关键词：机械密封 失效原因 实际应用
导 读：机械密封普遍应用于炼油、化工、化纤、化肥等行业的泵、压缩机、反应釜等旋转设备。机械密封良好的使用性能为生产装置的长周期、安全、平稳运行打下了有效的物质基础。而且，机械密封在实践应用中不断地得到改进，使得机械密封应用更加广泛和完善。虽然如此，但由于诸多因素的影响，机械密封的使用寿命有长有短，长的可达1~2年，短的只有2~3月，甚至几周时间。今天老姜给大家带来机械密封在应用过程中容易失效的原因进行了总结和分析，并对机械密封的实际应用提出了几点建议。
机械密封的实效原因分析
机械密封亦称端面密封，其至少有一对垂直于旋转轴线的端面，该端面在流体压力及补偿机械外弹力的作用下，加之辅助密封的配合，与另一端面保持贴合并相对滑动，从而构成防止流体泄漏。
由于两个密封端面的紧密贴合，使密封端面之间的分界形成一微小间隙，当有压介质通过此间隙时，形成极薄的液膜并产生阻力，阻止介质泄漏，又使端面得以润滑，由此获得长期的密封效果。
根据机械密封的结构和工作原理以及日常的实际应用结果来看，机械密封发生失效的原因主要有以下几个方面：
1.由于两密封端面失去润滑膜而造成的失效
a) 因端面间载荷的存在，在密封腔缺乏液体时启动泵而发生干摩擦；
b) 介质的压力低于其饱和蒸汽压力，使得端面液膜发生闪蒸，丧失润滑；
c) 如介质为易挥发性产品，在机械密封冷却系统出现结垢或堵塞时，由于端面摩擦及旋转元件搅拌液体产生热量而使介质的饱和蒸汽压上升，也可造成介质压力低于其饱和蒸汽压的状况。
2.由于腐蚀而引起的机械密封失效
a) 由于腐蚀介质的侵蚀作用，机械密封会发生表面腐蚀以及一些点蚀，严重时可发生腐蚀穿透；
b) 由于碳化钨环与不锈钢座等焊接，使用中不锈钢座易发生晶间腐蚀；
c) 焊接金属波纹管、弹簧等在应力与介质腐蚀的共同作用下，往往会产生破裂。另外还有缝隙腐蚀和电化学腐蚀等，它们不是主要的原因。
3.由于高温效应而产生的机械密封失效
a) 热裂是高温油泵，如油浆泵、回炼油泵、常减压塔底泵等最常见的失效现象。在密封面处由于干摩擦、冷却水突然中断、杂质进入密封面、抽空等情况下，都会导致环表面出现径向裂纹；
b) 石墨炭化是使用碳-石墨环时密封失效的主要原因之一。由于在使用中，如果石墨环一旦超过许用温度(一般在-105~250℃)时，其表面会析出树脂，摩擦面附近树脂会发生炭化，当有粘结剂时，会发泡软化，使密封面泄漏增加，密封失效；
c) 辅助密封件(如氟橡胶、乙丙橡胶、全橡胶等)在超过许用温度后，将会使其迅速老化、龟裂、变硬失弹。现在所使用的柔性石墨耐高温、耐腐蚀性较好，但其回弹性较差。而且易脆裂，安装时容易损坏。
4.由于密封端面的磨损而造成机械密封失效
a) 摩擦副所用的材料耐磨性差、摩擦系数大、端面比压(包括弹簧比压)过大等，都会缩短机械密封的使用寿命。对常用的材料，按耐磨性排列的次序为：碳化硅-碳石墨、硬质合金-碳石墨、陶瓷-碳石墨、喷涂陶瓷-碳石墨、氮化硅陶瓷-碳石墨、高速钢-碳石墨、堆焊硬质合金-碳石墨。
b) 对于含有固体颗粒介质，密封面进入固体颗粒是致使密封失效的主要原因。固体颗粒进入摩擦副端面起研磨剂作用，使密封发生剧烈磨损而失效。密封端面合理的间隙，以及机械密封的平衡程度，还有密封端面液膜的闪蒸等都是造成端面打开而使固体颗粒进入的主要原因。
c) 机械密封的平衡程度β也影响着密封的磨损。一般情况下，平衡程度β=75%左右最适宜。β＜75%磨损量虽降低，但泄漏增加，密封面打开的可能性增大。对于高负荷(高PV值)的机械密封，由于端面摩擦热较大，β一般取65%~70%为宜，对低沸点的烃类介质等，由于温度对介质气化较敏感，为减少摩擦热的影响，β取80%~85%为好。
5.因安装、运转或设备本身所产生的误差而造成机械密封泄露
a) 由于安装不良，造成机械密封泄漏。主要表现在以下几方面：
1) 动、静环接触表面不平，安装时碰伤、损坏；
2) 动、静环密封圈尺寸有误、损坏或未被压紧；
3) 动、静环表面有异物；
4) 动、静环V型密封圈方向装反，或安装时反边；
5) 轴套处泄漏，密封圈未装或压紧力不够；
6) 弹簧力不均匀，单弹簧不垂直，多弹簧长短不一；
7) 密封腔端面与轴垂直度不够；
8) 轴套上密封圈活动处有腐蚀点。
b) 设备在运转中，机械密封发生泄漏的原因主要有：
1) 设备在运转中，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等均会导致密封周期性泄漏；
2) 摩擦副损伤或变形而不能跑合引起泄漏；
3) 密封圈材料选择不当，溶胀失弹；
4) 大弹簧旋向不对；
5) 设备运转时振动太大；
6) 动、静环与轴套间形成水垢后使得弹簧失弹而不能补偿密封面的磨损。
7) 密封环发生龟裂等。
c) 泵在停一段时间后再启动时发生泄漏，这主要是因为摩擦副附近介质的凝固、结晶，摩擦副上有水垢、弹簧锈蚀、阻塞而失弹。
d) 泵主轴是由轴承来支撑，密封端面处的轴都有一定的挠曲变形量和转动的角度。泵在运转时，机械密封的动环实际上就变为三维运动的陀螺。也就是说机械密封实际上是处于不稳定状态。对于机械密封自平衡性能不好，或者由于结构等原因而阻碍了密封的自平衡性，这也会导致密封泄漏失效。
机械密封，在实际应用中的建议
以上总结了机械密封在使用过程中比较常见的失效原因。其实机械密封失效的原因很多，也很复杂。在实际生产中，机械密封泄漏往往是各种因素的集合，而且各个企业的情况又不相同。比如冷却水结垢是引起机械密封失效的一个主要原因，但由于水质的不同，冷却水结垢的情况也不一样。因此，要根据机械密封失效的原因全面地制定出相应的措施很困难。下面根对机械密封在实际应用中提出几点建议，以期对使用机械密封的企业有所帮助。
1.选用性能可靠、价格合理、安装相对方便的机械密封
对于转动设备来说，机械密封是为设备的正常运转服务的，机械密封泄漏过大将无法使用，必须对其进行维修或更换。因此，要以设备的长周期平稳运行为目的，选用机械密封要以可靠性为首要指标，同时参考其价格合理程度。一般来说，焊接金属波纹管机械密封在使用上相对其它各类机械密封的性能要可靠许多，主要因素有：
a) 波纹管机械密封的密封端面受力相对较均匀；
b) 波纹管机械密封的追随性较好，它可以在一定程度上弥补由于转轴的挠曲变形、设备振动、动静环与轴套的同轴度误差等因素所产生的端面间隙(一般要求小于1μm)，从而减少机械密封的泄漏；
c) 波纹管机械密封与大弹簧型机械密封相比，它受轴套表面的腐蚀影响较小；
d) 波纹管机械密封的静环是用螺栓紧固在机械密封压盖上，而大部分弹簧型机械密封的静环基本上都是依靠“O”型密封圈同机械密封压盖的过度配合以及流体压力与外弹簧的作用来密封，它要受到压盖密封面的配合尺寸及腐蚀程度的影响，密封效果较差
但是，焊接金属波纹管机械密封相对价格较高，但以“单位费用的设备运转周期”来衡量，大部分的设备使用焊接金属波纹管机械密封要经济、省事的多。尤其象丹东克隆集团生产的DBM系列，动环与轴套通过螺栓紧固，密封面设计为平面密封，安装方便，受轴套腐蚀影响小，密封效果好。
2.高温重质油泵用机械密封的选用
对石油化工行业来说，高温重油介质泵的机械密封选用一直是一大难题。例如催化裂化油浆泵、回炼油泵、常压塔底泵、初馏塔底泵、减压塔底泵、延迟焦化的辐射进料泵等。
高温重油泵的介质具有以下共同的特点：
温度高：一般在340~400℃；
介质粘度大：在工作温度下一般运动粘度为(12~180)×10-6m/s；
介质含有颗粒：如催化剂、焦炭、含有沙粒等其它杂质。
对于高温重油介质泵用机械密封，现在各个企业都采用焊接金属波纹管机械密封。现在使用情况较好的有DBM型、XL-604/606/609型、YH604/606/609型等。波纹管材料采用AM350、INCONEL718、哈氏B、C等不锈钢；耐腐蚀高温合金等，有的波片采用双层结构，使其承压力从2MPa上升到5MPa，这些都有效的解决了波纹管的失弹问题。
针对波纹管内侧结焦和积炭以及含有固体颗粒等情况，解决的办法有关资料已做了相关的说明，比如采用蒸汽吹扫、摩擦副采用“硬对硬”、采用外冲洗等等，这些在一定程度上起到了较好的作用，这里不再过多阐述。但是以前提出的各种方法在实际应用中由于种种因素的影响效果不够理想。为了更好的提高机械密封的使用寿命，节资降耗，针对各种情况，建议应把以下措施综合起来采用：
a) 将金属波纹管设计成旋转型结构，旋转的波纹管机械密封有自清洗的离心作用，这可以减少波纹管外围沉积和内侧结焦；
b) 对摩擦副组对材料，建议使用“硬对硬”结构，一般采用碳化钨对碳化钨(其中选YG6-YG6)和碳化钨对碳化硅。选用“硬对硬”结构，必须注意以下几个问题：
1) 冷却系统要保障，禁止冷却水中断，以防端面温度升高，润滑膜闪蒸而降低密封端面的润滑，加剧磨损；
2) 机械密封在安装过程中，要给密封端面浇一些润滑油(机油或黄油均可)。以防在起泵时，密封端面由于缺乏润滑而造成的干摩擦；
3) 采用清洁的外冲洗是解决溶剂颗粒堆积的比较有效的方法之一，但这种方法浪费较大，而且各种泵的介质、温度、压力(一般要求冲洗液压力比介质侧压力高0.07~0.12MPa)又各不相同，外冲洗系统结构就更繁杂，加之外冲洗设施的投入以及维护费用的消耗，有时会造成弊大于利，尤其是一些中小型企业。因此许多企业的封油系统弃之不用，或者就没有设这套系统，针对这些情况，建议使用配有隔离介质的多密封结构，如油浆泵、回炼油泵等，使用双端面机械密封，在两组密封端面之间充满隔离介质(干净的机油等)。
这种结构可有效地延长机械密封的使用寿命，一般可达到6000~8000h以上。另外，采用这种结构还应考虑以下两点：
①靠近叶轮的一组密封端面材料选用“硬对硬”结构(如YG6-YG6)；而靠近机械密封压盖的一组密封端面既可选用“硬对硬”结构，也可选用浸铜或锑的碳-石墨对碳化钨或碳化硅；
②对高温油泵选用的隔离介质，要具有热分解温度、自燃点、闪点高(一般在260℃以上)、热氧化稳定性好、高温蒸发损失小的特点。
3.液态烃泵用机械密封的选用
液态烃介质是一种低温液化气体，具有低沸点、低粘度、高蒸气压等特性。在这种工况下应用的机械密封，会使密封件材料出现冷脆性，大气中的水汽会在密封装置的大气侧面上冻结，摩擦副端面液膜容易汽化等。尤其是当介质稍有泄漏，漏出的液态烃在大气侧立即汽化，带走大量的热，机械密封环境温度急剧下降，使用一般的密封材料，如橡胶或聚四氟乙烯普遍变脆，导致密封失效，泄漏增大而一发不可收拾。有些企业采用双端面机械密封，在介质和大气之间设一隔离室，其间通以封油以缓和低温的影响。但这种结构的机械密封安装要求复杂，且还需配封液系统，使用温度也受到限制，代价比较高。根据实际经验，使用波纹管机械密封比较好，主要表现在用金属波纹管和柔性石墨代替辅助密封圈，解决了密封圈材料发生冷脆而失弹及缓冲作用的问题，如用DBM型、YH-604/606/609型等。在液态烃泵上使用波纹管机械密封时应注意以下几点：
a)金属波纹管材料选用耐低温、塑性及韧性好的Hastelloy-C，AM350，Carpenter20等；
b）摩擦副材料在两种特殊情况下的选用：
1)对连续运转的设备，介质内若含有较多的固体颗粒，此时选用“硬对硬”结构(在实际应用中选了YG6-YG6)较好，一般连续运转寿命8000h以上；
2)对间歇性的运转设备，摩擦副选用碳化钨或碳化硅对特种石墨。
c)由于在低温条件下，摩擦副端面的汽化对机械密封性能影响很大，除选取较合适的材料外，合理选取端面比压(主要是波纹管的压缩量，一般比通常使用中所给的压缩量大15%~30%为宜)，在机械密封元件靠近大气侧通入25℃左右的冷却水，以改善摩擦副润滑环境。
