别情况下才能发生，因此，我们只讨论颗粒磨损。过氧颗粒磨损速率是很高的，大大降低了机械密封的使用寿命。颗粒磨损不仅使软密封环（石墨环）摩损，而且使硬密封环（主要是硬质合金动环）磨损，颗粒磨损表面有明显的大致规则的刻痕和沟槽。颗粒磨损的实质是硬的颗粒在垂直分力作用下，刺入摩擦面，而在切向分力作用下作相对运动，从而使摩擦表面进行微切削和犁皱的过程。颗粒磨损不仅与材料的硬度和端面比压有关，而且和材料的显微组织、试验温度、载荷性质和应力大小、磨粒的尺寸和硬度以及摩擦面的化学性质等因素有关。            摩擦副配对材料的硬度差，对颗粒磨损的影响很大。摩擦副硬度差大，出现颗粒磨损的情况就少得多，摩擦磨损速率也小;但硬度差小，出现颗粒磨损情况就多。其原因主要是由于当颗粒侵入摩擦副，在动环硬度高时，只在石墨环上或嵌入石墨环上擦出沟纹，硬环未被擦伤，还能保持原有光洁度，过一段时间，颗粒还有可能被密封水冲走。而颗粒侵入摩擦面，动环硬度低时，则由于硬环被擦伤，在振动和偏心作用下，如锉刀一样锉石墨环，造成严重磨损。同时动环自身擦伤也越来越大。经过跑合，动环表面的沟纹与石墨环表面的沟纹逐渐同心吻合，这时泄漏量减少。           此外，动环或静环端面泄漏入口端，如果加工倒角过大，也能导致较大颗粒沿着斜面进入摩擦面，引起早期磨损。       对于特殊情况，应采用特殊办法，在开车初期或密封水质比较低劣时，为了避免机械密封的早期磨损失效，采用临时加大端面比压的作法，可以收到明显效果，适当增加弹簧比压并没有明显的增加摩擦副的磨损，相反避免了早期颗粒磨损，延长了使用寿命。                  2 新端面偏磨失效原因及补救措施            有时机械密封检修后试静压不漏，转动起来后泄漏较大，超过运转跑合期，泄漏量不减小，被迫重新检修。检修时往往发现在石墨静环密封端面上有偏磨现象，即静环端面有一部分没有与动环端面接触，没有摩擦痕迹，封液由此泄漏。            根据多次偏磨情况统计，偏磨主要是由于动环或静环偏心（和轴中心线不同心）和动环或静环偏斜（和轴中心线不垂直）引起的。       不同心有下列几种情况：动环与轴线不同心，静环与轴线不同心。           由于偏心造成的静环摩擦面压力分布不均匀，必然造成静环橡胶密封圈或聚四氟乙烯密封圈受力也不均匀，其压缩量也就不同。在动环旋转时，使静环中心线与轴线发生偏斜，产生某一偏斜角γ。这个偏斜角在动环转速较低的情况下（如果每分钟几转到几十转），弹簧力可以克服;在接近3000r/min时，就不能由弹簧力克服，机械密封就会泄漏。         偏磨主要是由于下述原因造成：             ⑴橡胶或聚四氟乙烯密封圈、动环、静环等密封件加工制造质量不合格，同心度和垂直度设计的允许偏差太大或加工制造误差大。             ⑵密封室端盖制造或安装与轴线不同心、不垂直。端盖是静环安装和定位的零件，如果端盖定位端面与轴线不同心或不垂直，势必造成静环与轴线不同心或不垂直，产生偏斜造成偏磨，同时，端盖与密封室连接法兰处，一般有一个非金属密封垫，如果钳工安装时，法兰螺栓预紧力不均匀，也会造成端盖与轴线不同心或不垂直，产生偏磨。             由此看来，除了在设计和加工密封室端盖时，对同心度和垂直度要提出较高的要求外;在安装密封室端盖时，螺栓力一定要均匀。该法兰处的非金属垫要在保证密封不漏的前提下，尽量选用薄垫。              总之，造成偏磨的原因，多数是密封圈、端盖等制造加工质量不合格，机械密封检修和安装不正确引起的。                   3 新密封环碎裂的原因及防治措施           密封环碎裂是机械密封早期失效常见现象之一。石墨静环主要是碎断，陶瓷、碳化钨动环主要是密封端面裂纹和变形。石墨环碎断，密封严重泄漏，密封水压不能保证大于介质压力。动环虽有裂纹，造成泄漏增加，但在多数情况下还能维持运转。造成石墨环碎断的原因是多方面的，主要有以下几种。           ⑴橡胶密封圈或聚四氟乙烯V形环与石墨环和静环座配合太紧，石墨受挤压，在动态下碎裂。           ⑵在安装密封室和泵体时撞击太重，或泵体密封室严重倾斜。            ⑶轴的摆动和串量超过规定值。           ⑷密封水中断，摩擦副干摩擦，温升过高，密封环热裂，而又突然送密封水，使密封环剧烈收缩而碎裂。             动环裂纹的主要原因如下：          ⑴硬质合金动环，存在着较大的应力，在动环运转时，在外力、内力联合作用下出现裂纹。这些裂纹都是沿径向发散的密集的细微裂纹。          ⑵温度影响：用非金属材料作密封环（如陶瓷、WC），由于热传导不好，环内温度分布极不均匀，即使在正常条件下，温差也可能达到好几百度，由于存在着温差，进而产生热变形而引起热应力。当热应力达到一定程度时，致使应力超过材料的强度极限。这时，对脆性材料的密封环往往产生表面龟裂，进而使密封面的摩擦磨损加剧而失效。由于热变形也会使贴合的密封面间隙畸变，从而使泄漏增加。            动环端面采用硬质合金时，由于这些材料的热胀系数都较小，与基体材料的热胀系数相差较大（不锈钢比硬质合金热胀系数高3～4倍），因此当密封温升超过一定值时，就会引起堆焊硬质合金密封环的变形或裂纹。          解决动、静坏碎裂和变形的有效措施，除了严格控制备件加工质量，细心安装检修，加强操作管理之外，保证密封端面能够得到充分的润滑冷却是重要措施。但是，在实际操作中，不是任何时候都能保证充分的润滑和冷却的，密封水压力波动、中断及工人的误操作，都会使密封失去充分的润滑和冷却。                  4 新密封圈泄漏及原因分析          有时机械密封泄漏，不是由于端面泄漏造成，而是由于动环、静环密封圈或轴套密封圈处泄漏引起。     原因如下：           1.机橡胶密封圈处泄漏       作动环、静环的“O”型橡胶密封圈，由于橡胶光洁度不够，硬度不适当，弹性不好，摩擦系数大，几何尺寸不合格，耐热性、耐腐蚀性不好等原因，也常引起密封泄漏。           2.机轴套与动环密封圈接触处泄漏       当一个轴套多次使用后，在动环密封圈与轴套接触处，轴套表面会产生粗糙的磨痕和斑点，往往引起密封泄漏。其原因主要是：           ⑴由于动环密封圈与轴套之间存在着微量的相对运动，磨粒或其他较硬杂质镶嵌到较软的密封圈之中。对轴套产生一种揉搓摩擦，而轴套表面未进行表面硬化处理或处理质量不好，结果造成磨损。          ⑵揉搓摩擦的结果，使轴套表面金属钝化膜破坏，轴套金属表面存在着电极电位差，形成电化学腐蚀。又由于该接触处本身及在微漏时都具有间隙腐蚀的条件，因此，腐蚀速率就更高。另外，动环密封圈在与大气接触的一侧，由于有氧气的存在，腐蚀条件更复杂恶劣，因此磨痕和斑点更明显。           聚四聚四氟乙烯密封环组用在动环上，由于其摩擦系数较橡胶小，光洁度较高，随动环移动容易，因此，比橡胶密封圈要好些。橡胶密封圈用在静环上,由于弹性好，硬度低，因此，比聚四氟乙烯密封圈密封可靠性要好。所以，合理选用密封圈材质也是很重要的，我们根据腐蚀等具体情况，对机械密封作了如下调整：在介质端静环用聚四氟乙烯圈或耐蚀耐温橡胶圈，在大气端静环一律用橡胶圈;动环一般都用聚四氟乙烯密封圈，效果比较理想。          消除轴套微动磨损，除了在轴套表面尽量选用硬度高、耐蚀性好、与母体亲和力强、表面光洁度高的喷镀材料和更好的喷镀工艺外，安装时还要注意轴套的磨损情况，适时更换新轴套、新密封圈，从多方面保证密封可靠性。                  5 总结            机械密封和填料密封比较，机械密封具有密封可靠、寿命长、消耗功率低、使用范围广等优点。一部分机械密封早期失效寿命短，主要不足是设计制造问题，往往是由于选型不当、备件质量不合格、摩擦副材质选用不合理、安装维护不得法、密封水质差等原因造成的。为延长机械密封的寿命，需要设计、制造、维护和使用各方面共同努力。            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。如双端面机械密封内端接触介质，以选用耐蚀材料为主;外端不接触介质，以选用密封可靠性好的材料为主，如WC橡胶圈等，不一定追求内外端选材的一致性，这样既可以降低成本，又能增加密封可靠性。            机械密封零件加工质量一定要严格要求，说明书及检修规程一定要特别定出机械密封的安装及使用技术要求，使工人有章可循。           机械密封在使用过程中，不一定泄漏量高一点就一定要检修。有时经过一段时间运行，进入密封面的脏东西冲走了，密封水质干净了，摩擦副跑合了，温度变形消除了，泄漏量还会明显下降。对于双端面机械密封，只要保得住压，就完全可以考验一个时期再检修。