機械密封的失效原因分析

一般來說，軸封是流體機械的薄弱環(huán)節(jié)，它的失效是造成設(shè)備維修的主要原因。對機械密封的失效原因進行分析，常常能找到合理排除故障的最佳方案，從而提高流體機械運行的可靠性。

在流體機械中，當整個機械密封發(fā)生泄漏時，就可以認為已經(jīng)失效。機械密封失效的主要標志是:

泄漏量為多少時才算超標呢?根據(jù)經(jīng)驗，一般接觸式機械密封的泄漏量超出理論值的250倍時，可認為機械密封失效。但有毒、易爆和易燃等介質(zhì)，泄漏量即使很小時，就可認為密封失效。

在密封件處于正常工作位置，僅從外界就可以觀察和發(fā)現(xiàn)到的密封失效或即將失效前的常見特征有以下幾種。

泄漏是機械密封失效的主要表現(xiàn)形式。在實際工作中，可以從泄漏現(xiàn)象分析機械密封產(chǎn)生泄漏的原因。外裝式密封的泄漏便于觀察，而對于內(nèi)裝式密封，只能見到泄漏是來自靜止環(huán)的外周或內(nèi)周，給分析工作帶來一定困難。下面對普通內(nèi)裝式機械密封的典型泄漏通道(泄漏點，如圖13一1所示)進行分析，如表13一1所述。

在某些場合下，可以觀察到密封周圍結(jié)有冰層，這是由于被密封介質(zhì)泄漏，并發(fā)生泄漏介質(zhì)的汽化或閃蒸。此情況下應注意結(jié)冰可能會擦傷密封端面，尤其是石墨環(huán)。

在密封工作時，有時可以聽到密封發(fā)出爆鳴聲，這也是由于密封端面間介質(zhì)產(chǎn)生汽化或閃蒸。改善的措施主要是為密封提供可靠的工作環(huán)境，包括在密封的許可范圍內(nèi)提高密封腔壓力、安裝或改善旁路沖洗系統(tǒng)、降低介質(zhì)溫度、加強密封端面的冷卻等。

密封端面潤滑狀態(tài)不佳時，可能產(chǎn)生尖叫，在這種狀態(tài)下運行，將導致密封端面磨損嚴重，并可能導致密封環(huán)裂碎等更為嚴重的失效。此時應設(shè)法改善密封端面的潤滑狀態(tài)，如設(shè)置或加大旁路沖洗等。

在密封工作時，有時會發(fā)現(xiàn)石墨粉聚集在密封面的外側(cè)，其中的主要原因可能是密封端面潤滑不佳，或者密封端面間液膜汽化或閃蒸而殘留下某些物質(zhì)，并造成石墨環(huán)的磨損加劇。此時應考慮改善潤滑或盡量避免閃蒸出現(xiàn)。

可能的原因是整個密封面產(chǎn)品汽化或閃蒸。糾正措施是設(shè)法使產(chǎn)品保持在一定的狀況:

密封壽命縮短，可能是密封流體介質(zhì)中含有顆粒，造成劇烈磨損，可以利用沖洗措施使顆粒保持運動，減少在密封區(qū)內(nèi)的沉積。如果是由于產(chǎn)品冷卻結(jié)晶或部分固化，則可增大沖洗量趕走顆?；蚣訜嵋部删徑獯藛栴}。若是由于設(shè)備和管線受力不在一條直線上，則可采取措施保證設(shè)備和管線受力在一條直線上。若是密封運轉(zhuǎn)時太熱，應檢查所有冷卻管線，增大冷卻液流量或加沖洗管線，檢查節(jié)流套間隙和密封元件與軸封箱或底套摩擦生熱，應保持合適的間隙。若是密封件由于腐蝕或過熱而損壞，導致密封壽命短，檢查密封型式或材料是否能滿足要求。

對失效的機械密進行拆卸、解體時，可以發(fā)現(xiàn)密封失效的型式多種多樣。常見的有機械損壞、腐蝕損壞和熱損壞。

機械損壞的主要形式是磨損，其中包括其他由于機械強度不夠造成的各種形式的損壞。

在機械密封中，純粹因端面的長期磨損而失效的情況并不多見，但是因選材不當，碳石墨環(huán)的高磨損的情況也較常見。有些工作人員認為密封端面材料的硬度越高越耐磨，無論何種況，軟環(huán)材料均選擇硬質(zhì)碳石墨；然而，有些工況卻并非如此。在介質(zhì)潤滑性能差、易產(chǎn)生干摩擦的場合如輕烴介質(zhì)，采用硬質(zhì)碳石墨如M106K ，會導致其磨損速率高，而采用軟質(zhì)的高純電化石墨，其磨損速率會很小。原因是由石墨晶體構(gòu)成的軟質(zhì)石墨在運轉(zhuǎn)期間會有一層極薄的石墨膜向?qū)ε技砻孓D(zhuǎn)移，使其摩擦面得到良好潤滑而具有優(yōu)良的低摩擦性能。

碳石墨的選用是有限制的。當介質(zhì)中固體顆粒含量超過5%時，碳石墨不宜作單端面密封的組對材料，也不宜作串聯(lián)布置的主密封環(huán)。否則，密封端面會出現(xiàn)高磨損。當被密封介質(zhì)中含有固體顆粒時，密封環(huán)的組對材料均采用硬質(zhì)材料。如硬質(zhì)合金與硬質(zhì)合金或與碳化硅組對。

根據(jù)端面的摩擦副磨損痕跡，可判斷出密封的運行情況。當端面摩擦副磨損痕跡均勻正常，各零件的配合良好，這說明機器具有良好的同軸度；如果密封仍發(fā)生泄漏，則可能不是由密封本身問題引起的。當端面出現(xiàn)過寬的磨損，表明機器的同軸度很差。當出現(xiàn)的磨損痕跡寬度小于窄環(huán)環(huán)面寬度時，這意味著密封受到過大的壓力，使密封面呈現(xiàn)弓形。在密封面上有光點而沒有磨痕，這表明端面已產(chǎn)生較大的翹曲變形，這是由于流體壓力過大、密封環(huán)剛度差以及安裝不良等原困所致。如果硬質(zhì)環(huán)端面出現(xiàn)較深的環(huán)狀紋路溝槽，其原因主要是聯(lián)軸器對中不良，或密封的追隨性不好，當振動引起端面分離時，兩者之間有較大顆粒物質(zhì)入侵，顆粒嵌人較軟的碳石墨環(huán)端面內(nèi)，軟質(zhì)環(huán)就像砂輪一樣磨削硬質(zhì)環(huán)端面，造成硬質(zhì)端面的過度磨損。

機械密封運轉(zhuǎn)一段時間后，若摩擦端面沒有磨損痕跡，表明密封開始時就存在泄漏，泄漏介質(zhì)被氧化并沉積在補償環(huán)密封圈的附近，阻礙了補償環(huán)作補償位移，這是產(chǎn)生泄漏的原因。黏度較高的高溫流體，若不斷地泄漏，最易出現(xiàn)這種情況。端面無磨損痕跡的另一種可能就是摩擦端面已經(jīng)壓合在一起而無相對運動，相對運動發(fā)生在另外的部位。

圖13一2發(fā)生的磨損損壞通常是由于固體顆粒侵入密封面間，首先使軟環(huán)密封面磨損，但有時固體顆粒嵌入軟密封中而使硬密封面受到顆粒磨損。圖13一3所示石墨靜環(huán)發(fā)生嚴重磨損，致使靜環(huán)座亦發(fā)生磨損，旋轉(zhuǎn)動環(huán)嵌入靜環(huán)座達數(shù)毫米。措施：通常若介質(zhì)中固體顆粒的濃度達5%以上時應采用硬對硬摩擦副。

密封流體對密封元件會造成沖蝕磨損。原因：在高壓差(約30個大氣壓以上)重負荷密封中出現(xiàn)，高壓差會使密封面翹起造成流體對密封面的沖蝕(圖13一4所示)。同樣，在特別高的周速下出現(xiàn)泄漏也會將密封面的結(jié)合材料(軟環(huán))沖刷掉(圖13一5)以及如圖13一6、13一7所示的磨損。

為防止此類磨損，應使循環(huán)液量合適及合理布置其引入處。

由于O形圈與軸套之間有相對運動而產(chǎn)生軸套磨損(圖13一8)。原因：機加工誤差、軸向竄動以及環(huán)座傾斜所致。另外，因介質(zhì)內(nèi)的固體顆粒(或其他固體顆粒)嵌入O形圈而致使軸套磨損及O形圈損壞(圖13一9)。

因產(chǎn)品側(cè)密封空間內(nèi)固體顆粒(尤其是纖維物質(zhì))的積聚而使O形圈阻塞(圖13一10)。另外，因介質(zhì)閃蒸逸出物在大氣側(cè)的緩慢沉積而使密封面不能保持緊密接觸。

圖13一11所示為傳動螺釘與傳動套之間的磨損，一般發(fā)生在頻繁開停工況下，致使彈性元件失去彈性補償作用甚至密封面不能緊密貼合而失效。措施：采用圖13一12的傳動結(jié)構(gòu)。有時，因摩擦扭矩導致橡膠波紋管與密封環(huán)脫離(圖13一13)。

因劇烈振動及干運轉(zhuǎn)而造成金屬波紋管在焊接處開裂(圖13一14)，可采取圖13一15所示撥叉?zhèn)鲃咏Y(jié)構(gòu)來避免。

機械密封因腐蝕引起的失效為數(shù)不少，而構(gòu)成腐蝕的原因錯綜復雜。機械密封常遇到的腐蝕形態(tài)及需考慮的影響因素有以下幾種。

圖13一16所示，腐蝕為發(fā)生在零件接觸介質(zhì)表面的均勻腐蝕。表現(xiàn)為零件的重量減輕，失去強度，降低硬度，甚至會全部被腐蝕掉。彈簧、傳動銷等構(gòu)件常會因全面腐蝕而減少直徑，然后因強度不足而斷裂，從而導致密封失效?？刹捎媚臀g材料(如不銹鋼)，可在表面形成氧化物或氫氧化物的保護膜，使金屬鈍化而不受腐蝕。

圖13一17所示，在金屬表面各處產(chǎn)生的劇烈腐蝕點，是腐蝕行為發(fā)生在構(gòu)件的局部區(qū)域，它具有多種表現(xiàn)型式，如選擇性腐蝕、應力腐蝕、磨損腐蝕、縫隙腐蝕等，其危害比表面腐蝕更為嚴重。例如，鈷基硬質(zhì)合金應用于高溫強堿中時，粘接相金屬鉆就易被有選擇地腐蝕掉，硬質(zhì)相碳化鎢骨架失去強度，在機械力的作用下產(chǎn)生了晶粒剝落，結(jié)果導致密封端面的嚴重受損而失效。又如，反應燒結(jié)碳化硅在強堿中因游離硅被腐蝕而表面呈現(xiàn)麻點。采用不銹鋼時，鈍化后的氧化鉻保護膜局部破壞而產(chǎn)生的腐蝕，其破壞作用比均勻腐蝕更危險。措施：在金屬成分中限制鉻的含量而增加鎳和銅。

 一般發(fā)生在銅焊碳化鎢環(huán)的支撐材料，僅發(fā)生在金屬的晶界面上如圖13一18、圖13一19所示。其重量腐蝕率很小，但能深深地腐蝕到金屬的內(nèi)部，且易因缺口效應而引起切斷損壞。對奧氏體不銹鋼，在450~850℃之間發(fā)生，在晶界處有碳化鉻析出，使其喪失惰性。措施：在1050℃下進行熱處理，使鉻固熔化而均勻地分布在奧氏體基體中。

應力腐蝕是金屬材料在腐蝕介質(zhì)和應力的共同作用下，產(chǎn)生裂紋或發(fā)生斷裂的觀象。金屬焊接波紋管、彈簧、傳動套的傳動耳環(huán)等機械密封構(gòu)件最易因產(chǎn)生應力腐蝕而失效。圖13一20所示為縱向縫焊軋制的金屬波紋管產(chǎn)生的應力腐蝕，是金屬材料在承受應力狀態(tài)下處于腐蝕環(huán)境中產(chǎn)生的腐蝕現(xiàn)象。易產(chǎn)生應力腐蝕的材料有鋁合金、銅合金、鋼及奧氏體不銹鋼。一般應力腐蝕都是在高拉應力下產(chǎn)生，先表現(xiàn)為溝痕、裂紋，最后斷裂。

圖13一21所示為機械密封動環(huán)密封面內(nèi)孔處由于窄縫處沉積而產(chǎn)生的縫隙腐蝕情況，是一種濃差電池腐蝕。一般產(chǎn)生在兩個零件靠近的狹窄縫隙部位(如動環(huán)與軸套縫隙內(nèi))。在機械密封O形環(huán)附近經(jīng)?？砂l(fā)現(xiàn)此腐蝕現(xiàn)象。機械密封彈簧座與軸之間，補償環(huán)輔助密

封圈與軸之間(當然此處還存在微動腐蝕)出現(xiàn)的溝槽或點蝕即是典型的例子。補償環(huán)輔助密封圈與軸之向出現(xiàn)的腐蝕溝槽，將可能導致補償環(huán)不能做軸向移動而使其喪失追隨性，使端面分離而泄漏。原因：介質(zhì)流動時受到窄縫的阻礙，生成惰性氧化物層，窄縫內(nèi)溶液因供氧不足，與間隙外的溶液之間形成濃差電池而在縫隙部分產(chǎn)生腐蝕。

圖13一22所示為機械密封的密封環(huán)銀焊料與鉻鋼之間電位差產(chǎn)生的電池腐蝕情況，是由于兩種金屬在電介質(zhì)中有電位差而產(chǎn)生電池作用。措施：應盡量避免使用有電位差的兩種金屬組合使用的結(jié)構(gòu)。

另外，還有一種復合形式的磨損腐蝕損壞，是磨損與腐蝕交替作用而造成的材料破壞。磨損的產(chǎn)生可源于密封件與流體間的高速運動，沖洗液對密封件的沖刷，介質(zhì)中的懸浮固體顆粒對密封件的磨粒磨損。腐蝕的產(chǎn)生源于介質(zhì)對材料的化學及電化學的破壞作用。磨損促進腐蝕，腐蝕又加速磨損，彼此交替作用，使得材料的破壞比單純的磨損或單純腐蝕更為迅速。磨損腐蝕對密封摩擦副的損害最為巨大，是造成密封過早失效的主要原因。用于化工過程裝備中的機械密封就經(jīng)常會遇到這種工況。

機械密封件因過熱而導致的失效，即為熱損傷失效，最常見的熱損傷失效有端面熱變形、熱裂、皰疤、炭化，彈性元件的失彈，橡膠件的老化、變形、龜裂等。

密封端面的熱變形有局部熱變形和整體熱變形。密封端面上有時會發(fā)現(xiàn)許多細小的熱斑點和孤立的變色區(qū)，這說明密封件在高壓和熱影響下，發(fā)生了局部變形扭曲；有時會發(fā)現(xiàn)密封端面上有對稱不連續(xù)的亮帶，這主要是由于不規(guī)則的冷卻，引起了端面局部熱變形。有時會發(fā)現(xiàn)密封端面內(nèi)側(cè)磨損很嚴重，半徑越大接觸痕跡越淺，直至不可分辨。密封環(huán)的內(nèi)側(cè)棱邊可能會出現(xiàn)掉屑和蹦邊觀象。軸旋轉(zhuǎn)時密封持續(xù)泄漏，而軸靜止時不泄漏。這是因為密封在工作時，外側(cè)冷卻充分而內(nèi)側(cè)摩擦發(fā)熱嚴重，從而內(nèi)側(cè)熱變形大于外側(cè)熱變形，形成了熱變形引起的內(nèi)側(cè)接觸型(正錐角)端面。

硬質(zhì)合金、工程陶瓷、碳石墨等脆性材料密封環(huán)，有時端面上會出現(xiàn)徑向熱裂紋，從而使密封面泄漏量迅速增加，對偶件急劇磨損。圖13一23、圖13一24所示是在過大熱應力作用下，密封面出現(xiàn)徑向裂紋及材料粘接轉(zhuǎn)移而失效，主要由于干摩擦、冷卻系統(tǒng)中斷、密封面間隙、壓力、速度波動過大所致。結(jié)果：磨損加劇、泄漏量增大等。

在高溫環(huán)境下的機械密封，常會發(fā)現(xiàn)石墨環(huán)表面出現(xiàn)凹坑或皰疤(圖13一25)這是因為當浸漬樹脂石墨環(huán)超過其許用溫度時，樹脂會炭化分解形成硬粒和析出揮發(fā)物，形成疤痕，從而極大地增加摩擦力，并使表面損傷出現(xiàn)高泄漏。

高溫環(huán)境可能使彈性元件彈性降低，從而使密封端面的閉合力不足而導致密封端面泄漏嚴重。金屬波紋管的高溫失彈即是該類機械密封的一種普遍而典型的失效型式。避免出現(xiàn)該類失效的有效方法是選擇合理的波紋管材料及其進行恰當?shù)臒崽幚怼?/span>

高溫是橡膠密封件老化、龜裂和變形的個重要原因。橡膠老化，表現(xiàn)為橡膠變硬、強度和彈性降低，嚴重時還會出現(xiàn)開裂(圖13一26)和龜裂(圖13一27)，致使密封性能喪失。過熱還會使橡膠組分分解，甚至炭化。在高溫流體中，橡膠圈有繼續(xù)硫化的危險，最終使其失去彈性而泄漏。橡膠密封件的變形通常比其他材料更為嚴重。密封圈長期處于高溫之中，會變成與溝槽一樣的形狀，當溫度保持不變，還可起密封作用；但當溫度降低后，密封圈便很快收縮，形成泄漏通道而產(chǎn)生泄漏。因此，應注意各種膠種的使用溫度，并應避免長時間在極限溫度下的使用。

以堿泵用機械密封為例，分析密封失效并提出改進措施。

舉例：某石化股份公司的裂解車間的GA一230泵是DA一203塔底循環(huán)泵，該泵用機械密封為內(nèi)裝單端面非平衡型密封，自沖洗，彈性元件為彈簧，輔助密封元件為聚四氟乙烯O形圈。該機泵介質(zhì)為20%的NaOH堿液，溫度為45℃，入口壓力為0.9MPa，出口壓力為1.2MPa。該泵的任務是將經(jīng)裂解氣堿洗過的、濃度較高的堿液輸送到塔頂再循環(huán)使用，在開車初期運行狀況良好，但在運行一段時間后常發(fā)生泄漏，維修頻率上升，增加了維修費用和產(chǎn)品成本，影響了裝置的穩(wěn)定運行。

失效狀況：將失效的密封部件解體后發(fā)現(xiàn)：

失效分析：根據(jù)機械密封失效的形式分析可知，該泵解體后密封面無劃痕和磨損，可排除密封面物理損傷方面的原因?？紤]到密封腔內(nèi)結(jié)晶物和銹皮較多，同時結(jié)合機械密封失效的表現(xiàn)型式，初步判定所輸送的介質(zhì)易結(jié)晶且具有腐蝕性是引起密封失效的主要原因，具體分析見表13一2所述。