泵軸機(jī)械密封的失效分析.doc

泵軸機(jī)械密封的失效分析摘要：概述了機(jī)械密封端面泄漏、端面偏磨、密封環(huán)碎裂、密封圈泄漏等常見早期失效現(xiàn)象，并分析了產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因，主要是設(shè)計(jì)制造問題造成的。同時(shí)介紹了延長(zhǎng)泵軸機(jī)械密封使用壽命的一些有效措施，如選用密封可靠、壽命較長(zhǎng)的摩擦付材料及靜密封圈材料。機(jī)械密封系指兩塊密封元件在其垂直于軸線的光潔而平直的表面上相互貼合，并作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)而構(gòu)成密封的裝置。如圖1所示。它通常由靜環(huán)、動(dòng)環(huán)、彈簧加荷裝置(包括推環(huán)、彈簧、彈簧座、固定螺釘，傳動(dòng)銷)、輔助密封圈(動(dòng)環(huán)密封圈和靜環(huán)密封圈)等元件組成。防轉(zhuǎn)銷固定在壓蓋上，用以防止靜環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)。過氧從結(jié)構(gòu)來看，機(jī)械密封主要是將極易泄漏的軸向密封，改變?yōu)椴灰仔孤┑亩嗣婷芊?。因?yàn)闄C(jī)械密封具有密封性能可靠、泄漏量少、使用壽命長(zhǎng)、功率損耗少、不需要經(jīng)常維修等優(yōu)點(diǎn)，且能滿足生產(chǎn)自動(dòng)化和高溫、低溫、高壓、高真空、高速、各種易燃易爆、腐蝕性以及腐蝕性介質(zhì)的密封要求，因此較其它密封獲得更為迅速的發(fā)展和推廣，越來越多地替代填料密封和其它密封。現(xiàn)將我廠常見機(jī)械密封早期失效現(xiàn)象、原因及補(bǔ)救措施介紹如下。1 新端面早期磨損原因及解決辦法機(jī)械密封端面早期磨損的原因常見的有以下幾種。1.1機(jī)動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的材料選擇是否合適由動(dòng)環(huán)和靜環(huán)所組成的摩擦副是機(jī)械密封最重要的零件。密封的壽命和工作質(zhì)量(泄漏指標(biāo))都和它有直接關(guān)系。機(jī)械密封摩擦副的材料要根據(jù)泵的工作介質(zhì)的性質(zhì)、工作壓力、溫度、轉(zhuǎn)動(dòng)速度等因素來選擇，特別是對(duì)老產(chǎn)品上填料密封改裝機(jī)械密封或原機(jī)械密封的改造，合理地選用機(jī)械密封材料是非常重要的。當(dāng)機(jī)械密封在腐蝕性介質(zhì)中時(shí)，它經(jīng)受著化學(xué)腐蝕和電化腐蝕，尤其在摩擦面上，腐蝕率極大，這是因?yàn)槎嗣嫔细g生成物剛產(chǎn)生(能降低腐蝕率)就被摩擦所破壞的緣故。這種由耐腐蝕表層的產(chǎn)生到磨去，周期性的循環(huán)不止,通常稱為磨蝕現(xiàn)象。其磨蝕速度約為無摩擦作用表面的腐蝕率的10至50倍。因此，摩擦副應(yīng)選擇既耐腐蝕耐磨性又好的材料。一般來說，石墨浸漬酚醛樹脂耐酸不耐堿，浸漬呋喃樹脂耐酸亦耐堿，浸漬環(huán)氧樹脂耐堿性好，浸漬聚四氟乙烯樹脂和陶瓷能耐強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)。(1)當(dāng)機(jī)械密封在高壓介質(zhì)中時(shí)，由高壓介質(zhì)引起的端面比壓如果超出其適應(yīng)范圍,會(huì)導(dǎo)致液膜破壞，引起發(fā)熱和磨損;高壓易使摩擦副變形及碎裂，從而使機(jī)械密封失效。要求高壓下工作的摩擦副材料必須具有足夠的剛度及強(qiáng)度,必須考慮用硬質(zhì)合金、陶瓷、噴涂陶瓷等耐壓且強(qiáng)度和剛度都高的材料。(2)在高轉(zhuǎn)速情況下，機(jī)械密封由于線速度大，密封面上的摩擦熱和磨損加大，故摩擦副材料應(yīng)采用摩擦系數(shù)較低的導(dǎo)熱好的陶瓷浸銅石墨等。(3)當(dāng)機(jī)械密封在高溫環(huán)境中時(shí)，如果處理不當(dāng)易產(chǎn)生橡膠制品的老化、零件的變形等，使機(jī)械密封泄漏，應(yīng)選用耐高溫的材料，如燒結(jié)氧化鋁瓷(剛玉陶瓷)、堆焊硬質(zhì)合金等。1.2機(jī)石墨靜環(huán)質(zhì)量未達(dá)到設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求石墨靜環(huán)浸漬樹脂，而且要有一定的浸漬深度。有時(shí)石墨靜環(huán)不是浸漬深度不夠，就是機(jī)加工后浸漬層所剩很少;設(shè)計(jì)要求端面有 的光潔度，而備件光潔度往往達(dá)不到要求;設(shè)計(jì)要求石墨質(zhì)地純潔，并有一定的硬度，而備件往往有硬質(zhì)點(diǎn)、硬度也不夠等。因此造成石墨的磨損相當(dāng)嚴(yán)重。1.3機(jī)彈簧比壓選擇不當(dāng)機(jī)械密封的主要密封點(diǎn)動(dòng)密封點(diǎn)，是由與軸線垂直的作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)環(huán)端面和靜環(huán)端面相互貼合而成的。彈簧在密封端面上產(chǎn)生的壓緊力即彈簧比壓，是使密封端面在低壓?jiǎn)?dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)及停車情況下始終保持貼合，維持良好的密封狀態(tài)的必要前提。而當(dāng)密封端面磨損時(shí)，靠彈簧比壓克服密封圈與軸的磨擦力，保證動(dòng)環(huán)沿軸向移動(dòng)，補(bǔ)償端面磨損，保證密封。由于彈簧比壓值的大小直接影響密封的可靠性，如彈簧比壓值過大，密封面壓得過緊，磨損加劇;彈簧比壓值過小，密封面不能很好貼合，彈簧力抵抗不了內(nèi)部氣體介質(zhì)的壓力或端面磨損得不到補(bǔ)償，造成機(jī)械密封的泄漏。所以選擇合理的彈簧比壓值是密封可靠性的關(guān)鍵。彈簧比壓不夠，采取以下兩種方法消除泄漏：(1)在動(dòng)環(huán)背后加墊來補(bǔ)償彈簧力。(2)用刮刀與砂布刮研、打磨密封腔與彈簧座及“V”型圈的配合處，使彈簧力作用在磨擦副的緊密貼合上。1.4機(jī)雜質(zhì)進(jìn)入密封端面造成的磨損在密封端面接觸和摩擦正常時(shí)，能夠進(jìn)入密封端面的固體雜質(zhì)都是極細(xì)微的，也容易被密封水沖走，因此，對(duì)密封泄漏沒有什么影響。較大固體顆粒進(jìn)入密封端面，造成磨損加劇的情況，都是在密封工作不正常時(shí)發(fā)生的。大體分為以下幾種情況：(1)在停機(jī)或檢修后，試車初期，由于管路較臟或密封水質(zhì)不好，固體雜質(zhì)容易進(jìn)入密封端面。因此，機(jī)械密封摩擦面磨損較快。(2)雙端面機(jī)械密封在密封水壓力波動(dòng)，甚至低于泵、機(jī)內(nèi)壓力時(shí)，泵體內(nèi)帶有雜質(zhì)的化工介質(zhì)從內(nèi)端面進(jìn)入密封室，部分雜質(zhì)存留在密封端面上，造成磨損加劇，單端面內(nèi)裝機(jī)械密封，由于介質(zhì)壓力波動(dòng)，密封端面進(jìn)入雜質(zhì)的可能性較雙端面小得多，相對(duì)壽命較長(zhǎng)。(3)由于種種原因雜質(zhì)進(jìn)入密封端面。過氧機(jī)械密封端面早期嚴(yán)重磨損，從磨損機(jī)理來看，主要是顆粒磨損，粘著磨損只有在個(gè)別情況下才能發(fā)生，因此，我們只討論顆粒磨損。過氧顆粒磨損速率是很高的，大大降低了機(jī)械密封的使用壽命。顆粒磨損不僅使軟密封環(huán)(石墨環(huán))摩損，而且使硬密封環(huán)(主要是硬質(zhì)合金動(dòng)環(huán))磨損，顆粒磨損表面有明顯的大致規(guī)則的刻痕和溝槽。顆粒磨損的實(shí)質(zhì)是硬的顆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對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而使摩擦表面進(jìn)行微切削和犁皺的過程。顆粒磨損不僅與材料的硬度和端面比壓有關(guān)，而且和材料的顯微組織、試驗(yàn)溫度、載荷性質(zhì)和應(yīng)力大小、磨粒的尺寸和硬度以及摩擦面的化學(xué)性質(zhì)等因素有關(guān)。摩擦副配對(duì)材料的硬度差，對(duì)顆粒磨損的影響很大。摩擦副硬度差大，出現(xiàn)顆粒磨損的情況就少得多，摩擦磨損速率也小;但硬度差小，出現(xiàn)顆粒磨損情況就多。其原因主要是由于當(dāng)顆粒侵入摩擦副，在動(dòng)環(huán)硬度高時(shí)，只在石墨環(huán)上或嵌入石墨環(huán)上擦出溝紋，硬環(huán)未被擦傷，還能保持原有光潔度，過一段時(shí)間，顆粒還有可能被密封水沖走。而顆粒侵入摩擦面，動(dòng)環(huán)硬度低時(shí)，則由于硬環(huán)被擦傷，在振動(dòng)和偏心作用下，如銼刀一樣銼石墨環(huán)，造成嚴(yán)重磨損。同時(shí)動(dòng)環(huán)自身擦傷也越來越大。經(jīng)過跑合，動(dòng)環(huán)表面的溝紋與石墨環(huán)表面的溝紋逐漸同心吻合，這時(shí)泄漏量減少。此外，動(dòng)環(huán)或靜環(huán)端面泄漏入口端，如果加工倒角過大，也能導(dǎo)致較大顆粒沿著斜面進(jìn)入摩擦面，引起早期磨損。對(duì)于特殊情況，應(yīng)采用特殊辦法，在開車初期或密封水質(zhì)比較低劣時(shí)，為了避免機(jī)械密封的早期磨損失效，采用臨時(shí)加大端面比壓的作法，可以收到明顯效果，適當(dāng)增加彈簧比壓并沒有明顯的增加摩擦副的磨損，相反避免了早期顆粒磨損，延長(zhǎng)了使用壽命。2 新端面偏磨失效原因及補(bǔ)救措施有時(shí)機(jī)械密封檢修后試靜壓不漏，轉(zhuǎn)動(dòng)起來后泄漏較大，超過運(yùn)轉(zhuǎn)跑合期，泄漏量不減小，被迫重新檢修。檢修時(shí)往往發(fā)現(xiàn)在石墨靜環(huán)密封端面上有偏磨現(xiàn)象，即靜環(huán)端面有一部分沒有與動(dòng)環(huán)端面接觸，沒有摩擦痕跡，封液由此泄漏。根據(jù)多次偏磨情況統(tǒng)計(jì)，偏磨主要是由于動(dòng)環(huán)或靜環(huán)偏心(和軸中心線不同心)和動(dòng)環(huán)或靜環(huán)偏斜(和軸中心線不垂直)引起的。不同心有下列幾種情況：動(dòng)環(huán)與軸線不同心，靜環(huán)與軸線不同心。由于偏心造成的靜環(huán)摩擦面壓力分布不均勻，必然造成靜環(huán)橡膠密封圈或聚四氟乙烯密封圈受力也不均勻，其壓縮量也就不同。在動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，使靜環(huán)中心線與軸線發(fā)生偏斜，產(chǎn)生某一偏斜角。這個(gè)偏斜角在動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速較低的情況下(如果每分鐘幾轉(zhuǎn)到幾十轉(zhuǎn))，彈簧力可以克服;在接近3000r/min時(shí)，就不能由彈簧力克服，機(jī)械密封就會(huì)泄漏。偏磨主要是由于下述原因造成：(1)橡膠或聚四氟乙烯密封圈、動(dòng)環(huán)、靜環(huán)等密封件加工制造質(zhì)量不合格，同心度和垂直度設(shè)計(jì)的允許偏差太大或加工制造誤差大。(2)密封室端蓋制造或安裝與軸線不同心、不垂直。端蓋是靜環(huán)安裝和定位的零件，如果端蓋定位端面與軸線不同心或不垂直，勢(shì)必造成靜環(huán)與軸線不同心或不垂直，產(chǎn)生偏斜造成偏磨，同時(shí)，端蓋與密封室連接法蘭處，一般有一個(gè)非金屬密封墊，如果鉗工安裝時(shí)，法蘭螺栓預(yù)緊力不均勻，也會(huì)造成端蓋與軸線不同心或不垂直，產(chǎn)生偏磨。由此看來，除了在設(shè)計(jì)和加工密封室端蓋時(shí)，對(duì)同心度和垂直度要提出較高的要求外;在安裝密封室端蓋時(shí)，螺栓力一定要均勻。該法蘭處的非金屬墊要在保證密封不漏的前提下，盡量選用薄墊?？傊斐善サ脑?，多數(shù)是密封圈、端蓋等制造加工質(zhì)量不合格，機(jī)械密封檢修和安裝不正確引起的。3 新密封環(huán)碎裂的原因及防治措施密封環(huán)碎裂是機(jī)械密封早期失效常見現(xiàn)象之一。石墨靜環(huán)主要是碎斷，陶瓷、碳化鎢動(dòng)環(huán)主要是密封端面裂紋和變形。石墨環(huán)碎斷，密封嚴(yán)重泄漏，密封水壓不能保證大于介質(zhì)壓力。動(dòng)環(huán)雖有裂紋，造成泄漏增加，但在多數(shù)情況下還能維持運(yùn)轉(zhuǎn)。造成石墨環(huán)碎斷的原因是多方面的，主要有以下幾種。1)橡膠密封圈或聚四氟乙烯V形環(huán)與石墨環(huán)和靜環(huán)座配合太緊，石墨受擠壓，在動(dòng)態(tài)下碎裂。(2)在安裝密封室和泵體時(shí)撞擊太重，或泵體密封室嚴(yán)重傾斜。(3)軸的擺動(dòng)和串量超過規(guī)定值。(4)密封水中斷，摩擦副干摩擦，溫升過高，密封環(huán)熱裂，而又突然送密封水，使密封環(huán)劇烈收縮而碎裂。動(dòng)環(huán)裂紋的主要原因如下：(1)硬質(zhì)合金動(dòng)環(huán)，存在著較大的應(yīng)力，在動(dòng)環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在外力、內(nèi)力聯(lián)合作用下出現(xiàn)裂紋。這些裂紋都是沿徑向發(fā)散的密集的細(xì)微裂紋。(2)溫度影響：用非金屬材料作密封環(huán)(如陶瓷、WC)，由于熱傳導(dǎo)不好，環(huán)內(nèi)溫度分布極不均勻，即使在正常條件下，溫差也可能達(dá)到好幾百度，由于存在著溫差，進(jìn)而產(chǎn)生熱變形而引起熱應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，致使應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限。這時(shí)，對(duì)脆性材料的密封環(huán)往往產(chǎn)生表面龜裂，進(jìn)而使密封面的摩擦磨損加劇而失效。由于熱變形也會(huì)使貼合的密封面間隙畸變，從而使泄漏增加。動(dòng)環(huán)端面采用硬質(zhì)合金時(shí)，由于這些材料的熱脹系數(shù)都較小，與基體材料的熱脹系數(shù)相差較大(不銹鋼比硬質(zhì)合金熱脹系數(shù)高34倍)，因此當(dāng)密封溫升超過一定值時(shí)，就會(huì)引起堆焊硬質(zhì)合金密封環(huán)的變形或裂紋。解決動(dòng)、靜壞碎裂和變形的有效措施，除了嚴(yán)格控制備件加工質(zhì)量，細(xì)心安裝檢修，加強(qiáng)操作管理之外，保證密封端面能夠得到充分的潤(rùn)滑冷卻是重要措施。但是，在實(shí)際操作中，不是任何時(shí)候都能保證充分的潤(rùn)滑和冷卻的，密封水壓力波動(dòng)、中斷及工人的誤操作，都會(huì)使密封失去充分的潤(rùn)滑和冷卻。4 新密封圈泄漏及原因分析有時(shí)機(jī)械密封泄漏，不是由于端面泄漏造成，而是由于動(dòng)環(huán)、靜環(huán)密封圈或軸套密封圈處泄漏引起。原因如下：4.1 機(jī)橡膠密封圈處泄漏作動(dòng)環(huán)、靜環(huán)的“O”型橡膠密封圈，由于橡膠光潔度不夠，硬度不適當(dāng)，彈性不好，摩擦系數(shù)大，幾何尺寸不合格，耐熱性、耐腐蝕性不好等原因，也常引起密封泄漏。4.2 機(jī)軸套與動(dòng)環(huán)密封圈接觸處泄漏當(dāng)一個(gè)軸套多次使用后，在動(dòng)環(huán)密封圈與軸套接觸處，軸套表面會(huì)產(chǎn)生粗糙的磨痕和斑點(diǎn)，往往引起密封泄漏。其原因主要是：(1)由于動(dòng)環(huán)密封圈與軸套之間存在著微量的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，磨粒或其他較硬雜質(zhì)鑲嵌到較軟的密封圈之中。對(duì)軸套產(chǎn)生一種揉搓摩擦，而軸套表面未進(jìn)行表面硬化處理或處理質(zhì)量不好，結(jié)果造成磨損。(2)揉搓摩擦的結(jié)果，使軸套表面金屬鈍化膜破壞，軸套金屬表面存在著電極電位差，形成電化學(xué)腐蝕。又由于該接觸處本身及在微漏時(shí)都具有間隙腐蝕的條件，因此，腐蝕速率就更高。另外，動(dòng)環(huán)密封圈在與大氣接觸的一側(cè)，由于有氧氣的存在，腐蝕條件更復(fù)雜惡劣，因此磨痕和斑點(diǎn)更明顯。聚四聚四氟乙烯密封環(huán)組用在動(dòng)環(huán)上，由于其摩擦系數(shù)較橡膠小，光潔度較高，隨動(dòng)環(huán)移動(dòng)容易，因此，比橡膠密封圈要好些。橡膠密封圈用在靜環(huán)上,由于彈性好，硬度低，因此，比聚四氟乙烯密封圈密封可靠性要好。所以，合理選用密封圈材質(zhì)也是很重要的，我們根據(jù)腐蝕等具體情況，對(duì)機(jī)械密封作了如下調(diào)整：在介質(zhì)端靜環(huán)用聚四氟乙烯圈或耐蝕耐溫橡膠圈，在大氣端靜環(huán)一律用橡膠圈;動(dòng)環(huán)一般都用聚四氟乙烯密封圈，效果比較理想。消除軸套微動(dòng)磨損，除了在軸套表面盡量選用硬度高、耐蝕性好、與母體親和力強(qiáng)、表面光潔度高的噴鍍材料和更好的噴鍍工藝外，安裝時(shí)還要注意軸套的磨損情況，適時(shí)更換新軸套、新密封圈，從多方面保證密封可靠性。5 新討論5.1機(jī)機(jī)械密封和填料密封比較，機(jī)械密封具有密封可靠、壽命長(zhǎng)、消耗功率低、使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。一部分機(jī)械密封早期失效壽命短，主要不足是設(shè)計(jì)制造問題，往往是由于選型不當(dāng)、備件質(zhì)量不合格、摩擦副材質(zhì)選用不合理、安裝維護(hù)不得法、密封水質(zhì)差等原因造成的。為延長(zhǎng)機(jī)械密封的壽命，需要設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)和使用各方面共同努力。5.2機(jī)機(jī)械密封設(shè)計(jì)和造型一定要結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，盡量選用密封可靠、壽命較長(zhǎng)的摩擦副材料及靜密封圈材料。如雙端面機(jī)械