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                    機械密封使用壽命影響因素

                    2024-05-07

                    1 機械密封簡(jiǎn)介

                    1.1機械密封定義

                    機械密封是一種流體旋轉機械的軸封裝置,又叫端面密封,在國家有關(guān)標準中是這樣定義的“有至少一對垂直于旋轉軸線(xiàn)的端面在流體壓力和補償機構彈力(或磁力)的作用以及輔助密封的配合下保持貼合并相對滑動(dòng)而構成的防止流體泄漏的裝置。

                    1.2機械密封的組成及密封原理

                    機械密封由于具有泄漏量少和壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)發(fā)展很快,根據不同的工況出現了各種各樣的結構,但無(wú)論哪種結構都有以下部分組成:第一部分是由動(dòng)環(huán)和靜環(huán)組成的密封端面,有時(shí)也稱(chēng)為摩擦副;第二部分是由彈性元件為主要零件組成的緩沖補償機構,其作用是是密封端面緊密貼合;第三部分是輔助密封圈,其中有動(dòng)環(huán)和靜環(huán)密封圈;第四部分是使動(dòng)環(huán)隨軸旋轉的傳動(dòng)機構。機械密封的構成如圖一所示,通過(guò)傳動(dòng)座6和推環(huán)4,帶動(dòng)動(dòng)環(huán)2旋轉,靜環(huán)1固定不動(dòng),依靠介質(zhì)壓力和彈簧力使動(dòng)靜環(huán)之間的密封端面緊密貼合,阻止了介質(zhì)的泄漏。摩擦副表面磨損后,在彈簧5的推動(dòng)下實(shí)現補償。為了防止介質(zhì)通過(guò)動(dòng)環(huán)和軸之間泄漏,裝有動(dòng)環(huán)密封圈3;而靜環(huán)密封圈7則阻止了介質(zhì)沿靜環(huán)和壓蓋8之間的泄漏。

                    圖一 機械密封

                    2 機械密封常見(jiàn)故障

                    通常,機械密封的使用壽命至少為8000-10000小時(shí)。在此期間密封環(huán)中較軟的一只(大都用碳-石墨制造)的承磨臺首先被磨掉,磨損量在2-3mm之間,這時(shí)表面雖然基本光潔,但因彈簧不能補償或比壓過(guò)低而喪失了密封能力,其他零件基本上無(wú)磨損。這種密封失效屬自然磨損,稱(chēng)之為老化性故障。顯然,這種磨損是不可避免的。在實(shí)際工作中,有些密封環(huán)的磨損量遠沒(méi)有達到2-3mm,但其密封面表面就有了傷痕(不光潔),或其他零件失效,使其壽命尚未達到上述預計值,通常把這種突發(fā)性的故障稱(chēng)為事故性故障。據統計,屬于老化性故障的失效約占10%-30%,而大量的則屬于后一種故障。機械密封主要的失效形式就是泄漏,但造成泄漏的原因是多種多樣的,天脊集團高平化工有限公司尿素車(chē)間自2006年6月投入生產(chǎn)以來(lái),機械密封出現故障率較高的主要在以下幾個(gè)方面:密封面磨損、動(dòng)靜環(huán)破裂、動(dòng)環(huán)不能補償、O型圈密封失效、彈簧斷裂等,

                    3 引起機械密封失效的主要因素

                    機械密封的密封性是其主要的指標。影響因素很多,其中有密封結構、材料、制造、安裝,介質(zhì)性質(zhì)及使用等。哪個(gè)環(huán)節出現了問(wèn)題,密封性都要受到影響??砂堰@些因素分為密封件本身和使用條件兩大類(lèi)。密封結構、材料和制造屬于制造廠(chǎng)。而安裝、介質(zhì)性質(zhì)和使用等屬于使用條件的范圍,如何正確使用取決于用戶(hù)自己。

                    3.1振動(dòng)

                    由于制造和安裝精度等原因,所有的離心泵都存在著(zhù)振動(dòng),所有的密封端面和軸心都存在一定的垂直度誤差。垂直度誤差使動(dòng)環(huán)旋轉時(shí)產(chǎn)生一軸向擺動(dòng)。振擺的幅度取決于誤差的大小,而其頻率則取決于彈簧剛度及動(dòng)環(huán)組件的質(zhì)量,與泵的轉速無(wú)關(guān)。

                    泵的振動(dòng)原因很多,振動(dòng)原因主要為轉子不平衡,也有其它原因。例如:泵和電機振正不佳,軸承故障、地腳螺栓松動(dòng)等。振動(dòng)原因不同振動(dòng)頻率也不同,絕大多數泵振動(dòng)頻率等同于工作轉速,而振動(dòng)幅度差別很大,從軸承箱表面測到的振幅不能大于0.06mm,超過(guò)該值就要停泵處理,振動(dòng)可分解為三個(gè)方向,即垂直、水平和軸向,其中以軸向振動(dòng)對密封的危害。大多數工藝流程泵的轉速在2950r/min左右,由于密封的追隨性較差,泵的振動(dòng)加劇了動(dòng)靜環(huán)的分離,瞬間的分離在液膜壓力作用下使密封面開(kāi)啟,出現大量泄露,如果摩擦副附近存在固體顆粒,進(jìn)入密封端面間會(huì )導致密封端面損壞,從而使機械密封失效。

                    3.2抽空和汽蝕

                    故障發(fā)生時(shí)正常工作的離心泵出口壓力大幅度下降并激烈的波動(dòng)通稱(chēng)抽空,這時(shí)泵內出現氣化現象,離心泵啟動(dòng)前沒(méi)灌泵、進(jìn)空氣、液體不滿(mǎn)或介質(zhì)大量汽化,這種情況下啟動(dòng)或者運轉離心泵必然抽空,表現在性能上是出口壓力趨近于零或接近泵的入口壓力,此時(shí)機械密封處于干或半干摩擦狀態(tài),常出現的失效形式有:

                    a.石墨環(huán)表面出現深而粗的環(huán)狀溝紋。

                    b.硬環(huán)用1Cr13表面堆焊硬質(zhì)合金或噴涂陶瓷時(shí)出現徑向裂紋。

                    c.硬環(huán)用碳化鎢硬質(zhì)合金時(shí),出現環(huán)狀溝紋,有時(shí)出現徑向裂紋或斷裂。

                    d.動(dòng)、靜環(huán)密封圈變質(zhì),如橡膠圈老化、龜裂。

                    e.熱裝式密封環(huán)硬質(zhì)合金環(huán)松脫。

                    正在運轉的泵由于葉輪的低壓區氣體氣化或氣體溢出,流至高壓區時(shí)而產(chǎn)生凝聚,這種迅速進(jìn)行的氣化凝聚現象稱(chēng)為氣蝕,其特點(diǎn)是運轉中產(chǎn)生激烈地水力沖擊,表現在性能上是出口壓力有較大幅度的激烈波動(dòng),泵振動(dòng)加大,能產(chǎn)生抱 軸和斷軸之類(lèi)的惡性事故,對密封也有損壞,其程度視汽蝕能量和持續時(shí)間而不同,密封腔中摩擦副處介質(zhì)溫度較高,其中部分組分汽化,流至低溫區又凝聚。這也具備了產(chǎn)生蝕的條件,出現激烈地水力沖擊,帶動(dòng)密封做迅速的軸向運動(dòng),可使動(dòng)、靜環(huán)及輔助密封圈等零件嚴重的損壞,密封性遭到破壞,若泵出現汽蝕現象,機封損壞一般以下形式:

                    a.靜環(huán)離位或防轉銷(xiāo)打彎。

                    b.動(dòng)環(huán)被“抽”到傳動(dòng)座中被卡住,彈簧失去作用。

                    c.摩擦副有一件用脆性材料制造進(jìn)(如碳化硅),在密封端面上因“敲擊”而出現片狀剝落。

                    3.3載荷系數與彈簧比的確定;

                    密封流體壓力作用在補償環(huán)上(例如機封動(dòng)環(huán)),使其對于非補償環(huán)(例如機封靜環(huán)),趨于閉合的有效作用面積與密封環(huán)帶面積之比稱(chēng)為載荷系數。載荷系數對機械密封的密封性及使用壽命可靠性等有很大影響,從密封性密封角度考慮希望載荷系數大一些,可得到較高的比壓,密封的穩定性和可靠都比較好。但是載荷系數大產(chǎn)生的摩擦熱較大,如不能及時(shí)散去使密封面溫度過(guò)高,當達到介質(zhì)氣化溫度時(shí)將發(fā)生氣化,液膜破壞,磨損加大,使用壽命短。

                    彈簧比壓就是單位密封端面的彈簧力,單位是MPa,計算方法是總的彈簧力除以密封端在的面積,彈簧比壓是促使密封端面貼合的重要因素,當泵在停車(chē)與啟動(dòng)時(shí)壓力較低,或密封腔中正常工作壓力低,或工作中壓力出現較大波動(dòng)時(shí),彈簧比壓就成為端面比壓的主要組成部分。彈簧比壓的大小要根據密封結構、工作條件、介質(zhì)性質(zhì)和載荷系數等綜合考慮,彈簧比壓大了有利于密封端面貼合,改善追隨性,增強密封穩定性,若過(guò)大則摩擦熱量大,功率消耗增加,使用壽命縮短,彈簧比壓過(guò)小,泄露量大,密封穩定性差。

                    因此,在機械密封的使用選型過(guò)程中,載荷系數與彈簧比壓的確定是保證機械密封長(cháng)期穩定運行的一個(gè)十分重要的因素。

                    3.4輔助密封圈:

                    機械密封的輔助密封圈包括動(dòng)環(huán)密封圈和靜環(huán)密封圈。根據其作用要求輔助密封圈材料具有良好的彈性,低的摩擦系數,能耐介質(zhì)的腐蝕溶解和溶脹,耐老化,在壓縮之后及長(cháng)期工作中不較小的永久變形,在高溫下使用具有不粘著(zhù)性,低溫下不硬脆而失去彈性,具有一定的強度和抗壓性,另外,要求來(lái)源方便,成本低廉些。

                    根據泵內流體的物理特性,應選擇合適的密封材料,密封材料選擇的合適與否將直接影響機械密封的使用壽命。

                    3.5其它

                    造成機械密封失效的原因有很多,有機械密封本身的原因,也有安裝和使用方面的原因,表二對造成機械密封失效的原因進(jìn)行了匯總。

                    4 實(shí)例

                    4.1廢液泵(位號:P06413,介質(zhì):解析廢液,溫度:70℃左右,平時(shí)2開(kāi)2備),該泵在運行過(guò)程中由于介質(zhì)溫度較高,介質(zhì)組分為多組分混合液體,部分組分在該溫度下經(jīng)常性發(fā)生汽化,導致該泵在運行過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生汽蝕,泵振動(dòng)增大,噪音高。據統計該泵平均每4個(gè)月機械密封更換一次,機械密封在拆出檢查時(shí)發(fā)現存在密封面片狀脫落,靜環(huán)破損現象。

                    4.2回流泵(位號:P06412,介質(zhì):30-40%甲胺液,溫度:50-60℃,平時(shí)2開(kāi)2備),在2011年4月11日至6月17日僅67天之間,就頻繁更換機械密封達7次,對生產(chǎn)造成了一定影響,每次機械密封發(fā)生泄漏后拆開(kāi)檢查時(shí),發(fā)現機械密封動(dòng)、靜環(huán)及補償彈簧等均完好,而動(dòng)環(huán)、靜環(huán)密封圈嚴重老化,失去彈性。后通過(guò)檢查記錄報表分析確定該泵每次機械密封失效前,泵入口液位均出現過(guò)偏低現象,泵在短時(shí)間內存在抽空現象。

                    4.3高壓洗滌器循環(huán)水泵(位號:P06402,介質(zhì):普通調溫水,溫度:130℃左右)和低壓冷凝器循環(huán)水泵(位號P06403,介質(zhì):普通調溫水,溫度:130℃左右),機械密封泄漏一般發(fā)生在倒泵過(guò)程中,機械密封拆開(kāi)后,動(dòng)靜環(huán)密封面完好,但是彈簧發(fā)生了卡澀,軸套部分麻坑較多,后將該泵軸套由碳鋼改為304材質(zhì)不銹鋼且表面做硬質(zhì)處理后,該泵在倒泵過(guò)程中出現機械密封泄漏的故障明顯減少。

                    5 優(yōu)化操作

                    在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,以離心泵為例,分析優(yōu)化操作對機械密封長(cháng)周期使用的影響和作用。

                    5.1 試車(chē)前準備工作

                    ① 檢查泵的各連接螺栓及地腳螺栓是否有松動(dòng)現象。

                    ② 檢查軸承箱潤滑油位是否正常,是否有漏油現象。

                    ③ 盤(pán)車(chē),檢查泵是否有卡澀現象。

                    ④ 檢查泵的進(jìn)出口壓力表是否完好。

                    ⑤ 檢查泵的安全護罩等是否完好。

                    ⑥ 將泵內充滿(mǎn)液體,排除泵內氣體,檢查機械密封是否泄漏。

                    5.2 試車(chē)

                    ① 電機電動(dòng)實(shí)驗,檢查電機轉動(dòng)方向是否正確。

                    ② 打開(kāi)進(jìn)口閥,啟動(dòng)電機,打開(kāi)出口閥,避免軸承溫度過(guò)高,損壞機械密封。

                    ③負荷試車(chē)應符合以下要求:機械密封無(wú)泄漏;運行平穩,無(wú)雜音;潤滑、冷卻系統均正常;流量、壓力平穩無(wú)波動(dòng);電流不超過(guò)額定值。

                    5.3正常運行

                    ① 泵啟動(dòng)后若有輕微泄漏現象,則先觀(guān)察一段時(shí)間,如果連續運轉4 小時(shí),泄漏量仍不減小,停泵檢查。

                    ② 泵的操作壓力應平穩,壓力波動(dòng)不大于0.1MPa。

                    ③ 運轉中避免發(fā)生抽空現象,以避免造成機械密封損壞。

                    ④ 確保冷卻水及密封水暢通。

                    ⑤ 發(fā)現設備有不正常情況應立即停泵檢查原因。

                    6 總結

                    綜上所訴,機械密封的長(cháng)周期運行要從零件的加工精度、選材以及安裝、維修、使用等方面入手進(jìn)行改進(jìn),同時(shí)應不斷提高操作人員的現場(chǎng)操作水平,以確保機械密封使用的穩定性和長(cháng)期性。

                    (來(lái)源:中國通用機械工業(yè)協(xié)會(huì )泵業(yè)分會(huì ))

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