现代密封技术应用  ——使用、维修方法与案例（十五）

【接上篇 现代密封技术应用 ——使用、维修方法与案例（十四）】

现代密封技术应用

——使用、维修方法与案例（十五）

3.2.4 机械密封使用维修中的注意事项

......

3.2.5 机械密封的腐蚀与防护

机械密封特殊的结构形式和不同的工作环境，使其腐蚀形态具有多样性的特点。

1. 金属环腐蚀

（1）表面均匀腐蚀及由此产生的其他腐蚀

如果金属环表面接触腐蚀介质，而金属本身又不腐蚀，就会产生表面腐蚀，其现象是泄漏、早期磨损、破坏、发声等。

金属表面均匀腐蚀分为成膜和无膜腐蚀两种形态。无膜的全面腐蚀很危险，除非选材发生严重错误，否则一般不会遇到这种情况；成膜的腐蚀，及时是极薄的钝化膜，也具有非常优越的保护性。但在机械密封中由于金属密封环，例如不锈钢、钴、铬、钨合金等易钝化的金属环，其表面的钝化膜在端面摩擦中破坏，端面在缺氧条件下又很难生成新膜，因而金属裸露、电位增高、电位差加大，使电偶腐蚀加剧。同时因金属裸露，其他腐蚀也会相继发生。

腐蚀使金属以溶解的离子状态，脱离金属密封环表面；或是生成固态的腐蚀产物，在机械冲刷作用下脱离表面，使密封面产生颗粒磨损。颗粒磨损与磨蚀磨损，均使端面出现沟纹，并显示一定方向性。因此，从外形上很难把这两种磨损截然分开，往往在实践中把磨蚀磨损误认为颗粒磨损，影响了分析与防护。

（2）金属环的应力腐蚀破裂

金属和合金在腐蚀和拉应力的同时作用下，首先在一个微区产生裂缝源，由于某种机理，裂缝向纵深发展并发生破裂，称为应力腐蚀破裂（SCC）。选用堆焊硬质合金，以及采用铸铁、碳化钨、碳化钛等的密封环，容易出现应力腐蚀破裂。密封环裂纹一般是径向发散形的，可以是一条或多条。这些裂纹沟通了整个密封端面，加强了端面的磨损，使泄漏量大大增加。

应力磨蚀破裂的机理人们还没有完全搞清楚。但可以将裂缝的发生和发展区分三个阶段：第一阶段为金属表面生成钝化膜或保护膜；第二阶段为膜局部破裂，形成蚀孔或裂缝源；第三阶段为裂缝向纵深发展。

前两个阶段与孔蚀和缝隙腐蚀相同，腐蚀都是在一个对流不畅、闭塞的微区内进行，通称为闭塞电池腐蚀。第三阶段，由于金属内部存在一条狭窄的活性通路，在拉应力的作用下，活性通路前端的膜反复地、间歇地破裂，腐蚀沿着与拉应力垂直的通路前进。在闭塞区（裂缝尖端）产生了氢，一部分氢可能扩散到裂缝尖端的金属内部，引起脆化；在拉应力作用下又能发生脆性断裂，裂缝在腐蚀和脆性的反复作用下，迅速扩展。

根据断裂力学的观点，材料内部原始裂纹尖端的应力场强度因子K₁=yδ₂a^1/2（y为系数），在开始时由于应力δ₁小于临界应力δ_c，裂纹宽度a小于临时界裂纹a_c，所以K₁小于临界应力场强度因子K_1c，裂纹不会失稳扩展，在有应力腐蚀作用下，由于原始裂纹a的腐蚀扩展，导致K₁增大。经过一段时间后，a=a_c及K₁=K_1c时，断裂就发生了。只有当原始裂纹a和（密封环）内应力δ₁足够小，以至于K₁小于材料在特定介质中的应力腐蚀临界应力场强度因子K_1scc时，材料才不会发生应力腐蚀破裂。

在下列因素的影响下，机械密封金属密封环也容易发生应力腐蚀破裂：

1）应力的存在。堆焊或加工中，残余应力、旋转离心力、摩擦热应力，引起金属环应力，且δ₁大于δ_2c，应力腐蚀破裂就很难避免。

2）材料。金属密封环材料强度、硬度指标越高，K_1c就越低，材料内气孔、夹渣、裂纹越多，越长越易发生应力腐蚀破裂。一般K_1scc=（1/2～1/5）K_1c，且随材料强度级别的提高，K_1scc/K_1c的比值下降。

3）磨损。构件表面越光，应力腐蚀破裂敏感性越低。端面磨损使金属表面钝化膜破坏，表面粗糙度值越高，越促使应力腐蚀破裂的发生。

4）介质。应力腐蚀破裂，只发生于一些特定的“材料环境“体系，例如，奥氏体不锈钢（Cl^-）、碳钢（NO₃^-）。机械密封应用中，应特别注意“材料环境”对产生SCC的影响。

5）温度。温度越高，氢扩散越快，应力腐蚀破裂加快。密封环端面剧烈的摩擦，如果端面比压过大、表面粗糙度值高、冷却不够、表面润滑不好，摩擦热就加速了应力腐蚀破裂的进行。

（3）密封端面的电池腐蚀

端面腐蚀主要有晶间腐蚀、电池腐蚀、选择性腐蚀、化学腐蚀等。端面的磨面主要有流体冲刷、磨合、磨损、颗粒磨损和粘着磨损，腐蚀和磨损相互促进、简称磨蚀。这里着重介绍电池腐蚀。

当两种电位不同的金属，浸在腐蚀介质或导电性溶液中时，如果发生接触，就会有电流通过，电位较高的金属（阳极）就会遭到腐蚀。电位差越大，金属腐蚀溶解越厉害，这就是电池腐蚀。有些金属在静态下接触，可能没有电池效应；当在动态时，这种效应却大大增加。动、静环之间的相对摩擦运动，促进了腐蚀电流的流动。有时动、静环材质在某一介质中，分别都是耐蚀的；但组合成对，由于电池效应，却发生了腐蚀。如果动、静环都是金属，且电位接近，则腐蚀较慢。石墨是一种导电非金属，广泛用作静环，与金属配对时，由于石墨电位比金属电位低的多，金属环电池腐蚀速度很快。当碳钢和石墨接触时，在含氧的中性溶液中，由于石墨上氧的超电位（极化）比在铁上低得多，石墨称为阴极，使钢的腐蚀加剧。而在还原酸中，石墨上超电位较高，因而对钢的影响不太大；在运动摩擦中，还由于石墨细片被磨掉，并吸附在金属环上，与金属本体形成微电池，会加速金属密封环的腐蚀。另外，两种金属在电解质溶液中，有电位差而产生电池作用，还会发生电池腐蚀。为了防止电池腐蚀，应尽量避免使用电位差较大的两种金属组合的结构。

2. 非金属的腐蚀

常用的非金属环有石墨环和填充聚四氟乙烯环。

（1）   石墨环的腐蚀

用树脂浸渍的不透性石墨环，它的腐蚀有三个原因：①当端面过热，温度高于180℃时（浸呋喃树脂），浸渍的树脂要析离石墨环，使环耐磨性下降；②浸渍的树脂若选择不当，不耐介质腐蚀，就会在介质中发生化学变化，也使耐磨性下降；③树脂浸渍深度不够，当磨去浸渍后，纯碳石墨环很快就会磨没了。所以密封冷却系统的简历选择耐蚀的浸渍树脂、采用高压浸渍、增加浸渍深度是非常必要的。

（2）   石墨环的氧化

在氧化介质中，端面在干摩擦或冷却不良时，产生高温（350～400℃），能使石墨环与氧发生反应，产生CO₂气体，可使端面变粗，甚至破裂。非金属环也会发生应力腐蚀破裂，如聚乙烯、有机玻璃、不透性石墨在化学介质和应力的同时作用下也会破裂。

（3）（聚四氟乙烯）密封环的腐蚀

聚四氟乙烯中填充如玻璃纤维、石墨粉、金属粉末，以提高其耐温性、耐磨性。填充聚四氟乙烯环的腐蚀主要是指填充物的选择性腐蚀，溶出或变质破坏。比如在氢氟酸中，玻璃纤维会被腐蚀，所以填充何物应视具体情况而定。

3. 辅助密封圈及与其接触部位的腐蚀

（1）辅助密封圈本身的腐蚀

1）橡胶种类不同，其耐蚀性各异。由于橡胶的腐蚀、老化，会使其失效。橡胶遭腐蚀后，表面变粗糙且失去弹性，容易断裂，而聚四氟乙烯几乎在所有介质中均耐蚀。

2）耐油性因橡胶品种而异。不耐油的橡胶易胀大、摩擦力增大、浮动性不好，使密封失效。

3）耐温性。橡胶与聚四氟乙烯耐温性较差；硅橡胶耐温性最好，可在200℃使用；氟橡胶耐温性也较好。

（2）与辅助密封圈接触部位的腐蚀

机械密封动环、轴套、静环、静环座等，与橡胶或聚四氟乙烯辅助密封圈接触处，没有大的相对运动，溶液相对静止易形成死角，就给与之接触的金属轴套、动环、静环座、轴及密封体等，造成了特殊腐蚀环境，并引起腐蚀而使密封失效。其腐蚀情况有以下三种：

1）缝隙腐蚀。发生在缝隙内的腐蚀称为缝隙腐蚀。缝隙是引起腐蚀的主要设计缺陷，尽管缝隙外部金属的腐蚀率很低，但缝隙内却能引起严重的腐蚀，甚至穿孔或破裂。缝隙腐蚀曾用浓差电池腐蚀来描述其腐蚀形态。研究指出，缝隙腐蚀包括两个阶段：初级阶段，缝内金属的溶解和氧的还原；后期阶段，即是催化阶段，因缝内含氧、阴离子（如Cl^-）向缝内迁移，结果使缝内H⁺和金属化合物浓度增加，从而加速了大多数金属的腐蚀。一般封液的Cl^-和氧控制都比较低，基本上不构成腐蚀；但是在缝内污垢下面，Cl^-的浓度比缝外增加3～4倍。

2）摩振腐蚀。轴套外表面和静环座内表面与辅助密封圈接触处还会产生摩振腐蚀。摩振腐蚀是指在加有载荷的两种材料相互接触的表面上，由于振动和滑动所产生的腐蚀。摩振腐蚀的机理也是振动和滑动摩擦破坏了金属表面，在介质和氧的作用下迅速腐蚀，磨损与腐蚀相互促进，加速了腐蚀和腐蚀区域的扩大。金属与辅助密封圈接触处有一定的接触比压（大于介质压力），存在微小的振动和滑动，具有摩振腐蚀的条件，因而有腐蚀现象的发生。其不同于一般摩振腐蚀现象的地方，是腐蚀下来的金属微粒及腐蚀产物很容易镶嵌在辅助密封圈上，并反过来揉搓磨削金属，就好像不断地添加磨料似的，所以机械密封的摩振腐蚀比一般的腐蚀要厉害一些。

3）接触腐蚀。金属与非金属腐蚀，在介质中还会产生接触腐蚀。有些靠氧化膜保护的金属，如不锈钢、铝等，在被非金属遮盖的表面上，由于极度缺氧，生成膜很困难，从而产生严重腐蚀。辅助密封圈与不锈钢的接触表面，由于接触腐蚀也对密封性能有影响。

上述三种情况同时存在、交替进行，所以腐蚀面较宽、较深。观察表面，其宽度大约在1～1.5倍密封圈直径，蚀深接近0.1mm时，密封泄漏就严重了。

4. 弹簧及金属波纹管的腐蚀

1）弹簧及金属波纹管在H₂S、盐水、碱液等介质中，极易产生应力腐蚀破裂。如果这些弹性元件强度、硬度指标偏高、K_1SCC偏低、对应里腐蚀破裂敏感，则很容易破裂，往往发生时间较短，工作几天就裂了。再加上压缩扭转应力以及离心力引起的拉力作用，就更缩短了发生应力腐蚀破裂的时间。解决的方法是：正确选材；热处理消除内应力；选择合适的弹簧比压。

2）弹簧及波纹管的均匀腐蚀。外装的大气腐蚀，内装的介质化学腐蚀，属于均匀腐蚀。元件腐蚀后，弹性范围降低，影响端面比压和补偿密封环的跟随性。

3）冲刷腐蚀。在旋转式机械密封中，弹簧及波纹管受到介质的冲刷腐蚀，造成弹簧丝变细，波纹管壁减薄，从而使密封作用受到影响。即使用不锈钢材料，由于冲刷作用导致钝化膜破坏，腐蚀加速，从而使密封寿命缩短。

5. 防护方法

防护方法一般从以下三方面考虑：

（1）   选材

化工生产介质繁多，密封情况千差万别，密封零件选择绝非易事。基于对腐蚀问题的深入了解和大量的试验，针对性的选择非常重要。

1）环境不同，选材不同，既要照顾选材的统一性，又要照顾环境腐蚀的差异。

2）温度、浓度、压力不同，选材不同。同一介质温度、浓度、压力不同，腐蚀情况各异，要对腐蚀性有所了解，酌情选材。

3）腐蚀形态不同，选材不同

①端面腐蚀环境的选材。活化—钝化体系的金属，如不锈钢、钴、铬、钨合金等，在对该金属具有电化学腐蚀、电偶腐蚀和生成脆硬腐蚀产物的环境要慎用。但是磨蚀速度不仅决定于腐蚀，还决定摩擦件的耐磨性，因此提高活化—钝化金属的硬度，往往降低磨蚀速度下降。

②应力腐蚀环境的选材。在应力腐蚀环境中，密封材料断裂韧性K_1c应比较高；但K_1c高的材料硬度往往偏低，不能满足密封性要求。要想同时满足韧性和硬度的指标很困难，有些材质可通过表面热处理的方式来满足这两个要求。对于具体介质选用何种材质，才能抗应力腐蚀破裂，进行大量的试验研究工作是必要的。

③电偶腐蚀环境的选材。动、静环接触，电偶腐蚀不可避免。为了减小腐蚀速度，应尽量选用电位差小的材料。铸铁与碳钢电位差小，在碱性溶液中使用较合适。选用硬对硬摩擦时，与其选用不同金属，莫如选用同种金属。非金属材料导电性差，如陶瓷可以避免电偶腐蚀，在电解质中应首先选用，但应注意陶瓷不耐碱、不耐氢氟酸和氟硅酸。

④缝隙腐蚀环境的选材。适当提高缝隙部位的硬度，以适应揉擦腐蚀的特点是必要的。如表面镀硬铬、喷涂陶瓷等。据报道，哈氏合金（HastelloyC）耐蚀能力强，在H₂S-H₂O系统中长期使用，为发现缝隙腐蚀。材质不同，抗缝隙腐蚀的能力也就不同。

（2）   设计结构

正确的结构设计，能使密封零件避开介质的腐蚀，减缓腐蚀速度，增强耐蚀能力。

1）避免与介质接触的设计。如果介质腐蚀性很强，没有合适的耐蚀材料，则可以从结构上想办法，使密封件不与介质接触。内装式、外装式、隔离液等机械密封，均属此类。另外，涂层、保护套，如聚四氟乙烯套等，也可起到介质隔离的作用。

2）端面设计。电偶腐蚀速度与阳极和阴极的面积比有关，面积比大，阳极电流密度就大，腐蚀加快，所以作为阳极的金属环与石墨配对，金属环应是宽面的。另外，密封端面为堆焊形式，因存在堆焊残余应力拉应力，可产生应力腐蚀劈裂；而镶嵌结构的端面是压应力，因而避免应力腐蚀破裂。

3）弹簧防腐设计。从结构上使弹簧不与介质接触是较好的方法，例如：外装、弹簧上喷涂保护层、加保护套等。

4）改旋转型为静止结构。

5）辅助密封圈。只要缝隙足够小，所有材料都有可能产生缝隙腐蚀。波纹管与轴套接触宽，而且取消了辅助密封圈，是一种比较好的密封结构。

（3）维护与使用

1）建立封液及冷却液系统，并经常更换封液及冷却液，加强对端面的冷却。

2）检修与安装机械密封时，严禁敲击密封件，以防止局部地区相变而为应力腐蚀提供条件。

3）密封件安装前，应严格地清洗干净。

（未完，待续）

详情可参阅官网www.chem1024.com 或手机版m.chem1024.com《材料头条》板块）

以上为上海知为材料科技有限公司内部资料，愿与各位工程师学习交流，共同进步。如需新技术工程师员工培训，请直接联系上海知为材料科技有限公司。