泵軸機械密封的失效分析
    摘要：

    概述了機械密封端面泄漏、端面偏磨、密封環碎裂、密封圈泄漏等常見早期失效現象，并分析了產生這些現象的原因，主要是設計制造問題造成的。同時介紹了延長泵軸機械密封使用壽命的一些有效措施，如選用密封可靠、壽命較長的摩擦付材料及靜密封圈材料。

    機械密封系指兩塊密封元件在其垂直于軸線的光潔而平直的表面上相互貼合，并作相對轉動而構成密封的裝置。如圖1所示。

    它通常由靜環、動環、彈簧加荷裝置（包括推環、彈簧、彈簧座、固定螺釘，傳動銷）、輔助密封圈（動環密封圈和靜環密封圈）等元件組成。防轉銷固定在壓蓋上，用以防止靜環轉動。

    過氧從結構來看，機械密封主要是將極易泄漏的軸向密封，改變為不易泄漏的端面密封。

    因為機械密封具有密封性能可靠、泄漏量少、使用壽命長、功率損耗少、不需要經常維修等優點，且能滿足生產自動化和高溫、低溫、高壓、高真空、高速、各種易燃易爆、腐蝕性以及腐蝕性介質的密封要求，因此較其它密封獲得更為迅速的發展和推廣，越來越多地替代填料密封和其它密封。

    現將我廠常見機械密封早期失效現象、原因及補救措施介紹如下。

    1 新端面早期磨損原因及解決辦法

    機械密封端面早期磨損的原因常見的有以下幾種。

    1.1機動環和靜環的材料選擇是否合適

    由動環和靜環所組成的摩擦副是機械密封zui重要的零件。密封的壽命和工作質量（泄漏指標）都和它有直接關系。

    機械密封摩擦副的材料要根據泵的工作介質的性質、工作壓力、溫度、轉動速度等因素來選擇，特別是對老產品上填料密封改裝機械密封或原機械密封的改造，合理地選用機械密封材料是非常重要的。當機械密封在腐蝕性介質中時，它經受著化學腐蝕和電化腐蝕，尤其在摩擦面上，腐蝕率極大，這是因為端面上腐蝕生成物剛產生（能降低腐蝕率）就被摩擦所破壞的緣故。這種由耐腐蝕表層的產生到磨去，周期性的循環不止,通常稱為磨蝕現象。其磨蝕速度約為無摩擦作用表面的腐蝕率的10至50倍。因此，摩擦副應選擇既耐腐蝕耐磨性又好的材料。一般來說，石墨浸漬酚醛樹脂耐酸不耐堿，浸漬呋喃樹脂耐酸亦耐堿，浸漬環氧樹脂耐堿性好，浸漬聚四氟乙烯樹脂和陶瓷能耐強腐蝕性介質。

    （1）當機械密封在高壓介質中時，由高壓介質引起的端面比壓如果超出其適應范圍,會導致液膜破壞，引起發熱和磨損；高壓易使摩擦副變形及碎裂，從而使機械密封失效。要求高壓下工作的摩擦副材料必須具有足夠的剛度及強度,必須考慮用硬質合金、陶瓷、噴涂陶瓷等耐壓且強度和剛度都高的材料。

    （2）在高轉速情況下，機械密封由于線速度大，密封面上的摩擦熱和磨損加大，故摩擦副材料應采用摩擦系數較低的導熱好的陶瓷浸銅石墨等。

    （3）當機械密封在高溫環境中時，如果處理不當易產生橡膠制品的老化、零件的變形等，使機械密封泄漏，應選用耐高溫的材料，如燒結氧化鋁瓷（剛玉陶瓷）、堆焊硬質合金等。

    1.2機石墨靜環質量未達到設計要求

    設計要求石墨靜環浸漬樹脂，而且要有一定的浸漬深度。有時石墨靜環不是浸漬深度不夠，就是機加工后浸漬層所剩很少；設計要求端面有 的光潔度，而備件光潔度往往達不到要求；設計要求石墨質地純潔，并有一定的硬度，而備件往往有硬質點、硬度也不夠等。因此造成石墨的磨損相當嚴重。

    1.3機彈簧比壓選擇不當

    機械密封的主要密封點——動密封點，是由與軸線垂直的作旋轉運動的動環端面和靜環端面相互貼合而成的。彈簧在密封端面上產生的壓緊力即彈簧比壓，是使密封端面在低壓啟動、運轉及停車情況下始終保持貼合，維持良好的密封狀態的必要前提。而當密封端面磨損時，靠彈簧比壓克服密封圈與軸的磨擦力，保證動環沿軸向移動，補償端面磨損，保證密封。

    由于彈簧比壓值的大小直接影響密封的可靠性，如彈簧比壓值過大，密封面壓得過緊，磨損加劇；彈簧比壓值過小，密封面不能很好貼合，彈簧力抵抗不了內部氣體介質的壓力或端面磨損得不到補償，造成機械密封的泄漏。所以選擇合理的彈簧比壓值是密封可靠性的關鍵。

    彈簧比壓不夠，采取以下兩種方法消除泄漏：（1）在動環背后加墊來補償彈簧力。（2）用刮刀與砂布刮研、打磨密封腔與彈簧座及“V”型圈的配合處，使彈簧力作用在磨擦副的緊密貼合上。

    1.4機雜質進入密封端面造成的磨損

    在密封端面接觸和摩擦正常時，能夠進入密封端面的固體雜質都是極細微的，也容易被密封水沖走，因此，對密封泄漏沒有什么影響。較大固體顆粒進入密封端面，造成磨損加劇的情況，都是在密封工作不正常時發生的。大體分為以下幾種情況：

    （1）在停機或檢修后，試車初期，由于管路較臟或密封水質不好，固體雜質容易進入密封端面。因此，機械密封摩擦面磨損較快。

    （2）雙端面機械密封在密封水壓力波動，甚至低于泵、機內壓力時，泵體內帶有雜質的化工介質從內端面進入密封室，部分雜質存留在密封端面上，造成磨損加劇，單端面內裝機械密封，由于介質壓力波動，密封端面進入雜質的可能性較雙端面小得多，相對壽命較長。

    （3）由于種種原因雜質進入密封端面。過氧機械密封端面早期嚴重磨損，從磨損機理來看，主要是顆粒磨損，粘著磨損只有在個別情況下才能發生，因此，我們只討論顆粒磨損。過氧顆粒磨損速率是很高的，大大降低了機械密封的使用壽命。顆粒磨損不僅使軟密封環（石墨環）摩損，而且使硬密封環（主要是硬質合金動環）磨損，顆粒磨損表面有明顯的大致規則的刻痕和溝槽。顆粒磨損的實質是硬的顆粒在垂直分力作用下，刺入摩擦面，而在切向分力作用下作相對運動，從而使摩擦表面進行微切削和犁皺的過程。顆粒磨損不僅與材料的硬度和端面比壓有關，而且和材料的顯微組織、試驗溫度、載荷性質和應力大小、磨粒的尺寸和硬度以及摩擦面的化學性質等因素有關。

    摩擦副配對材料的硬度差，對顆粒磨損的影響很大。摩擦副硬度差大，出現顆粒磨損的情況就少得多，摩擦磨損速率也小；但硬度差小，出現顆粒磨損情況就多。其原因主要是由于當顆粒侵入摩擦副，在動環硬度高時，只在石墨環上或嵌入石墨環上擦出溝紋，硬環未被擦傷，還能保持原有光潔度，過一段時間，顆粒還有可能被密封水沖走。而顆粒侵入摩擦面，動環硬度低時，則由于硬環被擦傷，在振動和偏心作用下，如銼刀一樣銼石墨環，造成嚴重磨損。同時動環自身擦傷也越來越大。經過跑合，動環表面的溝紋與石墨環表面的溝紋逐漸同心吻合，這時泄漏量減少。

    此外，動環或靜環端面泄漏入口端，如果加工倒角過大，也能導致較大顆粒沿著斜面進入摩擦面，引起早期磨損。

    對于特殊情況，應采用特殊辦法，在開車初期或密封水質比較低劣時，為了避免機械密封的早期磨損失效，采用臨時加大端面比壓的作法，可以收到明顯效果，適當增加彈簧比壓并沒有明顯的增加摩擦副的磨損，相反避免了早期顆粒磨損，延長了使用壽命。

    2 新端面偏磨失效原因及補救措施

    有時機械密封檢修后試靜壓不漏，轉動起來后泄漏較大，超過運轉跑合期，泄漏量不減小，被迫重新檢修。檢修時往往發現在石墨靜環密封端面上有偏磨現象，即靜環端面有一部分沒有與動環端面接觸，沒有摩擦痕跡，封液由此泄漏。

    根據多次偏磨情況統計，偏磨主要是由于動環或靜環偏心（和軸中心線不同心）和動環或靜環偏斜（和軸中心線不垂直）引起的。

    不同心有下列幾種情況：動環與軸線不同心，靜環與軸線不同心。

    由于偏心造成的靜環摩擦面壓力分布不均勻，必然造成靜環橡膠密封圈或聚四氟乙烯密封圈受力也不均勻，其壓縮量也就不同。在動環旋轉時，使靜環中心線與軸線發生偏斜，產生某一偏斜角γ。這個偏斜角在動環轉速較低的情況下（如果每分鐘幾轉到幾十轉），彈簧力可以克服；在接近3000r／min時，就不能由彈簧力克服，機械密封就會泄漏。

    偏磨主要是由于下述原因造成：

    （1）橡膠或聚四氟乙烯密封圈、動環、靜環等密封件加工制造質量不合格，同心度和垂直度設計的允許偏差太大或加工制造誤差大。

    （2）密封室端蓋制造或安裝與軸線不同心、不垂直。端蓋是靜環安裝和定位的零件，如果端蓋定位端面與軸線不同心或不垂直，勢必造成靜環與軸線不同心或不垂直，產生偏斜造成偏磨，同時，端蓋與密封室連接法蘭處，一般有一個非金屬密封墊，如果鉗工安裝時，法蘭螺栓預緊力不均勻，也會造成端蓋與軸線不同心或不垂直，產生偏磨。

    由此看來，除了在設計和加工密封室端蓋時，對同心度和垂直度要提出較高的要求外；在安裝密封室端蓋時，螺栓力一定要均勻。該法蘭處的非金屬墊要在保證密封不漏的前提下，盡量選用薄墊。

    總之，造成偏磨的原因，多數是密封圈、端蓋等制造加工質量不合格，機械密封檢修和安裝不正確引起的。

    3 新密封環碎裂的原因及防治措施

    密封環碎裂是機械密封早期失效常見現象之一。石墨靜環主要是碎斷，陶瓷、碳化鎢動環主要是密封端面裂紋和變形。石墨環碎斷，密封嚴重泄漏，密封水壓不能保證大于介質壓力。動環雖有裂紋，造成泄漏增加，但在多數情況下還能維持運轉。造成石墨環碎斷的原因是多方面的，主要有以下幾種。

    （1）橡膠密封圈或聚四氟乙烯V形環與石墨環和靜環座配合太緊，石墨受擠壓，在動態下碎裂。

    （2）在安裝密封室和泵體時撞擊太重，或泵體密封室嚴重傾斜。

    （3）軸的擺動和串量超過規定值。

    （4）密封水中斷，摩擦副干摩擦，溫升過高，密封環熱裂，而又突然送密封水，使密封環劇烈收縮而碎裂。

    動環裂紋的主要原因如下：

    （1）硬質合金動環，存在著較大的應力，在動環運轉時，在外力、內力聯合作用下出現裂紋。這些裂紋都是沿徑向發散的密集的細微裂紋。

    （2）溫度影響：用非金屬材料作密封環（如陶瓷、WC），由于熱傳導不好，環內溫度分布極不均勻，即使在正常條件下，溫差也可能達到好幾百度，由于存在著溫差，進而產生熱變形而引起熱應力。當熱應力達到一定程度時，致使應力超過材料的強度極限。這時，對脆性材料的密封環往往產生表面龜裂，進而使密封面的摩擦磨損加劇而失效。由于熱變形也會使貼合的密封面間隙畸變，從而使泄漏增加。

    動環端面采用硬質合金時，由于這些材料的熱脹系數都較小，與基體材料的熱脹系數相差較大（不銹鋼比硬質合金熱脹系數高3～4倍），因此當密封溫升超過一定值時，就會引起堆焊硬質合金密封環的變形或裂紋。

    解決動、靜壞碎裂和變形的有效措施，除了嚴格控制備件加工質量，細心安裝檢修，加強操作管理之外，保證密封端面能夠得到充分的潤滑冷卻是重要措施。但是，在實際操作中，不是任何時候都能保證充分的潤滑和冷卻的，密封水壓力波動、中斷及工人的誤操作，都會使密封失去充分的潤滑和冷卻。

    4 新密封圈泄漏及原因分析

    有時機械密封泄漏，不是由于端面泄漏造成，而是由于動環、靜環密封圈或軸套密封圈處泄漏引起。原因如下：

    4.1 機橡膠密封圈處泄漏

    作動環、靜環的“O”型橡膠密封圈，由于橡膠光潔度不夠，硬度不適當，彈性不好，摩擦系數大，幾何尺寸不合格，耐熱性、耐腐蝕性不好等原因，也常引起密封泄漏。

    4.2 機軸套與動環密封圈接觸處泄漏

    當一個軸套多次使用后，在動環密封圈與軸套接觸處，軸套表面會產生粗糙的磨痕和斑點，往往引起密封泄漏。其原因主要是：

    （1）由于動環密封圈與軸套之間存在著微量的相對運動，磨粒或其他較硬雜質鑲嵌到較軟的密封圈之中。對軸套產生一種揉搓摩擦，而軸套表面未進行表面硬化處理或處理質量不好，結果造成磨損。

    （2）揉搓摩擦的結果，使軸套表面金屬鈍化膜破壞，軸套金屬表面存在著電極電位差，形成電化學腐蝕。又由于該接觸處本身及在微漏時都具有間隙腐蝕的條件，因此，腐蝕速率就更高。另外，動環密封圈在與大氣接觸的一側，由于有氧氣的存在，腐蝕條件更復雜惡劣，因此磨痕和斑點更明顯。

    聚四聚四氟乙烯密封環組用在動環上，由于其摩擦系數較橡膠小，光潔度較高，隨動環移動容易，因此，比橡膠密封圈要好些。橡膠密封圈用在靜環上,由于彈性好，硬度低，因此，比聚四氟乙烯密封圈密封可靠性要好。所以，合理選用密封圈材質也是很重要的，我們根據腐蝕等具體情況，對機械密封作了如下調整：在介質端靜環用聚四氟乙烯圈或耐蝕耐溫橡膠圈，在大氣端靜環一律用橡膠圈；動環一般都用聚四氟乙烯密封圈，效果比較理想。

    消除軸套微動磨損，除了在軸套表面盡量選用硬度高、耐蝕性好、與母體親和力強、表面光潔度高的噴鍍材料和更好的噴鍍工藝外，安裝時還要注意軸套的磨損情況，適時更換新軸套、新密封圈，從多方面保證密封可靠性。

    5 新討論

    5.1機機械密封和填料密封比較，機械密封具有密封可靠、壽命長、消耗功率低、使用范圍廣等優點。一部分機械密封早期失效壽命短，主要不足是設計制造問題，往往是由于選型不當、備件質量不合格、摩擦副材質選用不合理、安裝維護不得法、密封水質差等原因造成的。為延長機械密封的壽命，需要設計、制造、維護和使用各方面共同努力。

    5.2機機械密封設計和造型一定要結合生產實際情況，盡量選用密封可靠、壽命較長的摩擦副材料及靜密封圈材料。如雙端面機械密封內端接觸介質，以選用耐蝕材料為主；外端不接觸介質，以選用密封可靠性好的材料為主，如WC橡膠圈等，不一定追求內外端選材的一致性，這樣既可以降低成本，又能增加密封可靠性。

    5.3機機械密封零件加工質量一定要嚴格要求，說明書及檢修規程一定要特別定出機械密封的安裝及使用技術要求，使工人有章可循。

    5.4機機械密封在使用過程中，不一定泄漏量高一點就一定要檢修。有時經過一段時間運行，進入密封面的臟東西沖走了，密封水質干凈了，摩擦副跑合了，溫度變形消除了，泄漏量還會明顯下降。對于雙端面機械密封，只要保得住壓，就*可以考驗一個時期再檢修。

來源：中國液氣壓網