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1、机械密封使用寿命影响因素的探机械密封使用寿命影响因素的探讨讨天脊集天脊集团团高平化工有限公司高平化工有限公司 李振李振辉辉摘要：摘要：本文就天脊集团高平化工有限公司尿素车间自 2006 年试生产以来各离心泵常见的损坏情况进行汇总、分析，结合机械密封在使用过程中的受力情况及安装方式对影响机械密封使用寿命的因素进行汇总。关关键词键词： ：磨损 破裂 振动 抽空 汽蚀0.引言引言 天脊集团高平化工有限公司是 2006 年投产的大型尿素生产装置，设计年生 产能力为尿素 60 万吨，合成氨 36 万吨，甲醇 4 万吨。在其原始设计时，生产 装置的各种离心泵多采用机械密封，其中但尿素车间共有各种化工离心泵
2、 74 台， 其中 50 台离心泵采用机械密封。在日常生产中，由于操作、维护不当以及泵的 振动等原因，导致生产中的离心泵频繁出现泄漏事故，据 2006 年 6 月试生产阶 段至 2011 年 6 月期间不完全统计，在离心泵出现的各种故障当中，由于机械密 封失效造成的离心泵检修约占总检修次数的 80%以上，严重制约了生产系统的 稳定运行。因此，要求机械密封要可靠，使用寿命要长。但是，在生产工艺过 程中，介质具有易燃、易爆、有毒、有毒和腐蚀等性质，给解决机泵密封带来 了难题。大量泄漏不但危及装置内的安全，还能对较大范围内的环境造成污染， 这就对机泵密封提出了更高的要求。1 机械密封机械密封简简介介
3、1.1 机械密封定机械密封定义义机械密封是一种流体旋转机械的轴封装置，又叫端面密封，在国家有关标 准中是这样定义的“有至少一对垂直于旋转轴线的端面在流体压力和补偿机构 弹力（或磁力）的作用以及辅助密封的配合下保持贴合并相对滑动而构成的防 止流体泄漏的装置。 ”1.2 机械密封的机械密封的组组成及密封原理成及密封原理机械密封由于具有泄漏量少和寿命长等优点，近年来发展很快，根据不同的 工况出现了各种各样的结构，但无论哪种结构都有以下部分组成：第一部分是 由动环和静环组成的密封端面，有时也称为摩擦副；第二部分是由弹性元件为 主要零件组成的缓冲补偿机构，其作用是是密封端面紧密贴合；第三部分是辅 助密封
4、圈，其中有动环和静环密封圈；第四部分是使动环随轴旋转的传动机构。 机械密封的构成如图一所示，通过传动座 6 和推环 4，带动动环 2 旋转，静环 1 固定不动，依靠介质压力和弹簧力使动静环之间的密封端面紧密贴合，阻止 了介质的泄漏。摩擦副表面磨损后，在弹簧 5 的推动下实现补偿。为了防止介 质通过动环和轴之间泄漏，装有动环密封圈 3；而静环密封圈 7 则阻止了介质 沿静环和压盖 8 之间的泄漏。1 静环；2-动环；3-动环密封圈；4-推环；5-弹簧 6-传动座；7-静环密封圈；8-压盖；9垫片图一 机械密封2 机械密封常机械密封常见见故障故障通常，机械密封的使用寿命至少为 8000-10000
5、 小时。在此期间密封环中较软 的一只（大都用碳-石墨制造）的承磨台首先被磨掉，磨损量在 2-3mm 之间，这 时表面虽然基本光洁，但因弹簧不能补偿或比压过低而丧失了密封能力，其他 零件基本上无磨损。这种密封失效属自然磨损，称之为老化性故障。显然，这 种磨损是不可避免的。在实际工作中，有些密封环的磨损量远没有达到 2- 3mm，但其密封面表面就有了伤痕（不光洁） ，或其他零件失效，使其寿命尚未 达到上述预计值，通常把这种突发性的故障称为事故性故障。据统计，属于老 化性故障的失效约占 10%-30%，而大量的则属于后一种故障。 机械密封主要的 失效形式就是泄漏，但造成泄漏的原因是多种多样的，天脊集
6、团高平化工有限 公司尿素车间自 2006 年 6 月投入生产以来，机械密封出现故障率较高的主要在 以下几个方面：密封面磨损、动静环破裂、动环不能补偿、O 型圈密封失效、 弹簧断裂等， 3 引起机械密封失效的主要因素引起机械密封失效的主要因素 机械密封的密封性是其最主要的指标。影响因素很多，其中有密封结构、 材料、制造、安装，介质性质及使用等。哪个环节出现了问题，密封性都要受 到影响。可把这些因素分为密封件本身和使用条件两大类。密封结构、材料和 制造属于制造厂。而安装、介质性质和使用等属于使用条件的范围，如何正确 使用取决于用户自己。3.1 振振动动由于制造和安装精度等原因，所有的离心泵都存在着
7、振动，所有的密封端 面和轴心都存在一定的垂直度误差。垂直度误差使动环旋转时产生一轴向摆动。 振摆的幅度取决于误差的大小，而其频率则取决于弹簧刚度及动环组件的质量， 与泵的转速无关。 泵的振动原因很多，振动原因主要为转子不平衡，也有其它原因。例如： 泵和电机振正不佳，轴承故障、地脚螺栓松动等。振动原因不同振动频率也不 同，绝大多数泵振动频率等同于工作转速，而振动幅度差别很大，从轴承箱表面测到的最大振幅不能大于 0.06mm，超过该值就要停泵处理，振动可分解为三 个方向，即垂直、水平和轴向，其中以轴向振动对密封的危害最大。大多数工 艺流程泵的转速在 2950r/min 左右，由于密封的追随性较差，
8、泵的振动加剧了 动静环的分离，瞬间的分离在液膜压力作用下使密封面开启，出现大量泄露， 如果摩擦副附近存在固体颗粒，进入密封端面间会导致密封端面损坏，从而使 机械密封失效。3.2 抽空和汽抽空和汽蚀蚀故障发生时正常工作的离心泵出口压力大幅度下降并激烈的波动通称抽空， 这时泵内出现气化现象，离心泵启动前没灌泵、进空气、液体不满或介质大量 汽化，这种情况下启动或者运转离心泵必然抽空，表现在性能上是出口压力趋 近于零或接近泵的入口压力，此时机械密封处于干或半干摩擦状态，常出现的 失效形式有： a.石墨环表面出现深而粗的环状沟纹。 b.硬环用 1Cr13 表面堆焊硬质合金或喷涂陶瓷时出现径向裂纹。 c.
9、硬环用碳化钨硬质合金时，出现环状沟纹，有时出现径向裂纹或断裂。 d.动、静环密封圈变质，如橡胶圈老化、龟裂。 e.热装式密封环硬质合金环松脱。正在运转的泵由于叶轮的低压区气体气化或气体溢出，流至高压区时而产 生凝聚，这种迅速进行的气化凝聚现象称为气蚀，其特点是运转中产生激烈地 水力冲击，表现在性能上是出口压力有较大幅度的激烈波动，泵振动加大，能 产生抱轴和断轴之类的恶性事故，对密封也有损坏，其程度视汽蚀能量和持续 时间而不同，密封腔中摩擦副处介质温度较高，其中部分组分汽化，流至低温 区又凝聚。这也具备了产生蚀的条件，出现激烈地水力冲击，带动密封做迅速 的轴向运动，可使动、静环及辅助密封圈等零件
10、严重的损坏，密封性遭到破坏， 若泵出现汽蚀现象，机封损坏一般以下形式： a.静环离位或防转销打弯。 b.动环被“抽”到传动座中被卡住，弹簧失去作用。 c.摩擦副有一件用脆性材料制造进（如碳化硅） ，在密封端面上因“敲击”而出 现片状剥落。3.3 载载荷系数与荷系数与弹弹簧比的确定簧比的确定;密封流体压力作用在补偿环上（例如机封动环） ，使其对于非补偿环（例如 机封静环） ，趋于闭合的有效作用面积与密封环带面积之比称为载荷系数。载荷 系数对机械密封的密封性及使用寿命可靠性等有很大影响，从密封性密封角度 考虑希望载荷系数大一些，可得到较高的比压，密封的稳定性和可靠都比较好。 但是载荷系数大产生的摩
11、擦热较大，如不能及时散去使密封面温度过高，当达 到介质气化温度时将发生气化，液膜破坏，磨损加大，使用寿命短。弹簧比压就是单位密封端面的弹簧力，单位是 MPa，计算方法是总的弹簧 力除以密封端在的面积，弹簧比压是促使密封端面贴合的重要因素，当泵在停 车与启动时压力较低，或密封腔中正常工作压力低，或工作中压力出现较大波 动时,弹簧比压就成为端面比压的主要组成部分。弹簧比压的大小要根据密封结 构、工作条件、介质性质和载荷系数等综合考虑，弹簧比压大了有利于密封端 面贴合，改善追随性，增强密封稳定性，若过大则摩擦热量大，功率消耗增加，使用寿命缩短，弹簧比压过小，泄露量大，密封稳定性差。因此，在机械密封的
12、使用选型过程中，载荷系数与弹簧比压的确定是保证 机械密封长期稳定运行的一个十分重要的因素。3.4 辅辅助密封圈助密封圈：机械密封的辅助密封圈包括动环密封圈和静环密封圈。根据其作用要求辅 助密封圈材料具有良好的弹性，低的摩擦系数，能耐介质的腐蚀溶解和溶胀， 耐老化，在压缩之后及长期工作中不较小的永久变形，在高温下使用具有不粘 着性，低温下不硬脆而失去弹性，具有一定的强度和抗压性，另外，要求来源 方便，成本低廉些。根据泵内流体的物理特性，应选择合适的密封材料，密封材料选择的合适 与否将直接影响机械密封的使用寿命。 表一：几种常用的密封圈材料表一：几种常用的密封圈材料名称名称优优点点缺点缺点适用适用
13、丁腈橡胶（NBR）耐油、抗老化性，耐热、耐磨、 耐腐蚀、耐碱不耐氧化性、酸、酯、酮、醚等腐 蚀不耐低温油类设备硅橡胶 (MVQ)使用温度范围广（100350）强度低不耐磨、价格高低温下氧、弱酸和弱 碱类、油类密封氟橡胶 （FRM）耐高温，而油及耐多种化学 药品浸蚀，耐酸弹性好低温性能差、价格贵高温下耐酸、碱类密封 3.5 其它其它造成机械密封失效的原因有很多，有机械密封本身的原因，也有安装和使 用方面的原因，表二对造成机械密封失效的原因进行了汇总 表二表二 常常见见机械密封失效的原因机械密封失效的原因 机械密封本身的原因机械密封本身的原因安装和使用方面的原因安装和使用方面的原因 0 型密封圈选
14、材不当静环端面和轴中心线不垂直 石墨环浸渍剂不合适，耐温和耐腐蚀性差动静环不同心 热装式动环镶嵌失效弹簧压缩量过大，密封面间温度过高 传动座传动突耳磨穿，传动失效冷却效果不好 传动座卡住，弹簧不能补偿介质含固体颗粒或易结晶摩擦副材料差，寿命短发生汽蚀或抽空 载荷系数与弹簧比压选择不当泵振动过大 波纹管破裂轴套表面不光滑 波纹管失效冲洗量过大，静环冲出缺口 弹簧断裂冷却介质易结垢4 实实例例4.1 废液泵（位号：P06413，介质：解析废液，温度：70左右，平时 2 开 2 备） ，该泵在运行过程中由于介质温度较高，介质组分为多组分混合液体，部分组 分在该温度下经常性发生汽化，导致该泵在运行过程
15、中经常发生汽蚀，泵振动 增大，噪音高。据统计该泵平均每 4 个月机械密封更换一次，机械密封在拆出 检查时发现存在密封面片状脱落，静环破损现象。4.2 回流泵（位号：P06412，介质：30-40%甲胺液，温度：50-60，平时 2 开 2 备） ，在 2011 年 4 月 11 日至 6 月 17 日仅 67 天之间，就频繁更换机械密封达 7 次，对生产造成了一定影响，每次机械密封发生泄漏后拆开检查时，发现机 械密封动、静环及补偿弹簧等均完好，而动环、静环密封圈严重老化，失去弹 性。后通过检查记录报表分析确定该泵每次机械密封失效前，泵入口液位均出 现过偏低现象，泵在短时间内存在抽空现象。 4.
16、3 高压洗涤器循环水泵（位号：P06402，介质：普通调温水，温度：130左 右）和低压冷凝器循环水泵（位号 P06403，介质：普通调温水，温度：130 左右） ，机械密封泄漏一般发生在倒泵过程中，机械密封拆开后，动静环密封面 完好，但是弹簧发生了卡涩，轴套部分麻坑较多，后将该泵轴套由碳钢改为 304 材质不锈钢且表面做硬质处理后，该泵在倒泵过程中出现机械密封泄漏的 故障明显减少。5 优优化操作化操作在实际生产过程中，以离心泵为例，分析优化操作对机械密封长周期使用 的影响和作用。5.1 试车试车前准前准备备工作工作 检查泵的各连接螺栓及地脚螺栓是否有松动现象。 检查轴承箱润滑油位是否正常，是否有漏油现象。 盘车，检查泵是否有卡涩现象。 检查泵的进出口压力表是否完好。 检查泵的安全护罩等是否完好。 将泵内充满液体，排除泵内气体，检查机械密封是否泄漏。5.2 试车试车 电机电动实验，检查电机转动方向是否正确。 打开进口阀，启动电机，打开出口阀，避免轴承温度过高，损坏机械密封。负荷试车应符合以下要求：机械密封无泄漏；运
