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机械密封失效分析

发布日期:2017-03-30 19:21:33

泵用机械密封种类繁多,型号各异,但泄漏点主要有五处:(l)轴套与轴间的密封;(2)动环与轴套间的密封;(3)动、静环间密封;(4)对静环与静环座间的密封;(5)密封端盖与泵体间的密封。 
泄漏原因分析及判断
1.安装静试时泄漏。机械密封安装调试好后,一般要进行静试,观察泄漏量。如泄漏量较小,多为动环或静环密封圈存在问题;泄漏量较大时,则表明动、静环摩擦副间存在问题。在初步观察泄漏量、判断泄漏部位的基础上,再手动盘车观察,若泄漏量无明显变化则静、动环密封圈有问题;如盘车时泄漏量有明显变化则可断定是动、静环摩擦副存在问题;如泄漏介质沿轴向喷射,则动环密封圈存在问题居多,泄漏介质向四周喷射或从水冷却孔中漏出,则多为静环密封圈失效。此外,泄漏通道也可同时存在,但一般有主次区别,只要观察细致,熟悉结构,一定能正确判断。
2.试运转时出现的泄漏。泵用机械密封经过静试后,运转时高速旋转产生的离心力,会抑制介质的泄漏。因此,试运转时机械密封泄漏在排除轴间及端盖密封失效后,基本上都是由于动、静环摩擦副受破坏所致。引起摩擦副密封失效的因素主要有:(l)操作中,因抽空、气蚀、憋压等异常现象,引起较大的轴向力,使动、静环接触面分离;(对安装机械密封时压缩量过大,导致摩擦副端面严重磨损、擦伤;(3)动环密封圈过紧,弹簧无法调整动环的轴向浮动量;(4)静环密封圈过松,当动环轴向浮动时,静环脱离静环座;(5)工作介质中有颗粒状物质,运转中进人摩擦副,探伤动、静环密封端面;(6)设计选型有误,密封端面比压偏低或密封材质冷缩性较大等。上述现象在试运转中经常出现,有时可以通过适当调整静环座等予以消除,但多数需要重新拆装,更换密封。 
由于两密封端面失去润滑膜而造成的失效 
a)因端面密封载荷的存在,在密封腔缺乏液体时启动泵而发生干摩擦;
b)介质的低于[wiki]饱和蒸汽压[/wiki]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阻塞时,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,也造成介质压力低于其饱和蒸汽压的状况。 
由于[wiki]腐蚀[/wiki]而引起的机械密封失效 
a)密封面点蚀,甚至穿透。
b)由于碳化钨环与不锈钢座等焊接,使用中不锈钢座易产生晶间腐蚀;
c)焊接金属[wiki]波纹管[/wiki]、弹簧等在应力与介质腐蚀的共同作用下易发生破裂。 
由于高温效应而产生的机械密封失效 
a)热裂是高温油泵,如油渣泵、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)在超过许用温度后,将会迅速老化、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,但其回弹性差。而且易脆裂,安装时容易损坏。 
由于密封端面的磨损而造成的密封失效 
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导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[wiki]%[/wiki]左右最适宜。β<75%,磨损量虽然降低,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[wiki]沸点[/wiki]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。 
因安装、运转或[wiki]设备[/wiki]本身所产生的误差而造成机械密封泄漏 
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)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)大弹簧转向不对;
5)设备运转时振动太大;
6)动、静环与轴套间形成水垢使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、弹簧腐蚀、阻塞而失弹。
d)泵轴扰度太大。

几点建议
高温重质油泵用机械密封的选用
对石化行业来说,高温重质油泵用机械密封的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。 
高温重质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:在温度下一般运动粘度为(12~180)×10-6m/s;
介质有颗粒:如[wiki]催化剂[/wiki]、[wiki]焦炭[/wiki]、含有砂粒等其他杂质。
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、YH-604/606/609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,这些都有效解决了波纹管的失弹问题。
针对波纹管内侧结焦和结炭以及含固体颗粒等情况,解决的办法有关资料已做了相关说明,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再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)。以防止起泵时。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,建议使用配用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),如图3所示。
这种结构可有效地延长机械密封的使用寿命,一般可达6000~8000h以上。另外,采用这种考虑以下两点:
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、[wiki]闪点[/wiki]高(一般在260℃以上)、热氧化稳定性好、高温蒸发损失小的特点。
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、高蒸汽压等特性。在这种工况下应用的机械密封,会使密封材料出现冷脆性,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,带走大量热,机械密封[wiki]环境[/wiki]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,泄漏增大而不可收拾。有些企业采用双端面机械密封,在介质和大气端设一隔离室,其间通以封油以缓和低温的影响。但这种结构复杂且需配封液系统。据经验,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DBM型、YH-604/606/609型等。
a)金属波纹管材料选用耐低温、塑性及韧性好的哈-C,AM350,Carpenter20等;
b)摩擦副材料在两种特殊情况下选用:
1)对连续运转的设备,介质内若含较多的固体颗粒,此时选用“硬对硬”结构(在实际中选了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,合理选用端面比压(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。