機泵機械密封失效的分析與解決措施

甘一凡(廣東省中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

0 引言

機械密封因為具有良好的密封性能以及軸承磨損量小等優點，廣泛用于冶金及石油化工泵設備上。同時機械泵工況運作較為惡劣，存在高溫高壓以及介質特殊等特點，容易導致機械密封出現密封失效現象，進而導致設備停止工作的狀況。機械密封失效的原因以及失效的形式多種多樣，對其仔細研究分析才能更好地提出科學有效的解決方法。

1 機械密封

機械密封主要是由動靜環、冷卻裝置以及壓緊彈簧等構成，通過流體作用在軸上滑動端面流體壓力，以及結構補償上的彈力和其他的輔助密封裝置共同作用下的密封結構。機械密封核心的部件為動環和靜環，動、靜環結構必須具有足夠的剛度與強度，以滿足在惡劣工況條件下的溫度、壓力、流體的沖擊。同時還必須具有良好的耐熱沖擊力，即要求材料具有良好的導熱系數及較小的膨脹系數，保證材料在熱沖擊時不出現開裂。

2 機械密封失效類型

機械密封的失效形式種類較為繁多，主要的失效可以分為：

(1)早期失效，主要是結構安裝方式不正確以及機械密封結構設計不合理等造成；

(2)磨損失效，主要因為設備長期使用過程中，因為材料的磨損或者疲勞老化等導致出現磨損失效，該種失效方式也是機械密封中主要的失效方式；

(3)偶然失效，主要是因為泵在惡劣工況環境下運行時因為某種原因出現的偶然密封失效。動靜環機械磨損實例如圖1所示，波紋管外側結焦實例如圖2所示。

圖1 動靜環機械磨損實例

圖2 波紋管外側結焦實例

2.1 腐蝕失效

腐蝕失效一般有點腐蝕、面腐蝕、應力破壞腐蝕、電化學腐蝕等。點腐蝕除妖出現在彈簧套，從而破壞彈簧結構。面腐蝕主要是因為具有腐蝕介質的接觸而出現表面的腐蝕，從而破壞密封作用。應力腐蝕破壞主要應力與腐蝕共同作用下從而出現的彈簧破裂等破壞。電化學腐蝕主要是因為不同種類金屬引起的電化學反應導致的腐蝕。

2.2 高溫失效

高溫失效主要是因為溫度出現超標導致出現材料變形，從而出現密封失效的形式。如密封面無冷卻水供應狀態下，密封面出現干摩擦而出現熱裂紋現象。又如石墨環出現溫度超標導致石墨出現炭化導致密封失效。軸套高溫失效實例如圖3所示，動靜環高溫失效實例如圖4所示。

圖3 軸套高溫失效實例

圖4 動靜環高溫失效實例

3 機泵機械密封故障狀態及原因

3.1 泵振動、發熱冒煙

造成機泵產生振動的主要原因是動靜環端面寬度及比壓過大，以及材料的端面加工精度不達標，表面粗糙度過大，以及轉動件與填料函內徑的間隙太小，導致軸振動發生碰撞等原因。解決方法通?？梢詼p少端面寬度和彈簧壓力，降低端面比壓，增大內徑及間隙，加強冷卻措施，保證冷卻功能的正常運行。

3.2 端面泄漏

動靜環密封面有固定雜質進行入破壞了密封表面，或者是彈簧裝置彈力與雜質發生粘結，致使動環失去浮動能力。又是彈簧彈力不夠比壓小以及端面出現磨損，導致補償作用降低。又是端蓋與軸出現不垂直，靜環壓偏，膠墊的厚度不均勻，導致密封不嚴等造成。解決方法可以通過提高彈簧裝置結構，避免固體雜質進行入密封面，提高動靜環材料硬度，并適當增加動靜環的端面寬度，提高彈簧壓力。

4 機泵機械密封失效原因及解決措施

4.1 裝配安裝引起的密封失效及解決措施

在機泵安裝裝配時，動靜環裝配前，對其保護不嚴，動靜環出現裝配前變形或者劃傷開裂等缺陷，以及在裝配過程中沒有嚴格按照工藝要求，造成端面間夾雜污漬或者雜質，以及彈簧力不均導致端面不平等原因，從而造成的密封失效。常規的解決措施是機械密封裝配安裝完成后，必須進行靜壓試驗。通過試驗分析，當試驗發現存在小量泄漏時，在配合手動盤車觀察，如泄漏量無明顯變化，一般是動環或者靜環密封圈存在問題。當存在較大量的泄漏時，在配合盤車觀察，在盤車時泄漏量有明顯變化，則表明動靜環摩擦副存在問題。當出現泄漏介質沿著軸向方向噴射時，極可能為動環密封圈問題，當出現泄漏介質沿四周噴射時，則多為靜密封圈問題。

4.2 運行過程密封失效及解決措施

機泵運行過程中一般會因為高速旋轉產生離心力，該離心力反而會抑制工作介質的泄漏，所以一般機泵在運行過程出現的密封失效多為動靜環破壞受損失效。導致動靜環破壞受損失效主要是因為摩擦作用導致，而產生摩擦密封失效的主要原因有，運行過程中機泵因為氣蝕以及憋壓等異常現象，導致產生極大的軸向力，致使動靜環接觸面出現分離；機泵在安裝時安裝的機械密封壓縮量過大，導致摩擦副端面嚴重磨損、擦傷；動靜環密封過緊，彈簧無法調整動環的軸向浮動量；靜環密封圈過松，當動環軸向浮動時，靜環脫離靜環座；機泵運行過程中動靜環端面進入固定雜質導致密封端面出現損傷破壞。

常規的解決措施，機泵在使用前必須先接通軸封水，要在機泵停止5min后才關閉軸封水，用以防止因為冷卻水供應不足或者突然中斷導致的因為溫度過高的變形燒壞。防止機泵在運行工作時出現頻繁的啟、停，因為頻繁的泵啟停會導致管路中的介質出現倒灌現象，從而使泵腔內部的壓力急劇升高，進而導致動靜環的打開，出現運行時密封的失效。在機泵長時間處于停止狀態，開啟泵前必須使用清水對泵腔和機械密封進行清洗，用以確保摩擦副密封沒有出現粘連。

4.3 磨損腐蝕失效及解決措施

當機泵運行介質為腐蝕介質或者帶有顆粒介質時，密封端面會因為顆粒介質的因素加快密封端面的磨損。同時還會因為顆粒介質產生堆積、架橋，阻礙彈簧及密封圈的運動，導致補償環的追隨性和浮動性下降。由于密封面內徑和軸之間的間隙較小，泄漏的固體顆粒如不能及時排出，就會堵塞間隙，從而妨礙輔助密封圈的運動。同時，帶有模蝕性顆粒介質還會對密封件表面產生磨損撕裂等局部破壞。解決方案：在選擇密封結構時，機械密封避免使用在帶有腐蝕顆粒介質的設備上，或者在機械內部增加輔助裝置措施，如沖洗水等措施裝置，避免顆粒物的堆積。

5 解決提升措施方案

5.1 安裝提升措施

安裝時避免出現安裝偏差，上緊蓋在聯軸器找正后，為防止壓蓋端面偏斜，應使用塞尺檢查各點，螺栓均勻上支。彈簧的壓縮量嚴禁出現過大或者過小，過大會增加端面比壓，加速端面磨損，過小比壓不足不能起到密封作用。軸、軸套與壓蓋的配合間隙即同心度要保證均勻，誤差不得要小于0.01mm。同時在安裝前，要仔細檢查密封摩擦副封面、密封圈是否存在劃痕、缺損等現象，以及填料、O型圈接觸的軸和軸套表面是否有劃痕、損傷。

安裝拆卸密封時嚴禁使用手錘和扁鏟，以免損壞密封元件，當遇結垢無法進行拆卸時，可以先清洗干凈后在進行拆卸。在運行后的機械密封時，如果出現壓蓋松動情況，必須進行動靜環更換，因為松動后摩擦副原來運轉軌跡發生變動，接觸面的密封性出現破壞，嚴禁重新緊固后繼續使用。機械密封配合部分技術要求如表1所示。

表1 機械密封配合部分技術要求

5.2 機械結構提升措施

當機泵使用介質為易揮發特性時，選擇成熟的串聯雙面密封形式的結構，可延長密封使用壽命提高可靠性能，同時兩套密封芯間密封腔壓力高于介質壓力時，保證介質不會泄漏到大氣中，從而提高設備的安全性能。密封補償型式選用多彈簧結構，使其彈力均勻，確保密封面更加貼合，同時保證密封在軸上更加緊湊。在高壓介質中，介質壓力高于封液壓力，側密封芯可采用雙向承壓設計，用以保證該密封適用設備運行過程中可能出現的壓力波動。

5.3 輔助沖洗提升措施

以PLAN11自沖洗方案為例進行輔助沖洗方案提升，PLAN自沖洗時從泵出口處經過限流孔板進行機械密封的單端面機械密封沖洗方案。通過增加現場氮氣源為封液罐提供壓力源，保證封液壓力一直高于密封腔壓力，從而阻止密封介質的泄漏。再采用壓力開關對起源壓力進行監測，采用高低液位開關對密封泄漏情況進行監測，這樣有效保證了密封的可靠性，同時還提升密封的安全性能。

5.4 密封參數設計及材料的提升

當對機械密封進行了常規的如沖洗，調整彈簧等常規操作無法改變失效情況下，應當考慮密封的設計參數校核和材料的察驗。

密封設計參數：密封環帶面積校核公式(1)：

密封設計參數：計算載荷系數校核公式(2)：

密封設計參數：彈簧壓力比校核公式(3)：

密封設計參數：模壓系數校核公式(4)：

密封設計參數：計算端面比壓校核公式(5)：

式(1)～(5)中：D2為摩擦副密封面外徑(mm)；D1為摩擦副密封面內徑(mm)；D為軸承套外徑(mm)；Fsp為彈簧總壓緊力(N)；R2為摩擦副密封面外徑的1/2(mm)；R1為摩擦副密封面內徑的1/2(mm)。

通過上述公式得驗算得出，當設計機械密封是設計參數符合端面比壓值時，在工作穩定下不會造成機械密封失效。當在端面比壓非常接近介質的飽和蒸氣壓值時，端面產生液膜汽化，密封面形成干摩擦，加劇了端面的磨損，從而導致了摩擦失效。

同樣密封材料的選擇上，輔助密封材料應對盡可能的選擇氟橡膠O型圈，密封芯材料選擇316不銹鋼材料，彈簧選擇C合金，軸套、端蓋、腔體材料選擇316不銹鋼材料，用以確保密封的長期性。

6 結語

本文從機泵機械密封失效的型式、失效的狀態以及失效的原因進行了詳細的分析，并總結提出了一系列的提升解決措施。機泵因為氣本身的特殊性，常使用于石油化工等行業運行工況惡劣，介質本身承受高溫高壓作用，所以對其密封性能要求較嚴。未解決和杜絕機械密封的非正常密封失效，只有從密封的特性以及各種運行工況對機械密封的影響，同時對各個狀態的密封失效進行科學的剖析研究，使機械密封長久安全。