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              機械密封的失效原因分析

              更新時(shí)間:2024-01-18      點(diǎn)擊次數:299

              一般來(lái)說(shuō),軸封是流體機械的薄弱環(huán)節,它的失效是造成設備維修的主要原因。對機械密封的失效原因進(jìn)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。


              1.機械密封的失效


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


              ①密封系統流體損失的量超標;
              ②密封系統內壓力降低的值超標;
              ③加人到密封系統的阻塞流體或緩沖流體(如雙面機械密封的封液)的量超標。


              泄漏量為多少時(shí)才算超標呢?根據經(jīng)驗,一般接觸式機械密封的泄漏量超出理論值的250倍時(shí),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(shí),就可認為密封失效。


              2.密封失效的外部特征


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


              (1)密封泄漏


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


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              (2)密封泄漏和密封環(huán)結冰


              在某些場(chǎng)合下,可以觀(guān)察到密封周?chē)Y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。此情況下應注意結冰可能會(huì )擦傷密封端面,尤其是石墨環(huán)。


              (3)密封在工作時(shí)發(fā)出爆鳴聲


              在密封工作時(shí),有時(shí)可以聽(tīng)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提高密封腔壓力、安裝或改善旁路沖洗系統、降低介質(zhì)溫度、加強密封端面的冷卻等。


              (4)密封工作時(shí)產(chǎn)生尖叫


              密封端面潤滑狀態(tài)不佳時(shí),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(shí)應設法改善密封端面的潤滑狀態(tài),如設置或加大旁路沖洗等。


              (5)石墨粉聚集在密封面的外側


              在密封工作時(shí),有時(shí)會(huì )發(fā)現石墨粉聚集在密封面的外側,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(shí)應考慮改善潤滑或盡量避免閃蒸出現。


              (6)密封工作時(shí)氣震(飛濺和濺射)


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


              ①如有可能在密封工作范圍內提高密封腔壓力;
              ②精確測定軸封腔壓力、溫度和產(chǎn)品重度,檢查并選用合適的面積比;
              ③采用合適的冷卻和沖洗方式,降低密封腔內產(chǎn)品溫度;
              ④如有可能,采用合適的蒸汽背冷,穩定在氣相下工作。
              (7)密封壽命短


              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(dòng),減少在密封區內的沉積。如果是由于產(chǎn)品冷卻結晶或部分固化,則可增大沖洗量趕走顆?;蚣訜嵋部删徑獯藛?wèn)題。若是由于設備和管線(xiàn)受力不在一條直線(xiàn)上,則可采取措施保證設備和管線(xiàn)受力在一條直線(xiàn)上。若是密封運轉時(shí)太熱,應檢查所有冷卻管線(xiàn),增大冷卻液流量或加沖洗管線(xiàn),檢查節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(guò)熱而損壞,導致密封壽命短,檢查密封型式或材料是否能滿(mǎn)足要求。


              3.密封失效的表現型式


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


              (1)機械損壞


              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。


              ①磨損損壞


              在機械密封中,純粹因端面的長(cháng)期磨損而失效的情況并不多見(jiàn),但是因選材不當,碳石墨環(huán)的高磨損的情況也較常見(jiàn)。有些工作人員認為密封端面材料的硬度越高越耐磨,無(wú)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(chǎng)合如輕烴介質(zhì),采用硬質(zhì)碳石墨如M106K ,會(huì )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(huì )很小。原因是由石墨晶體構成的軟質(zhì)石墨在運轉期間會(huì )有一層極薄的石墨膜向對偶件表面轉移,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(guò)5%時(shí),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(huì )出現高磨損。當被密封介質(zhì)中含有固體顆粒時(shí),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(shuō)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(wèn)題引起的。當端面出現過(guò)寬的磨損,表明機器的同軸度很差。當出現的磨損痕跡寬度小于窄環(huán)環(huán)面寬度時(shí),這意味著(zhù)密封受到過(guò)大的壓力,使密封面呈現弓形。在密封面上有光點(diǎn)而沒(méi)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(guò)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(dòng)引起端面分離時(shí),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,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(guò)度磨損。

              機械密封運轉一段時(shí)間后,若摩擦端面沒(méi)有磨損痕跡,表明密封開(kāi)始時(shí)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,最易出現這種情況。端面無(wú)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(wú)相對運動(dòng),相對運動(dòng)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(shí)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,旋轉動(dòng)環(huán)嵌入靜環(huán)座達數毫米。措施:通常若介質(zhì)中固體顆粒的濃度達5%以上時(shí)應采用硬對硬摩擦副。


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              ②沖蝕和汽蝕損壞


              密封流體對密封元件會(huì )造成沖蝕磨損。原因:在高壓差(約30個(gè)大氣壓以上)重負荷密封中出現,高壓差會(huì )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泄漏也會(huì )將密封面的結合材料(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。


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              為防止此類(lèi)磨損,應使循環(huán)液量合適及合理布置其引入處。


              ③軸套磨損


              由于O形圈與軸套之間有相對運動(dòng)而產(chǎn)生軸套磨損(圖13一8)。原因:機加工誤差、軸向竄動(dòng)以及環(huán)座傾斜所致。另外,因介質(zhì)內的固體顆粒(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)。


              ④O形圈阻塞


              因產(chǎn)品側密封空間內固體顆粒(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的緩慢沉積而使密封面不能保持緊密接觸。


              ⑤摩擦扭矩導致?lián)p壞


              圖13一11所示為傳動(dòng)螺釘與傳動(dòng)套之間的磨損,一般發(fā)生在頻繁開(kāi)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(dòng)結構。有時(shí),因摩擦扭矩導致橡膠波紋管與密封環(huán)脫離(圖13一13)。


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              ⑥金屬波紋管開(kāi)裂


              因劇烈振動(dòng)及干運轉而造成金屬波紋管在焊接處開(kāi)裂(圖13一14),可采取圖13一15所示撥叉傳動(dòng)結構來(lái)避免。


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              (2)腐蝕損壞


              機械密封因腐蝕引起的失效為數不少,而構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。


              ①表面腐蝕


              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。表現為零件的重量減輕,失去強度,降低硬度,甚至會(huì )全部被腐蝕掉。彈簧、傳動(dòng)銷(xiāo)等構件常會(huì )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。


              ②點(diǎn)蝕


              圖13一17所示,在金屬表面各處產(chǎn)生的劇烈腐蝕點(diǎn),是腐蝕行為發(fā)生在構件的局部區域,它具有多種表現型式,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(shí),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,結果導致密封端面的嚴重受損而失效。又如,反應燒結碳化硅在強堿中因游離硅被腐蝕而表面呈現麻點(diǎn)。采用不銹鋼時(shí),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。


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              ③晶間腐蝕


               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(jìn)行熱處理,使鉻固熔化而均勻地分布在奧氏體基體中。


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              ④應力腐蝕


              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(guān)象。金屬焊接波紋管、彈簧、傳動(dòng)套的傳動(dòng)耳環(huán)等機械密封構件最易因產(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,先表現為溝痕、裂紋,最后斷裂。


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              ⑤縫隙腐蝕


              圖13一21所示為機械密封動(dòng)環(huán)密封面內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(gè)零件靠近的狹窄縫隙部位(如動(dòng)環(huán)與軸套縫隙內)。在機械密封O形環(huán)附近經(jīng)??砂l(fā)現此腐蝕現象。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(dòng)腐蝕)出現的溝槽或點(diǎn)蝕即是典型的例子。補償環(huán)輔助密封圈與軸之向出現的腐蝕溝槽,將可能導致補償環(huán)不能做軸向移動(dòng)而使其喪失追隨性,使端面分離而泄漏。原因:介質(zhì)流動(dòng)時(shí)受到窄縫的阻礙,生成惰性氧化物層,窄縫內溶液因供氧不足,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。


              ⑥電池腐蝕


              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構。


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              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(dòng),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(xué)及電化學(xué)的破壞作用。磨損促進(jìn)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(guò)早失效的主要原因。用于化工過(guò)程裝備中的機械密封就經(jīng)常會(huì )遇到這種工況。


              (3)熱損傷損壞


              機械密封件因過(guò)熱而導致的失效,即為熱損傷失效,最常見(jiàn)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(shí)會(huì )發(fā)現許多細小的熱斑點(diǎn)和孤立的變色區,這說(shuō)明密封件在高壓和熱影響下,發(fā)生了局部變形扭曲;有時(shí)會(huì )發(fā)現密封端面上有對稱(chēng)不連續的亮帶,這主要是由于不規則的冷卻,引起了端面局部熱變形。有時(shí)會(huì )發(fā)現密封端面內側磨損很?chē)乐?,半徑越大接觸痕跡越淺,直至不可分辨。密封環(huán)的內側棱邊可能會(huì )出現掉屑和蹦邊觀(guān)象。軸旋轉時(shí)密封持續泄漏,而軸靜止時(shí)不泄漏。這是因為密封在工作時(shí),外側冷卻充分而內側摩擦發(fā)熱嚴重,從而內側熱變形大于外側熱變形,形成了熱變形引起的內側接觸型(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(shí)端面上會(huì )出現徑向熱裂紋,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(guò)大熱應力作用下,密封面出現徑向裂紋及材料粘接轉移而失效,主要由于干摩擦、冷卻系統中斷、密封面間隙、壓力、速度波動(dòng)過(guò)大所致。結果:磨損加劇、泄漏量增大等。

              在高溫環(huán)境下的機械密封,常會(huì )發(fā)現石墨環(huán)表面出現凹坑或皰疤(圖13一25)這是因為當浸漬樹(shù)脂石墨環(huán)超過(guò)其許用溫度時(shí),樹(shù)脂會(huì )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(lèi)機械密封的一種普遍而典型的失效型式。避免出現該類(lèi)失效的有效方法是選擇合理的波紋管材料及其進(jìn)行恰當的熱處理。


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              高溫是橡膠密封件老化、龜裂和變形的個(gè)重要原因。橡膠老化,表現為橡膠變硬、強度和彈性降低,嚴重時(shí)還會(huì )出現開(kāi)裂(圖13一26)和龜裂(圖13一27),致使密封性能喪失。過(guò)熱還會(huì )使橡膠組分分解,甚至炭化。在高溫流體中,橡膠圈有繼續硫化的危險,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(cháng)期處于高溫之中,會(huì )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(cháng)時(shí)間在極限溫度下的使用。


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              4.機械密封失效分析與對策舉例


              以堿泵用機械密封為例,分析密封失效并提出改進(jìn)措施。

              舉例:某石化股份公司的裂解車(chē)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(wù)是將經(jīng)裂解氣堿洗過(guò)的、濃度較高的堿液輸送到塔頂再循環(huán)使用,在開(kāi)車(chē)初期運行狀況良好,但在運行一段時(shí)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,影響了裝置的穩定運行。

              失效狀況:將失效的密封部件解體后發(fā)現:


              ①動(dòng)環(huán)和靜環(huán)摩擦副表面無(wú)劃痕,表面粗糙度良好;
              ②密封腔內結晶物和銹皮等顆粒物較多;
              ③彈簧銹蝕較嚴重,彈性不足;
              ④動(dòng)環(huán)與動(dòng)環(huán)座間及動(dòng)環(huán)與軸套間有許多結晶物,使動(dòng)環(huán)動(dòng)作不靈活;
              ⑤動(dòng)環(huán)的輔助密封圈已破壞。


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


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