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                    機械密封故障原因——摩擦副材料分析

                    2024-05-08

                    用作摩擦副的材料雖然很多,然而確定機械密封摩擦副合適的組對材料并非容易。從組對材料的相容性、耐磨蝕性等角度出發(fā),往往要通過(guò)大量的臺架試驗,以及現場(chǎng)應用的經(jīng)驗積累,才能確定磨擦副的優(yōu)化組合。此外,還要通過(guò)合理的結構設計,才能充分發(fā)揮材料優(yōu)異的性能。

                    一、碳石墨

                    碳石墨有幾十種可供選用,其性質(zhì)各異。必須了解各種碳石墨的牌號、性能及供貨來(lái)源,合理選用。以下介紹一些失效形式及如何選用這類(lèi)材料。

                    1、高磨損

                    目前,在選材時(shí)普遍存在著(zhù)一種傾向,即無(wú)論何種工況一律采用硬質(zhì)碳石墨,認為硬度越髙越耐磨。然而,在有些工況下卻并非如此。例如,對介質(zhì)的潤滑性差,或無(wú)潤滑性,或易產(chǎn)生干摩擦的場(chǎng)合,如輕烴介質(zhì),使用硬質(zhì)的 M106k磨損較大,而釆用軟質(zhì)的高純電化石墨磨損小,這是因為軟質(zhì)石墨具有優(yōu)良的低摩擦性能,它是由于石墨晶體自潤滑性能好,運轉期間有一層極薄的石墨膜向對偶件表面轉移,使摩擦面得到潤滑,摩擦系數下降,磨損減小。當組對材料為噴涂陶瓷時(shí),以選用中等硬度的石墨為宜。

                    若介質(zhì)中固體顆粒含量超過(guò)5%時(shí),碳石墨不宜作單端面機械密封的組對材料,也不宜作串聯(lián)布置中的主密封環(huán)。否則,密封件會(huì )出現高磨損。

                    2、泡疤

                    在熱油泵中,常會(huì )發(fā)現機械密封的碳石墨環(huán)端面上出現凹坑、疤塊。這是在選用碳石墨材料時(shí),沒(méi)有充分研究浸漬物與碳石墨材料結合的溫度。由于浸漬物的不同,碳石墨密封件的適用溫度范圍也就不同。例如,浸酚醛樹(shù)脂石墨, 當摩擦副表面溫度超過(guò)180°C時(shí),樹(shù)脂會(huì )在密封端面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,使表面損傷而出現泄漏。在條件允許的情況下,減小摩擦副的接觸寬度,對降低摩擦熱造成的溫升是有效的。所以,適當減小碳石墨環(huán)摩擦寬度,有利于防止泡疤的發(fā)生。質(zhì)量較差的碳石墨環(huán),因內部氣孔較多,使用時(shí)氣孔膨脹,將碳微粒及樹(shù)脂揮發(fā)物吹出而形成泡疤,而且將會(huì )引起密封端面黏著(zhù)。因此,高溫工況推薦用浸銅或浸銻石墨。

                    3、咬合破裂

                    在高溫場(chǎng)合下, 選擇浸漬金屬碳石墨是有利的。因為無(wú)論是接觸端面溫度或導熱系數都要比浸漬樹(shù)脂的高許多。但是,在機械密封運行時(shí),若出現干摩擦,密封更容易失效,端面瞬時(shí)高溫,金屬浸漬物會(huì )出現熔滴 ,造成端面咬焊而使密封件破裂。浸巴氏合金,銅合金或銻的碳石墨環(huán),不宜用于高溫干摩擦工況。高溫干摩擦運轉應采用浸銀石墨。金屬銀具有良好的自潤滑性,可有效地防止咬合破裂現象發(fā)生。

                    4、斷裂

                    石墨的裂紋是由傳動(dòng)件的振動(dòng)、 密封圈的脹大以及石墨環(huán)本身界面的尖角處應力集中造成的。當碳石墨環(huán)用于高黏度流體中時(shí), 特別是做浮裝式非補償環(huán), 由于流體的黏性阻力, 使碳石墨密封環(huán)產(chǎn)生前后顛簸而碎裂。因此, 碳石墨密封環(huán)應使用流體黏度界限制在 30Pa.s 以下,對高黏度流體,可用銅合金環(huán)替代碳石墨環(huán)。

                    5、變形

                    浮裝式碳石墨非補償環(huán),在高壓下容易產(chǎn)生變形,故高壓工況推薦用接觸式安裝。大軸徑的非補償環(huán),更應注意其形狀及外形尺寸的設計,增大徑向及軸向尺寸以防變形。夾緊式結構的碳石墨環(huán),當軸徑在100mm以上時(shí),用聚四氟乙烯0形圈夾緊,容易造成碳石墨環(huán)變形,因此,推薦用橡膠O形圈。

                    二、工程陶瓷

                    工程陶瓷是耐腐蝕用機械密封不可缺少的摩擦副材料之一。若選用不當,也會(huì )出現很多問(wèn)題。陶瓷是一種硬、 脆且對切口及熱沖擊敏感的材料。以下介紹使用工程陶瓷易出現的失效形式及選材方法。

                    1、斷裂

                    脆性是所有陶瓷共有的缺點(diǎn)。特別是棱角部位受沖擊載荷易裂。設計上盡量采用簡(jiǎn)單的形狀,避免有尖角存在。安裝、拆卸、儲運過(guò)程中應極其小心, 不能有沖擊載荷。裝配過(guò)緊是陶瓷環(huán)破裂的主要原因(其強度為硬質(zhì)合金的 1/4)。熱沖擊也是陶瓷環(huán)破裂的常見(jiàn)原因,密封裝置可能會(huì )暫時(shí)短時(shí)間地干運轉,因而溫度升髙,當液體突然進(jìn)入密封界面,使瓷環(huán)驟然冷卻,于是產(chǎn)生了難以承受的熱應力而破壞。所以,無(wú)論哪種陶瓷都要考慮其耐溫度驟變的性能。髙溫工況下,若經(jīng)常出現驟冷現象,好不采用氧化鋁陶瓷,可用其它材料替換。純度為 95%的氧化鋁陶瓷易于破裂。純度越髙、粒度越細的髙純氧化鋁瓷環(huán)卻不易破裂。

                    為彌補陶瓷強度低的缺點(diǎn),可用鑲裝結構。為防止脫環(huán),多采用鈦合金材料作環(huán)座,過(guò)盈量一般在0.05~0.08mm 范圍內選取。這樣,既避免瓷環(huán)碎或脫環(huán),又可保持兩者材料在耐腐蝕方面的同一性。

                    陶瓷材料的機械強度雖然低,但要是結構設計合理,使用和操作得當,在給定工況條件下,使用壽命仍然較長(cháng)。

                    2、組對性能

                    氮化硅陶瓷用作機械密封摩擦副材料具有選擇性。例如,在稀硫酸中氮化硅與填充玻璃纖維聚四氟乙烯組對時(shí),氮化硅的磨耗大, 而與碳石墨組對時(shí)效果較好;用鉻鋼玉陶瓷與填充玻璃纖維聚四氟乙烯組對時(shí),效果佳。氮化硅陶瓷相互組對不僅磨耗大,泄漏量也大,宜在低負荷條件下使用。碳化硅陶瓷與碳石墨組對可用于高負荷條件。

                    三、 硬質(zhì)合金

                    盡管硬質(zhì)合金的組對性能好,但隨使用工況不同,其組對性能也具有選擇性。

                    鈷基硬質(zhì)合金彼此組對,在高溫場(chǎng)合端面容易產(chǎn)生熱裂紋;若用鎳基硬質(zhì)合金與鈷基硬質(zhì)合金組對則可得以改善。

                    硬質(zhì)合金中的碳化物在室溫下一般能抗大多數酸堿的腐蝕。用鈷作為粘結劑的鈷基硬質(zhì)合金,由于鈷易被氧化以及耐蝕性差,所以耐蝕性能不夠理想, 容易產(chǎn)生粘著(zhù)、 腐蝕磨損。

                    熱水泵宜采用鎳基硬質(zhì)合金,例如,用鎳基硬質(zhì)合金與碳石墨組對比用鈷基硬質(zhì)合金與碳石墨組對的壽命高一倍。當泵停用較長(cháng)一段時(shí)間后,后者的起動(dòng)轉矩約為前者的4倍。

                    (來(lái)源:機械密封)

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