机械密封失效原因及维护探讨

机械密封失效原因及维护探讨
摘要:机械密封是一种由组件构成的机械装置,不同于常规垫片或填料的密封。

机械密封常安装在化工行业的介质输送泵和搅拌器等设备上,其性能远好于常规的填料密封和垫片密封。

但由于机械密封结构复杂,技术含量高,如果使用不当也会直接影响设备性能和系统的稳定生产。

针对机械密封经常出现的问题,本文进行了认真分析,并提出了解决方案。

关键词:机械密封泄露结构压力性能
1 机械密封的工作原理及特点
机械密封是一种轴用动态密封,其安装位置在轴上,靠近泵或搅拌器一侧。

弹簧和密封介质的压力在它和旋转的动环和静环之间的接触面形成油膜,然后通过适当的压紧力达到两个端面紧密贴合的目的来阻止介质泄露。

以泵为例,机械密封一般安装在轴的端部,与泵构成一个完整的整体。

由于机械密封特殊的结构形式,使其具有耐高温,耐磨,寿命长及适应作业模式广等特性。

与普通的垫片和填料密封相比,机械密封的泄露率远低于普通垫片和填料密封。

所以,当今世界上许多重要设备都采用机械密封。

但是机械密封的安装精度和制作相对要求较高,结构也比较复杂,这就提高了成本,另外对维修工程师来讲要求的技术也要过高,过硬。

因此,延长此密封的使用寿命就是一项艰巨的任务。

2 机械密封的结构特点
机械密封主要由由动环和静环组成的密封端面;辅助密封圈;以弹性元件为主要零件的补偿机构五部分组成(弹性元件一般有弹簧和橡胶波纹管两种,参见图2);使动环随轴旋转的传动机构和机械密封壳体。

下图2图示了机械密封的主要构成。

(1)动环和静环,是构成机械密封的主要元件,动环和静环的质量直接影响机械密封的使用性能。

(2)动环和静环或者静环和压盖之间的两个密封是机械密封的辅助密封圈。

辅助密封圈的材料大多是合成橡胶或柔性石墨或聚四氟乙烯,辅助密封圈采用什么材料取决于输送介质的化学特性。

如辅助密封圈的材料选择不当,可能会造成介质泄露或降低机械密封的使用寿命;安装质量也是影响机械密封寿命的重要因素,当密封端面和轴的中心线不垂直时会加速机械密封的失效。

(3)补偿机构,主要由弹性元件构成,如弹簧或波纹管,采用那种材料作为弹性元件取决于设计要求,如工作温度和介质的化学特性等。

补偿机构的作用是保持密封端面在动态下贴合,阻止液体泄露。

(4)传动机构,主要由轴套和固定元件构成。

轴套可在轴上滑动,当轴套磨损或锈蚀时,会增加轴套的移动阻力,影响轴套滑动的动态性
能。

当弹簧或波纹管的弹性力不足以克服轴套移动阻力时将产生泄漏。

(5)机械密封壳体,用以保护工作元件。

3 机械密封常见故障及处理
3.1 杂质进入密封面导致泄露
当杂质进入机械密封动静环之间的密封面时,会加速机械密封面的磨损,严重时会导致机械密封失效,造成液体泄露。

保持机械密封良好的工作环境有助于延长机械密封的使用寿命。

发现机械密封工作异常时,应及时停止设备运转,查找原因。

如发现有杂质进入机械密封,应及时清理,并采取措施避免杂质再次进入。

3.2 弹性元件工作状态失常导致泄露
根据机械密封的工作状态,通过调整弹性元件来调整机械密封的端面比压。

适宜的端面比压有助于阻止泄露和延长机械密封的使用寿命。

机械密封端面比压P?可按下式计算:
式中:Pc为端面比压;Ps为橡胶波纹管或弹簧的弹性力;K为载荷系数;λ为反压系数;P为密封流体压力。

香蕉波纹管或者弹簧的弹性力Ps将动环密封端面直接推动紧贴到东环表上,以此保证动环和静环之
间的密封。

密封端面间流动体膜平均压力相对于密封流体压力的比就是反压系数λ。

端面比压Pc与橡胶波纹管或弹簧的弹性力Ps、载荷系数K成正对应关系都可以从上式推出。

而载荷系数K值主要指密封流体压力相对动环,作用在静环上趋于贴合的有效作用面积与密封端面面积之比。

3.3 机械密封安装不当导致泄露
动环密封圈不能过紧,否则有害无益,其一,会使密封圈和轴套间的磨损加剧,缩短机械密封寿命,泄漏提前;其二,动环轴向调整、移动的阻力变大,会无法适应变化频繁的工作状态去进行轴向补偿和调整;其三,过度疲劳易导致弹簧损坏;其四,会造成动环密封圈变形,密封效果受影响。

因为静环密封圈一本是静止状态,所以密封效果相对较紧,但是过紧仍将产生不良后果。

其一,导致静环密封变形,密封效果受影响;其二,静环多以石墨为材质,比较脆,受力过度会产生碎裂;其三,过紧导致的安装拆卸困难等问题易损坏静环。

所以,一般静环的内径都会较轴颈稍大,以涂上润滑剂后的密封圈双手能用力压入的松紧状态为准。

手轻松压入则过松,双手用力都压不进则过紧。

3.4 工况变化导致泄露
如泵进口压力的波动可能会引起泵的出口压力出现波动,使泵体转子的轴向窜动量增大。

由于静环密封面来不及补偿位移,可能会导
致发生泄漏。

3.5 端面温升过高导致机械密封热损失效
当使用温度超过橡胶波纹管许用温度(约120 ℃)后仍继续使用,橡胶会迅速变硬失弹导致密封失效;静环石墨环超过约180℃(许用温度)后表面会析出树脂,摩擦面附近树脂发生炭化,也会使密封面失效。

机械密封在工作时会产生端面温升Δt,端面温升主要是静环、动环密封端面相互滑动产生的大量摩擦热。

式中:f为静环,动环端面间的摩擦因数;
v为端面平均滑动速度;
G为散热系数;
根据公式,端面温升主要与端面比压Pc、端面平均滑动速度v有关系。

现场要控制端面温升,必须控制端面比压大小。

而控制端面比压大小,主要是控制弹簧的弹性力或橡胶波纹管的弹性力。

当然,也取决于载荷系数值的大小,也就是通过静环密封端面内外径d1、d2尺寸的变化来调整端面比压的大小。

当端面温升时应采取措施保护机械密封。

3.6 泵抽空
由于操作不当,水泵被抽空导致泵体内没有液体,此时密封处于干
摩擦状态,造成石墨环表面磨损出现深且粗的环状沟纹,硬环出现径向裂纹或断裂,辅助密封圈老化、龟裂、变色、粘结,热装式密封环硬质合金松脱。

泵启动前,应仔细检查泵的吸入管,避免抽空。

3.7 机械密封本身质量问题而引发的泄漏
(1)密封面的精度不够。

更换机械密封时,要认真检查所更换的新机械密封,特别是动静环的密封面的光洁度是否良好。

一般来说,动环、静环的密封面的平面度应在0．5 mm以内。

(2)静环的弹簧是否完好。

应注意静环的弹簧压缩比是否适当,端面宽度是否合理以及摩擦副的配对情况等。

4 日常检修中的安装、维护
4.1 机械密封安装使用的一般原则
(1)弄清设备的情况。

要了解设备转轴的转速、轴径;要对设备制造精度及密封腔尺寸,设备本身的使用寿命以及设备在生产工艺中的地位等方面做全面均衡的考虑。

(2)弄清密封介质情况。

要了解密封介质的状态,输送介质是气态还是液态,介质是否含颗粒及颗粒状况;了解介质的性质、温度及粘度,以便合理选型及采取必要的冷却、冲洗、润滑措施。

(3)弄清密封介质的压力。

泵的密封腔压力一般不是泵的出口压
力,而是低于泵的出口压力。

4.2 机械密封安装使用的技术要求
(1)安装机械密封部位的轴或轴套的径向跳动公差应符合表1。

轴或轴套的表面粗糙度应符合技术要求。

(2)传动轴的轴向窜动量不宜超过0．2 mm。

(3)密封腔体端面对轴表面的跳动公差应符合表2。

(4)当输送介质温度偏高、偏低或含有杂质颗粒、易燃、易爆、有毒时,应采取相应的阻封、冲洗、冷却、过滤等措施。

4.3 机械密封的安装方法及注意事项
机械密封部件无论从制造精度上或安装精度上要求都很严格。

如果安装不当,就会影响密封的寿命和密封性能,严重时将会使密封迅速失效。

(1)安装前的准备工作及安装注意事项。

①检查要进行安装的机械密封的型号、规格是否正确无误,零件是否缺少。

②检查机械密封各元件是否有损坏,特别是动环和静环的密封端面是否碰伤。

③轴或轴套表面及密封腔内壁、密封端盖内表面是否有毛刺、沟痕等。

④不要用不干净的布或棉纱布擦洗动环和静环表面,应使用干净柔软的纱布、脱脂棉之类的东西擦洗。

⑤装配过程
中应保持清洁,保证动环、静环的密封端面不被划伤、碰破。

(2)装配顺序。

①机械密封静止部件的组装。

②机械密封旋转部件组装。

将机械密封的旋转部件依照先后次序逐个组装到轴上。

③端盖装在密封体上,并用螺钉均匀拧紧。

④盘动试车是否轻松,若盘不动或吃力,则应检查装配尺寸是否正确。

5 结语
虽然,机械密封技术含量高,结构复杂,但只要做到正确的使用和维护就能够大大提高设备的性能,保证设备的正常运行。

参考文献
[1] 陈德才．机械密封设计制造与使用[M]．北京:机械工业出版社,1993．
[2] 高武民．机械密封的失效原因分析及实际应用[J]．石油化工设备技术,2002,23(2).。