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机械密封的维护与选型

李海洋

( 斯达造纸有限公司 黑龙江 富裕 161202)
摘 要: 机 械密封失效分析 和 故障分析 维护及选型
关键词: 机 械密封 维护 选型

 

随着环境保护和人类健康要求的提高,对机器的泄漏要求也不断提高。由于机械密封泄漏量很小,密封可靠。因此自 1885年,英国产生第一个机械密封以来,机械密封被广泛应用于化工、石化和医药装置中。目前 8 0~ 9 0%的工业用泵配备机械密封。  随着制造业的发展,制造精度的提高, 这就要求机械密封的连续运转周期也需 要同时跟随着提高到同一水平。
虽然近年来机械密封技术发展很快,集装式机械密封的不断完善及新材料的不断应用,使密封寿命大大延长,泄漏量也大大减少。但要满足这一条仍相当困难。据统计,密封引起的故障占全部机器故障的 41 %以上。 造成这一现象的原因,一是作为泵机组中的动密封,其本身所处的工作条件、所起的作用所决定。二是许多用户 , 认为密封选用是泵厂和密封厂的事情,往往对机械密封的选用参数、类型、结构和原理以及管路系统了解不深,难以 对 机械密封的 失效 , 做出正确的判断,而 造成密封 的频繁更换 。 导致机械故障。

本文从机械密封与机械密封的选型两个方面进行分析 ,从而避免因机械密封的泄漏而引发机械故障。
一、 械密封失效分析与故障分析
1.腐 蚀失效
机械密封因腐蚀引起的失效为数不少,常见的腐蚀类型有如下几种。
① 表面腐蚀 。 由于腐蚀介质的侵蚀作用,机械密封件会发生表面腐蚀,严重时也可发生腐蚀穿孔,弹簧件更为明显,采用不锈钢材料,可减轻表面腐蚀。
② 点腐蚀 。 弹簧套常出现大面积点蚀或区域性点蚀,有的导致穿孔,此类局部腐蚀对密封使用尚不会造成很严重的后果,不过大修时也应予更换。

③ 缝隙腐蚀 。 动环的内孔与轴套表面之间、螺钉与螺孔之间, O形环与轴套之间,由于间隙内外介质浓度之差而导致缝隙腐蚀 。

④ 电化学腐蚀 。 异种金属在介质中往往引起电化学腐蚀,它使镶环松动,影响密封,一般亦采取在镶接处涂黏结剂的办法予以克服。
2 . 热损失效

① 热裂 。 如密封面处于干摩擦、冷却突然中断、杂质进入密封面、抽空等,会导致环表面出现径向裂纹,从而使对偶环急剧磨损,密封面泄漏迅速增加。碳化钨环热裂现象较常见。

② 老化、龟裂、溶胀 。 橡胶超过许用温度继续使用,将迅速老化、龟裂、变硬失弹。如是有机介质则溶胀失弹,这些均导致密封失效。凡因热损引起密封失效,关键在于尽量降低摩擦热,改善散热,使密封面处不发生温度剧变。
3 . 磨损失效

摩擦副若用材耐磨性差、摩擦因数大、端面比压(包括弹簧比压)过大、密封面进入固体颗粒等均会使密封面磨损过快而引起密封失效。采用平衡型机械密封以减少端面比压及安装中适当减少弹簧压力,有利克服因磨损引起的失效,此外,选用良好的摩擦副材料可以减轻磨损。按耐磨次序材料排列为碳化钨 -碳石墨、硬质合金-碳石墨、陶瓷(氧化铝)-碳石墨、喷涂陶瓷-碳石墨、氧化硅陶瓷-碳石墨、高速钢-碳石墨、堆焊硬质合金-碳石墨。
4 . 安装、运转等引起的故障分析
① 加水或静压试验时发生泄漏 。
由于安装不良,机械密封加水或静压试验时会发生泄漏。安装不良有下述诸方面。
a.动、静环接触表面不平,安装时有碰伤、损坏。
b.动、静环密封圈尺寸有误、损坏或未被压紧。
c.动、静环表面有异物夹入。
d.动、静环V形密封圈方向装反,或安装时反边。
e.紧定螺钉未拧紧,弹簧座后退。
f.轴套处泄漏,密封圈未装或压紧不够。
g.如用手转动轴泄漏方向性则有如下原因:弹簧力不均匀,单弹簧不垂直,多弹簧长短不一或个数少;密封腔端面与轴垂直不够。
h.静环压紧不均匀。
② 由安装、运转等引起的周期性泄漏
运转中如泵叶轮轴向窜动量超过标准、转轴发生周期性振动及工艺操作不稳定,密封腔内压力经常变化均会导致密封周期性泄漏。
③ 经常性泄漏
a.动环、静环接触端面变形会引起经常性泄漏。如端面比压过大,摩擦热引起动、静环的热变形;密封零件结构不合理,强度不够产生变形;由于材料加工原因产生的残余变形;安装时零件受力不均等,均是密封端面发生变形的主要原因。
b.镶装或粘接的动、静环接缝处泄漏造成泵的经常性泄漏,由于镶装工艺不合理引起残余变形、用材不当、过盈量不合要求、黏结剂变质均会引起接缝泄漏。
c.摩擦副损伤或变形而不能跑合引起泄漏。
d.摩擦副夹入颗粒杂质。
e.弹簧比压过小。
f.密封圈选材不正确,溶胀失效。
g.V形密封圈装反。
h.动、静环密封面对轴线不垂直度误差过大。
i . 密封圈压紧后,传动销、防转销顶住零件。
j.大弹簧旋向不对。
k.转轴振动。
l.动、静环与轴套间形成水垢不能补偿磨损位移。
m.安装密封圈处轴套部位有沟槽或凹坑腐蚀。
n.端面比压过大,动环表面龟裂。
o.静环浮动性差。
p.辅助装置有问题。
④ 突发性泄漏
由于以下原因,泵密封会出现突然的泄漏。
a. 泵强烈振动、抽空破坏了摩擦副。
b. 弹簧断裂。
c. 防转销脱落或传动销断裂而失去作用。
d. 辅助装置有故障使动、静环冷热骤变导致密封面产生变形或裂纹。
e. 由于温度变化,摩擦副周围介质发生冷凝、结晶影响密封。
⑤ 停泵一段时间再开支时发生泄漏
摩擦副附近介质的凝固、结晶,摩擦副上有水垢;弹簧锈蚀、堵塞而丧失弹性,均可引起泵重新开动时发生泄漏 。

二、 机械密封的选

1. 机械密封选型参数
机械密封的选型参数如下:
① 输送介质的物理化学性质,如腐蚀性、固体颗粒含量和大小、密度、

粘度、汽化压力,介质中的气体含量,以及介质是否易结晶等。
② 安装密封的有效空间等。
③ 工艺参数

2. 机械密封型式的确定

① 推压型和非推压型密封

推压型密封:指辅助密封沿轴或轴套机械推压来补偿密封面磨损的机械密封,通常就是指弹簧压紧式密封 。

非推压型密封:辅助密封固定在轴上的机械密封,通常为波纹管密封 。

② 平衡型和非平衡型密封
密封腔中的压力作用在动环上形成了闭合力,端面间的液膜形成开启力。一

般非平衡型只能用于低压。当压力大于一定的限度,密封面间的液膜就会被挤出。在丧失液膜润滑及高负荷的作用下,密封端面会很快损坏。非平衡型密封不能平衡液体对端面的作用,端面比压随流体压力的上升而上升。内装式密封轴上的台阶使密封端面延径向内移但不减少密封面的宽度。密封的开启力不变,但由于动环有较大的面积暴露在液体中,因此,闭合力被平衡了相当一部分。外装式密封的平衡方法除作用力方向恰好相反外,其余与内装式密封相同。在这种情况下,要增加闭合力中的液压的份额,以抵销密封端面间液膜的开启力 , 平衡型密封能部分平衡液体对端面的作用,端面比压随流体压力的上升而缓慢上升。
一般非平衡型只能用于低压,但对润滑性能差,低沸点,易汽化介质及高速工况,即使在低压下,也应选用平衡型密封。因为对于非平衡型密封, 当密封腔压力上升时,会将密封端面间的液膜挤出,使密封面很快损坏。平衡型密封能用于各种压力场合。

③ 单端面密封、无压双重密封和有压双重密封
单端面密封:只有一对摩擦副,结构简单,制造、拆装容易,一般只需设置

冲洗系统,不需要外供封液系统。有压双重密封 (原称为双端面机械密封):有两对摩擦副,结构复杂,需要外供封液系统,密封腔内通入比介质压力高0.5~1.5bar的隔离液,起封堵、润滑等作用,隔离液对内侧密封起到润滑作用。无压双重密封:有两对摩擦副,结构复杂,需要外供封液系统,密封腔内的缓冲液不加压,工艺介质对内侧密封起到润滑作用。
一般情况下,应优先选用单端面密封,因为单端面密封结构简单,使用方便,价格低。但在以下场合,优先选用双重机械密封。
a. 有毒及有危险性介质。
b. 高浓度的 H2S。
c. 易挥发的低温介质 (如液化石油气等)。
④ 内装式和外装式密封
内装式密封:指机械密封安装在密封腔内 。
外装式密封:指机械密封安装在密封腔外 。
由于内装式密封的受力情况好,比压随介质压力的增加而增加,其泄漏方向与离心力方向相反,因此一般情况均选用内装式机械密封。只有当介质腐蚀性极强时,且又不想考虑用有压双重密封时,才考虑选用外装式机械密封。
⑤ 旋转式和静止式机械密封
旋转式机械密封指补偿环随轴一起转动的机械密封。
静止式机械密封指补偿环不随轴一起转动的机械密封。  

由于弹簧及其它旋转元件产生的离心力较大,动平衡要求高,消耗的搅拌功率也大,应选用静止式机械密封。一般情况下均选用旋转式机械密封,但在轴径较大,转速较高 则选择 静止式机械密封 。 此外如果介质受强烈搅动易结晶时,也推荐采用静止式机械密封。
⑥ 单弹簧和多弹簧机械密封
单弹簧机械密封,结构简单,弹簧可兼起传动作用,但端面比压不均匀,不适用于高速运转。多弹簧机械密封,结构复杂,弹簧不能兼起传动作用,但端面比压均匀,适用于高速运转。一般情况下,推荐选用多弹簧机械密封。

以上是工作几年来做的总结,希望对机械维护方面做一点点贡献。

参考文献:

[1]邝守敏 制浆工艺及设备 中国轻工业出版社 2000

[2徐敏. 设备故障故障诊断手册, 西安交通大学出版社,1998