机械密封从失效形式分析故障原因.docx

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1、通过对失效原因的分析，可以提高应用机械密封的技术水平。结构设计上的改进，在很大程度上是源于故障分析。对分析故障要做到尽可能确切，有时需要花费时间， 甚至需要使用专门的测试技术。一、 密封失效分析的原则和方法对每一套机械密封 ，无论以何种原因失效，都应进行详细的分析研究，并记录有关数据。密封件损坏后，不能局限于从被损件上查找失效原因。还应将拆卸下来的机械密封妥善地收集，清洗干净；按静止和转动两部分分别放置，贴上标签，以备检查和记录。检查程序是：首先，弄清受损伤的密封件对密封性能的影响，然后依次对密封环、传动件 、加载弹性元件 、辅助密封圈 、防转机构 、紧固螺钉等仔细检查磨损痕迹。对附属件、如压

2、盖 、轴套 、密封腔体以及密封系统等也应进行全面的检查。此外，还要了解设备的操作条件，以及以往密封失效的情况。在此基础上， 进行综合分析，就会找出产生失效的根本原因。二、 根据磨损痕迹分析故障原因磨损痕迹可以反映运动件的运动情况和磨损情况。每一个磨损痕迹都可以为故障分析提供有用线索。例如，摩擦副磨损痕迹均匀正常，各零件的配合良好，这就说明机器具有良好的同轴度。如果密封端面仍发生泄漏，就可能不是由密封本身问题引起的。例如，金属波纹管机械密封的端面磨损痕迹均匀正常，泄漏量为常数，这就意味着泄漏不是发生在两端面之间，有可能发生在其他部位上，如固定波纹管的静密封处等。当端面出现过宽的磨损，表明机器的同

3、轴度很差。转轴每转一圈密封件都要作轴向位移和径向摆动，显然在每一次转动中，密封端面都趋向于产生轻微的分离和泄漏。以离心泵为例，造成过宽的磨损的原因大致有：联轴器不对中、泵轴弯曲 、泵轴偏斜 、轴的精度低 、管线张力过大 、振动等。引起振动的原因还有气穴 、喘振 、水锤冲击 、介质流动不平衡等。但以联轴器对中不良，轴承运转精度差引起振动的情况居多。安装联轴器时，应测量两轴中心线位置精度，通常是用百分表和塞尺进行测量，两联轴器外圆的偏差和端面间隙的偏差测量数值需控制在表12-1所示的范围内。对于水力特性所引起的震动，其有效的补救措施是控制泵的排量在设计值以下，减轻泵的气穴现象。对出现的磨损痕迹宽度

4、小于窄环环面宽度时，这就意味着密封受到过大的压力 ，使密封面呈现变形。对此，应从密封结构设让上加以解决，采用能承受髙压的密封结构。机械密封运转一段时间后，若摩擦端面没有磨损痕迹，表明密封开始使用时就泄漏，泄漏介质被氧化并沉积在补偿环密封圈附近，阻碍了补偿环作补偿位移。这种情况是产生泄漏的原因。黏度较髙的髙温流体，若不断地泄漏，易于出现这种情况。对橡胶波纹管式密封件，若摩擦副端面没有磨损痕迹 ，这表明密封端面可能已经压合在一起，摩擦副间无相对转动，而是橡胶波纹管相对于轴旋转。如果出现这种情况，弹簧就会磨损，还会磨损固定部件和转动部件。有时，旋转环相对于静止环不旋转，而相对于静环压盖旋转，这种情况

5、下摩擦副端面也不会产生磨损痕迹。其原因可能是防转销折断了，或是静环压盖的孔径小于密封件的外径而安装不到位所致。在密封端面上有光点而没有磨痕，这表明端面已产生较大的翘曲变形。这是由于流体压力过大，密封环刚度差，以及安装不良等原因所致。外装式机械密封，若夹固式非补偿环仅用两个螺栓固定而静环压盖没有足够的厚度，或定位端面不平整，也会出现这种现象。硬质环端面出现较深的沟槽（环状纹路，形如密纹唱片）。其原因主要是泵的联轴器对中不良，或密封的追随性不好。当振动引起密封端面分离时，两者之间有较大颗粒物质入侵，假如颗粒嵌入较软的碳石墨密封环端面内，软质环就像砂轮一样磨削硬质端面，造成硬质端面的过度磨损。若是由

6、振动引起端面分离，那么传动销钉之类的传动件必然也会出现不正常的磨损痕迹。在颗粒介质中工作的机械密封，组对材料均采用硬质端面，这是解决密封端面出现深沟槽的一种有效办法。例如，硬质合金与硬质合金或与碳化硅组对为最佳。因为颗粒无法嵌入任何一个端面，而是被磨碎后从两端面之间通过。金属轴套外圆表面的磨痕，可能是进入套内的固体微粒造成的，它干扰密封的追随能力；也可能是轴偏斜，轴与密封腔的同轴度偏差大造成的。三、 热负荷对端面材料的损伤在一个或两个端面上出现缺口，这种现象说明两个端面分开的距离太大，而当两个端面用力合紧时，就会产生缺口。造成端面分离的常见原因是介质急骤蒸发。例如水，特别是在热水系统或是含凝结

7、水的液体中，水蒸发时膨胀，因而将两端面分开。泵的气穴现象加上密封件的阻塞也可能是使密封端面产生缺口的原因。在这种情况下，不是由于振动和联轴器不对中引起的，因为这不足以使端面产生缺口。降低端面温度是防止介质急剧蒸发造成端面损坏的常用方法。同时，采用导热性好的材料组对也是有利的，如用镍基硬质合金与浸铜石墨组对。此外，采用平衡型机械密封，或利用特种压盖从外部注液冷却，或直接冷却腔内的密封等等，对降低密封端面的温度都十分有效。失效的机械密封，摩擦副端面常会留下很细的径向裂纹，或者是径向裂纹兼有水泡痕，甚至龟裂。这是由于密封过热引起的，特别是陶瓷 、硬质合金密封面容易产生这类损伤。介质润滑性差、过载 、

8、操作温度髙 、线速度高 、配对材料组合不当等，其中任何一种因素，或者是几种因素的叠加，都可以产生过大的摩擦热，若摩擦热不能及时散发，就会产生热裂纹。这些细裂纹犹如切削刃一样，切削碳石墨或其它对偶件材料，从而出现过度磨损和髙泄漏。解决密封过热问题，除改变端面平衡系数，减少载荷外，还可采用静止型密封并加导流套强制将冷却循环流体导向密封面，或在密封端面上开流体动力槽来加以解决。摩擦端面上有许多细小的热斑点和孤立的变色区，这说明密封件在高压和热影响下变形扭曲。对于端面的热变形，应采用有限元法计算分析，改进密封环的设计。表面喷涂硬质材料的密封环，无论是喷涂陶瓷还是硬质合金，在热负荷下其面层都有可能在基材

9、上起鳞片或剥落。出现这种现象，说明密封出现过干摩擦。为消除这一现象，首先应检查密封的润滑、冷却是否充分、冷却系统有无堵塞现象，操作是否得当，根据实际情况采取相应的对策。四、 腐蚀对密封件的危害化学腐蚀和电化学腐蚀对于机械密封的使用寿命是一个严重威胁。构成腐蚀的原因错综复杂，这里仅就机械密封件最常见的腐蚀形态以及影响最大的因素进行分析。1、全面腐蚀与局部腐蚀全面腐蚀，即零件接触介质的表面产生均匀腐蚀 ，其特征是零件的重量减轻，甚至会全部被腐蚀 、失去强度 、降低硬度。如用 1Cr18Ni9Ti不锈钢制作的多弹簧，用于稀硫酸时就会出现这种情况。局部腐蚀，可以简单地用零件上的蚀斑、蚀孔来判明。局部腐

10、蚀是零件表面层变得松软多孔、易于脱落、失去耐磨强度。局部腐蚀是多相合金中的某一相或单相固溶体的某一元素，被介质选择性溶解的腐蚀形态。例如，钴基硬质合金用于高温强碱中时，粘结相金属钴易被腐蚀，硬质相碳化钨骨架失去强度，在机械力的作用下产生晶粒剥落。又如，反应烧结碳化硅，因游离硅被腐蚀而表面呈现麻点（pH10时）。腐蚀对密封件的性能影响很大。由于密封件比主机的零件小，而且更精密，通常要选用比主机更耐腐蚀的材料。对于直接与介质接触的密封件，虽然可参阅有关腐蚀手册中的数据选择适宜的材料，但这些数据未必与机械密封系统中的使用条件相符，因为它们大多是静态条件下单一种介质的腐蚀数据，而工艺流程中的介质是多种

11、介质的混合物。经验表明，压力 、 温度和滑动速度都能使腐蚀加速。密封件的腐蚀率随温升呈指数规律增加。处理强腐蚀流体时，采用外装式或双端面密封，可以最大限度减轻腐蚀对密封件的影响，因为它与工艺流体相接触的零件数最少。这也是在强腐蚀条件下，选择密封结构的一条最重要的原则。2、应力腐蚀应力腐蚀是金属材料在承受应力状态下处于腐蚀环境中所产生的腐蚀现象。不论是外部载荷或残余应力，腐蚀都会加剧。容易产生应力腐蚀的材料是奥氏体不锈钢、铜合金等。应力腐蚀的过程一般是在金属表面上形成选择性的腐蚀沟槽，持续产生局部腐蚀，最后在应力的作用下，从沟槽底部产生裂纹。典型的实例是104型机械密封的传动套，它的材料为1Cr

12、18Ni9Ti，当用于氨水泵上时，传动套的传动耳环最容易出现应力腐蚀裂纹，使耳环损坏。为此，将其凹形耳环改为实心凸耳，即可防止产生这种应力腐蚀。3、磨蚀密封件与流体间的高速运动，致使接触面上发生微观凹凸不平。当流体为腐蚀性介质时，将加快密封接触表面的化学反应，这种反应有时是有利的，有时是有害的。如果所形成的氧化层被破坏，即出现腐蚀。由磨损与磨蚀的交替作用而造成材料的破坏称为磨蚀。通常磨蚀对机械密封的非主要元件如弹簧座、推环、环座等所带来的危害还不致迅速地反映出密封性能的变化，但却是摩擦副失效的主要形态之一。为此，在强腐蚀性介质中，摩擦副应采用耐腐蚀性能好的材料，如采用 99.5% 的高纯氧化铝

13、陶瓷，或不含游离硅的热压烧结碳化硅等。4、间隙腐蚀当介质处于金属与金属或非金属元件之间，存在很小的缝隙时，由于介质呈滞流状态，会引起缝隙内金属的腐蚀加速，这种腐蚀形态称为间隙腐蚀。例如机械密封弹簧座与轴之间，补偿环辅助密封圈与轴之间（当然此处还存在微动磨损）岀现的沟槽或蚀点即是典型的例子。究其原因，是由于缝内介质处于滞流状态，使得参加腐蚀反应的物质难以向缝内补充，而缝内的腐蚀产物又难以向外扩散，于是造成缝内介质随着腐蚀的进行，在组成的浓度、pH值等方面愈来愈和整体介质产生很大差异，结果便导致缝内金属表面的腐蚀加剧。间隙腐蚀对密封性能的危害很大，密封圈与对隅轴处产生沟槽，将导致补偿环不能作轴向位

14、移，失去追随性，使端面分离而泄漏。对于间隙腐蚀，通常可以通过正确选材和合理的结构设计予以减轻。如选用具有良好的抗间隙腐蚀性能的材料，在结构设计上应尽可能避免形成缝隙和积液死区；采用自冲洗方式进行循环，使密封腔内的介质处于不断更换和流动状态，防止介质组分的浓度变化，长期停用的机泵，应将积液及时排空等等，在结构上要完全消除间隙是不可能的，因此，一般采用保护性的轴套，在其密封圈安装部位可喷涂耐腐蚀材料加以防止。5、电化学腐蚀实际上机械密封的各种腐蚀形态，或多或少都同电化学腐蚀有关。就机械密封摩擦副而言，常常会受到电化学腐蚀的危害，因为摩擦副组对常用不同种材料，当它们处于电解质溶液中，由于材料固有的电

15、位不同，接触时就会出现不同材料之间的电偶效应，即一种材料的腐蚀会受到促进，另一种材料的腐蚀会受到抑制。例如铜与镍铬钢组对，用于氧化性介质中时，镍铬钢发生电离分解。盐水、海水、稀盐酸、稀硫酸等都是典型电解质溶液。密封件易于产生电化学腐蚀，因而最好是选择电位相近的材料或陶瓷与填充玻璃纤维聚四氟乙烯组对。五、橡胶密封圈的失效机械密封用辅助密封圈，以釆用合成橡胶0形圈较多。机械密封失效中约有 30% 是因为0形圈失效而引起的。其失效形式表现为如下几点。1、老化高温及化学腐蚀通常是造成橡胶制品硬化、产生裂纹的主要原因。橡胶老化，表现为橡胶变硬，强度和弹性降低，严重时还会出现开裂，致使密封性能丧失。橡胶在

16、储存保管中，长期曝露日照下，或接触了臭氧，或储存时间太长，都会发生老化，过热会使橡胶组分分解，甚至碳化，在高温流体中，橡胶有继续硫化的危险，最终失去弹性而泄漏。所以有必要了解每一种合成橡胶的安全使用温度。2、永久变形橡胶密封件的永久性变形通常比其他材料更严重。例如，橡胶O形圈使用中变成方形。密封圈长时间处于高温之中，会变成与沟槽一样的截面形状，当温度保持不变，还可起密封作用；但温度降低后，密封圈便很快收缩，形成泄漏通道而产生泄漏。因此，应注意各种胶种的使用温度极限，应避免长时期在极限温度下使用。如果不能改变密封运转条件，则要从结构上加以改进，以减轻温度对橡胶材料的不良影响。例如，尽可能地选用截面较大的橡胶O形圈，O形圈要远离摩擦副端面，适当提