關于機械密封可靠性的探討

薛德軍

（黑龍江省趙光農場，黑龍江 北安 164021）

1 引言

流體密封技術對于大多數工業技術領域都有著重要意義，并一直是各方面專家所關注的問題，其中機械密封技術是最主要的動密封形式之一。機械密封的平均壽命為8～13個月，某些情況下甚至可以達到3～5 年。然而，即使在實行嚴格質量保證的工業部門，如原子能工業，由于原因不明的“早期失效”和偶然性損壞事故仍時有發生。針對某一特定過程獲得所期望的密封壽命的一般規律是十分困難的。

研究密封的使用壽命，重要的是不僅要考慮泵（和密封）的一次性投資，還要考慮由于密封失效而帶來的經濟損失：產品損失；備用設備的投資；由于流體泄漏帶來的對人、環境及設備（包括毗鄰密封的軸承）的損害；更換密封所需的工時及部件，包括備件的庫存等。

據報道，密封的使用壽命極限可能相差很大，在化學腐蝕工況下僅為幾天，而在烯烴應用中能有效運行20 年以上。

2 機械密封的可靠性

除前述不同工況條件會使密封壽命有很大差異外，相同的密封在相同使用條件下的使用壽命也會顯著不同。這與滾動軸承所做的試驗相似，因此在討論密封的可靠性時，應用統計概念比較恰當。

以下兩個統計值已用于機械密封：

（1）L10壽命

當一個零件抽樣數組中失效數目達到10%時的運轉時間為L10使用壽命，與用韋伯失效分析方法有緊密關系。

（2）平均工作壽命（MTBF）

式中，L1、L2-單個密封的工作壽命。

注意：數組是一個統計學概念，是指標定值相同的部件在相同運行條件下得到的數值。

失效分析可用韋伯分析法，它可以用來確定失效時間分布。通過分析，韋伯系數β′的取值可按不同的失效時間分布類型選用下列值：早期壽命失效（早期失效）β′=0.5；中期失效（隨機發生失效）β′=1.0，磨損失效β′＞3.4。

圖1 是一組由29個甲醇泵的抽樣數據而得的機械密封失效韋伯曲線。其中，0.8 表示處于早期失效和中期隨機失效的混合狀態。這種典型的機械密封遵循早期失效和中期隨機失效的模式，而不是磨損失效模式。L10壽命可由韋伯曲線中直接得到，為46 天（1100h）。應注意，上述分析中包括仍在正常使用的密封的數據（如有些密封在工作5 年（40000h）后仍在正常使用）。

圖1 甲醇泵密封失效的韋伯曲線

與流程泵內滾動軸承的最低預定壽命25000h 相比，L10壽命太短了。如此低的數值意味著壽命分布的范圍太廣，由此可見，MTBF 與L10壽命相比在應用方面更具有統計意義。

韋伯統計分析與MBTF的實用性在于它們可以用來相互比較，尤其在改變了設計或運行條件，并且已經達到延長壽命的預期效果的情況下，以上兩種分析方法更有使用價值。

圖2 硝酸循環泵密封失效的韋伯曲線

圖2 是硝酸循環泵的密封失效韋伯曲線，這種泵的運行條件比較惡劣，應注意，盡管韋伯系數僅有很小的改變，在一些性能指標稍加改善后，其L10壽命可由2.1d 提高到10.05d，提高約5 倍。

3 結語

在許多場合下，用戶對準確預測壽命比對提高可靠性更感興趣。但預測壽命與隨機失效分布有矛盾，只有在排除早期失效和中期隨機失效之后才有可能提高預測能力，目前的研究工作應集中在如何預防密封失效方面。