现代密封技术应用  ——使用、维修方法与案例（十六）

【接上篇 现代密封技术应用 ——使用、维修方法与案例（十五）】

现代密封技术应用

——使用、维修方法与案例（十六）

3.2 机械密封的安装维护

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3.3 机械密封故障及排除

机械密封装置失效原因的分析，有助于在检修过程中及时准确地处理机械密封装置故障，保证机械密封装置在良好的状态下进行，以达到经济、安全运行的目的。

3.3.1 机械密封的密封失效原因分析

机械密封装置种类繁多，型号各异，但泄漏点主要有5处：动、静环间密封；动环与轴套间的密封；轴套与轴间的密封；静环与静环座间的密封；密封端盖与泵体间的密封。

1. 机械密封在安装静试时发生泄漏

机械密封安装调试好后，一般要进行静试，观察泄漏量：如泄漏量较小，多为动环或静环密封圈存在问题；泄漏量较大时，则表面动、静环摩擦副间存在问题。在初步观察泄漏量、判断泄漏部位的基础上，再手动盘车观察：若泄漏量无明显变化，则静、动环密封圈有问题；如盘车时泄漏量有明显变化，则可断定是动、静环摩擦副存在问题；如泄漏介质沿轴向喷射，则动环密封圈存在问题居多；泄漏介质想四周喷射或从水冷却孔中漏出，则多为静环密封圈失效。此外，泄漏通道也可同时存在，但一般有会主次区别，只要观察细致，熟悉结构，一定能正确判断。

2. 机械密封在试运转时出现泄漏

泵业机械密封经过静试后，运转时告诉旋转产生的离心力，会抑制介质的泄漏。因此试运转时，机械密封泄漏在排除轴间及端盖密封失效后，基本上都是由于动、静环摩擦副受破坏所致。引起摩擦副密封失效主要有下列因素：

1）操作中，因抽空、气蚀和憋压等异常现象，引起较大的轴向力，使动、静环接触面分离。

2）安装机械密封时压缩量过大，导致摩擦副端面严重磨损、擦伤。

3）动环密封圈过紧，弹簧无法调整动环的轴向浮动量。

4）静环密封圈过松，当动环轴向浮动时，静环脱离静环座。

5）工作介质中有颗粒状物质，运转中进入摩擦副。擦伤动、静环密封端面。

6）设计选型有误，密封端面比压偏低或密封材质冷索性较大等。上述现象在试运转中经常出现，有时可以通过适当调整静环座予以消除，但多数需要重新拆装，更换密封。

3. 密封失效的原因

（1）由于两密封端面失去润滑膜而造成的失效

1）因端面密封载荷的存在，在密封腔缺乏液体时起动泵引起的干摩擦。

2）介质的压力低于饱和蒸汽压力，使端面液膜发生闪蒸，丧失润滑。

3）如介质为易挥发产品，在机械密封冷却系统出现结垢或阻塞时，由于端面摩擦及旋转元件搅拌液体产生热量而使介质的饱和蒸汽上升，也造成介质压力低于其饱和蒸汽压的状况。

（2）由于腐蚀而引起的机械密封失效

1）密封面点蚀，甚至穿透。

2）由于碳化钨环与不锈钢座焊接，使用中不锈钢座易产生晶间腐蚀。

3）焊接金属波纹管、弹簧等在应力与介质腐蚀的共同作用下易发生破裂。

（3）由于高温效应而产生的机械密封失效

1）热烈是高温油泵，如油渣泵、回炼油泵、常减压塔底泵等最常见的失效现象。在密封面处由于干摩擦、冷却水突然中断，杂质进入密封面和抽空等情况下，都会导致环面出现径向裂纹。

2）石墨炭环是使用碳-石墨环时密封失效的主要原因之一。在使用中，如果石墨环一旦超过许用温度（一般在-105～250℃）时，其表面会析出树脂，摩擦面附件树脂会发生炭化。当有粘结剂时，会发泡软化，使密封面泄漏增加，密封失效。

3）辅助密封件（如氟橡胶、乙丙橡胶、全橡胶）在超过许用温度后，将会迅速老化、龟裂、变硬散失弹性。现在所使用的柔性石墨耐高温、耐腐蚀性较好；但其回弹性差，而且容易脆裂，安装时容易损坏。

（4）由于密封端面的磨损而造成的密封失效

1）摩擦副所用的材料耐磨性差、摩擦因数大、端面比压（包括弹簧比压）过大等，都会缩短机械密封的使用寿命。对常用的材料，按耐磨性排列的次序为：碳化硅-碳石墨、硬质合金-碳石墨、陶瓷-碳石墨、喷涂陶瓷-碳石墨、氮化硅陶瓷-碳石墨、高速钢-碳石墨、堆焊硬质合金-碳石墨。

2）对于含有固体颗粒介质，密封面进入固体颗粒是导致密封失效的主要原因。固体颗粒进入摩擦副端面起研磨剂作用，使密封发生剧烈磨损而失效。密封面合理的间隙、机械密封的平衡程度，以及密封端面液膜的闪蒸，都是造成端面打开而使固体颗粒进入的主要原因。

3）机械密封的平衡程度β也影响着密封的磨损。一般情况下，平衡程度β=75%左右最适宜。β＜75%，磨损量虽然降低，但泄漏量增加，密封面打开的可能性增大。对于高负荷（高pv值）的机械密封，由于端面摩擦热较大，β一般取65%～70%为宜；对低沸点的烃类介质等，由于温度对介质汽化较敏感，为减少摩擦热的影响，β取80%～85%为好。

（5）因安装、运转或设备本身所产生的误差而造成机械密封泄漏

1）安装不良造成机械密封泄漏，主要表现在以下几方面：①动、静环接触表面不平，安装时碰伤、损坏；②动、静环密封圈尺寸有误、损坏或未被压紧；③动、静环表面有异物；④动、静环V形密封圈方向装反，或安装时反边；⑤轴套处泄漏，密封圈未装或压紧力不够；⑥弹簧力不均匀，单弹簧不垂直，多弹簧长短不一；⑦密封腔端面与轴垂直度不够；⑧轴套上密封圈活动处有腐蚀点。

2）设备在运转中，机械密封发生泄漏的原因主要有：①泵叶轮轴向窜动量超过标准，转轴发生周期性振动及工艺操作不稳定，密封腔内压力经常变化，均会导致密封周期性泄漏；②摩擦副损伤或变形而不能跑合引起泄漏；③密封圈材料选择不当，溶胀丧失弹性；④大弹簧转向不对；⑤设备运转时振动太大；⑥动、静环与轴套间形成水垢，使弹簧丧失弹性而不能补偿密封面的磨损；⑦密封环发生龟裂等。

3）泵在停一段时间后再起动时发生泄漏，这主要是因为摩擦副附近介质的凝固、结晶，摩擦副上有水垢、弹簧腐蚀、阻塞而丧失弹性。

4）泵轴挠度太大。

3.3.2 密封失效的重要特征

被密封的介质通过密封部件并造成下列情况之一者，则认为密封失效：①从密封系统中泄漏出大量介质；②密封系统的压力大幅度降低；③封液大量进入密封系统（如双端面机械密封）。在密封件处于正常工作位置，仅从外界可以观察和发现到的密封失效，或即将失效前的常见特征有以下几种：

（1）   密封持续泄漏

泄漏是最易发现和判断的密封失效特征。一套机械密封总会有一定程度的泄漏，但泄漏率可以很低，采用了先进材料和先进技术的单端面机械密封，其典型的质量泄漏率可以低于1g/h。所谓“零泄漏”通常描述为“用现有仪器测量不到的泄漏率”，采用带高压封液的双端面机械密封，可以实现对过程流体的零泄漏，但封液向系统的内泄漏和对外界的外泄漏总是不可避免的。

判断密封泄漏失效的准则可以有多种，如JB/T 4127.1—1999《机械密封 技术条件》，要求普通离心泵及其他类似旋转式机械的机械密封的泄漏量不大于3mL/h（当轴或轴套外径不大于50mm），或不大于5mL/h（当轴或轴套大于50mm）。在实践中，往往还依赖于工厂操作人员的目测。就比较典型的滴漏频率，对于有毒、有害介质的场合，即使滴漏频率降低到很低的程度，也是不允许的；同样，如果预料密封滴漏频率会迅速加大，就应当判定密封失效。对于非关键性场合（如水），即使滴漏频率大一些，也常常是允许的。目前生产实践中判定密封失效，既依赖与技术，也依赖于操作人员的经验。

密封出现持续泄漏的原因有：密封端面问题，如端面不平，端面出现裂纹、破碎，端面发生严重的热变形或机械变形；辅助密封问题，如安装时辅助密封被压伤或擦伤，介质从轴套间歇中漏出，O形圈老化，辅助密封变硬或变脆，辅助密封出现化学腐蚀而变软或变粘；密封零件问题，如弹簧失效，零件发生腐蚀破坏，传动机构发生腐蚀破坏。

（2）   密封泄漏和密封环结冰

在某些场合，可以观察到密封周围结有冰层。这是由于出现密封介质泄漏，并发生泄漏介质的汽化或闪蒸。应注意结冰可能会擦伤密封端面，尤其是石墨环。（3）   密封在工作中发出爆鸣声

有时可以听到密封在工作时发生爆鸣声，这也是由于密封端面间介质产生汽化或闪蒸。改善的措施主要是为介质提供可靠的工作条件，包括在密封的许可范围内提高密封腔压力，安装或改善旁路冲洗系统，降低介质温度，加强密封端面的冷却等。（4）   密封工作时发生尖叫

密封端面润滑状态不佳时，可能发生尖叫。在这种状态下运行，将导致密封端面破损严重，并可能导致密封环裂、碎等更为严重的失效。此时应设法改善密封端面的润滑状态，如加大旁路冲洗等。

（5）   石墨粉聚集在密封面的外侧

有时会发现石墨粉聚集在密封面的外侧，其中的原因可能是密封端面润滑不佳，或者密封端面间液膜汽化或闪蒸，残留下某些物质，并造成石墨环的磨损加剧。此时应考虑改善润混或尽量避免闪蒸出现。

（6）   密封寿命短

在目前技术水平条件下，一般要求机械密封的寿命在普通介质中不低于一年，在腐蚀介质中不低于半年；但比较先进的密封标准，如API682，要求密封寿命不低于三年。某些情况下，即使是一年或半年的寿命都难以达到，形成了机械密封的过早失效。造成机械密封过早失效的原因是多方面的，常见的有：设备整体布置不合理，在极端情况下，可能造成密封与轴的直接摩擦；密封介质中含有固体悬浮颗粒，而又未采取消除悬浮固体颗粒的有效措施，或未选用抗颗粒磨损机械密封，结果导致密封端面的严重磨损；密封运行时因介质温度过高，或润滑不充分而过热；密封所选形式或密封材料与密封工况不相适应。

3.3.3 根据机械密封摩擦副磨损情况分析故障原因

1. 摩擦副端面的磨损痕迹大于软环宽度

组成摩擦副的两个密封面宽度是不相等的。一般情况下，硬密封面较宽，软面较窄。经过一段时间的运转后，在硬密封面上有清晰的摩擦痕迹，可根据此痕迹的宽度判断故障的原因。造成密封端面上摩擦痕迹大于软环宽度的原因是：

1）泵振动大，使动环运转中产生径向和轴向振摆，液膜厚度变化较大，有时密封面被推开，造成泄漏增大。

2）动静环不同心。在一般的旋转密封中，静环安装在压盖上，压盖和密封腔配合时的同心度靠止口保证。实际上止口间隙往往过大，使静环下沉，造成动静环不同心。在静止式波纹管密封中，由于静环组件重量促成静环下沉，也造成动静环不同心。此外，轴承箱的配合间隙过大，轴弯曲等都能使摩擦痕迹过宽。

克服上述缺陷首先要消除泵的振动，将转子做动平衡；采用不易引起振动的联轴器；校正泵和电动机的同心度；检查泵各止口间隙是否过大；在静止式波纹管中，采取在静环下方加支承的方法防止下沉。

2. 摩擦痕迹小于密封面的宽度

产生这种故障问题现象的原因是：

1）静环密封端面不平。第一种现在是沿密封面内缘连续的接触痕迹，即所谓的收敛形缝隙。这种密封拆检时，往往查不出其他的磨损现象。运转起来就是泄漏量大。有人认为摩擦痕迹窄了，密封面积减小了，比压增大了，似乎不应该漏。事实恰好相反，当内缘接触时，密封的缝隙是呈现收敛形状，破坏了密封面的平形，液膜压力大大增加，将密封面推开，泄漏量增大。

2）静环端面不平形的第二种摩擦痕迹是密封面外缘接触，即摩擦痕迹的内径大于静环密封面的内径，密封面间呈喇叭状。这种缝隙形状是因液膜压力减小，造成比压增大，磨损加剧，容易出现沟纹，泄漏量增大，无法正常进行。

3）在动环端面上的摩擦痕迹是不连续的，或局部接触，有时大圆或点状接触。显然这是由动环面不平所致。解决这些缺陷的方法是：检查动、静环的平面度，对不符合要求的要进行研磨，直到合格。为减少密封面的变形，静环密封圈的过盈值不要太大，以免静环变形；高温密封要采取有效的辅助措施，如冲洗，冷却等，尽量减少密封本身温度差。

3. 密封面上没有摩擦痕迹而出现泄漏

有时密封面上没有痕迹摩擦而出现泄漏，其原因是：

1）传动装置的打滑。有的传动座有定位螺钉固定在轴套上，这种传动方式常温下尚可使用，对热油泵，在温度和离心力的作用下定位螺钉打滑传动失效。

2）静环与动环没接触，属于安装失误。

3）在采用镶嵌式动环时，碳化钨环松脱。

处理办法：传动座由定位螺钉传动改为键传动，或其它可靠的传动方式；为解决安装失误，应仔细复查压缩量；采用热膨胀系数小的材料制造环座，并适当加大镶装的过盈值。

4. 摩擦痕迹等于密封面的宽度而出现泄漏

这种现象在机械密封的故障中是十分普遍的。这时密封端面有磨损的沟纹，金属环表面变色，甚至出现裂纹等缺陷。如密封面上无缺陷，问题可能出在其他零件上，如波纹管裂纹等。

5. 石墨环表面出现均匀的环状沟纹

石墨环表面出现均匀的环状沟纹，这是机械密封常见的失效形式。原因如下：密封面间出现汽化，有的介质工作温度较高，摩擦发生的热量很容易使密封面间的液体汽化；也有的在高温采用浸渍合成树脂的石墨，超过了允许使用的温度，性能下降；采用了非平衡型密封，载荷系数太大，pv值高，产生大量的摩擦热，使介质汽化，在某些润滑性不良的介质如液态烃、热水等，尽管温度不很高，也有时出现沟纹；抽空和汽蚀使密封面上出现干或半干摩擦，其沟纹要深些。

另外，介质不清洁或出现结晶及结焦等时，也会出现沟纹，但这种沟纹较粗。其解决办法如下：

1）采用冲洗和冷却，降低密封温度、

2）选用平衡型密封，降低pv值，改善密封端面的润滑状况。

3）选用导热率高的硬质材料制造密封环，如碳化钨，碳化硅等。

4）减少抽空和汽蚀。

6. 石墨环表面中间有一条深沟

这种密封故障经常发生在温度较高的柴油泵密封上，尤其是从无冲洗的非平衡型密封为多。如石墨环表面被撕裂下来一小片，在压力和温度的作用下，牯结在动环表面，这牯结的凸物运转时磨损石墨环，表面出现深沟。

解决办法：改为平衡型密封；采用冷却和冲洗，降低温度。

7. 石墨环内边缘磨损

这种情况大多发生在高温泵的密封中。压盖有冷却水，冷却水多数为循环水或新鲜水，高温下冷却水结垢，将石墨环内边缘磨损，同时动环和轴套之间也被水垢塞满后失去了补偿能力。

解决办法：将先用的冷却水改用软化水或低压水蒸气。

8. 石墨环的承磨台被磨掉

作为软环的石墨环，有一个承磨台和动环接触，其高度为2～3mm。超过预计划工作使用寿命（800～1000h）后，承磨台会被磨掉。有时在没有达到预计的使用寿命时，承磨台就被磨掉了。一般情况下，其表面较为光洁，如弹簧不能补偿，那么动静环还处于贴合状态，由于此时的接触面积扩大，同时弹力减小，端面比压大大减小，泄漏量增大。这种情况一般出现在液态烃等润滑性较差的介质中，采用非平衡型密封，且没有冲洗和冷却水的机泵。

9. 石墨环断裂

这种故障常发生在介质为烃类且直径较大的密封中，泵未采用冲洗等辅助设施。pv值较大，摩擦热不易散失，密封面间汽化，使石墨环温度升高，因石墨环导热性良好，使静环辅助密封圈温度也升高。聚四氟乙烯的膨胀系数为钢铁的10倍左右，但因为压盖是钢的，向外径伸长已不可能，只好向内径方向膨胀，结果对密封圈附近的石墨环形成一个很大的挤压力。与此相反，密封端面附近存在一个使外径膨胀的热应力，在上述两种力的作用下，使石墨环最终产生断裂。

处理措施：增设自冲洗。

10.硬质合金表面灼烧和裂纹

当密封腔腔体中的介质已经汽化或抽空，即摩擦副处于干或半干摩擦状态时，密封表面温度急剧升高，摩擦副过热，一旦液体重新出现，摩擦副被急剧冷却，产生大的温度应力。对于导热性好和强度高的材料出现擦亮和变色的痕迹；对于导热性差，强度低的材料则在其表面出现径向裂纹。

解决办法：稳定操作，防止抽空；增设自冲洗。

（完）

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