机械密封的腐蚀与防护

郑圣奎

【摘 要】机械密封经常出现故障，其损坏形式可分为腐蚀损坏、热损坏和机械损坏三种，其腐蚀形态也存在多样性的特点。

【关键词】机械密封 腐蚀 防护

机械密封出现故障的机会较多，比例较大，常见的损坏形式可分为腐蚀损坏、热损坏和机械损坏三种，由于机械密封特殊的结构形式和千差万别的工作环境，其腐蚀形态也存在多样性的特点。

1 金属环腐蚀

(1)表面均匀腐蚀。如果金属环表面接触腐蚀介质，而金属本身又不耐腐蚀，就会产生表面腐蚀，其现象是泄漏、早期磨损、破坏、发声等。金属表面均匀腐蚀有成膜和无膜两种形态，无膜的金属腐蚀很危险，腐蚀过程以一定的速度进行，这主要是选材错误造成的。成膜的腐蚀，其钝化膜通常具有保护作用的特性，但金属密封环所用材料，如不锈钢、钴、铬合金等其表面的钝化膜在端面摩擦中破坏，在缺氧条件下新膜很难生成，使电偶腐蚀加剧。

(2)应力腐蚀破裂。金属在腐蚀和拉应力的同时作用下，首先在薄弱区产生裂缝，进而向纵深发展，产生破裂，称为应力腐蚀破裂。选用堆焊硬质合金及铸铁、碳化钨、碳化钛等密封环，容易出现应力腐蚀破裂。密封环裂纹一般是径向发散型的，可以是一条或多条。这些裂缝沟通了整个密封端面，加速了端面的磨损，使泄漏量增加。

根据断裂力学的观念，材料内部原始裂纹尖端的应力场强因子K₁=yσ₁a(y—系数)。在开始时由于应力σ₁小于临界应力σ_c， a小于临界裂纹σ_c，所以腐蚀作用时，由于原始裂纹a的腐蚀扩展，导致K₁的增大。当经过一段时间后a=σ_c及K₁=K_1c时，断裂就发生了，只有当原始裂纹a足够小，以致于K₁＜K_1c(应力腐蚀破裂)时，材料不会发生应力腐蚀破裂。①应力的存在。如果堆焊或加工中，残余应力、旋转离心力、摩擦热应力，引起金属环应力σ₁大于a_2c，应力破坏就很难避免。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K₁(应力腐蚀破裂)=(1/2-1/5)K_1c，且随材料强度级别的提高，K₁(应力腐蚀破裂)/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，光洁度降低，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”。⑤温度。温度越高，氢扩散越快，应力腐蚀破裂加快。密封环端面剧烈摩擦，如果端面比压过大，表面光洁度低，冷却不够，表面润滑不好，摩擦热则加速应力腐蚀破裂的进行。

2 非金属环腐蚀

(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：一是当端面过热，温度＞180℃时，浸渍的树脂要析离石墨环，使环耐磨性下降；二是浸渍的树脂若选择不当，就会在介质中发生化学变化，也使耐磨性下降；三是树脂浸渍深度不够，当磨去浸渍层后，耐磨性下降。所以密封冷却系统的建立，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性的介质中，端面在干摩擦或冷却不良时，产生350-400℃的温度能使石墨环与氧发生反应，产生CO₂气体，可使端面变粗糙，甚至破裂。非金属环在化学介质和应力的同时作用下，也会破裂。

(3)聚四氟乙烯(F₄)密封环的腐蚀。F₄填充如玻璃纤维、石墨粉、金属粉等以提高其耐温性、耐磨性。填充F₄环的腐蚀主要是指填充物的选择性腐蚀、溶出或变质破坏。例如在氢氟酸中，玻璃纤维分子热腐蚀，所以填充何物应视具体情况而定。

3 辅助密封圈及其接触部位的腐蚀

(1)辅助密封圈的腐蚀橡胶种类不同，其耐蚀性亦不同。由于橡胶的腐蚀、老化，其失效的橡胶遭腐蚀后表面变粗糙且失去弹性，容易断裂。橡胶耐油性因品种而异，不耐油的橡胶易胀大、摩擦力增大，浮动性不好，使密封失效。橡胶与F₄耐温性差，硅橡胶耐温性最好，可在200℃使用。

(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，与橡胶或F4辅助密封圈接触处没有大的相对运动，该处液相对静止易形成死角，给与之接触的金属轴套、动环、静环座及密封体等造成了特种腐蚀，主要有缝隙腐蚀、摩振腐蚀、接触腐蚀，三种腐蚀同时存在，交替进行，所以腐蚀面较宽、较深。观察其表面深度在1-1.5倍密封圈直径，蚀度不小于0.01mm时，密封泄漏就严重了。

4 防护方法

(1)选材。环境不同，选材不同，既要照顾选材的一致性，又要照顾环境腐蚀差异；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；腐蚀形式不同，选材不同。

(2)结构设计。①避免与介质接触的设计。采用内装式、外装式、隔离液等机械密封，涂层、保护套也可起到与介质隔离的作用。②端面设计。采用镶嵌结构，端面为压应力，可避免应力腐蚀破裂。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，如外装上喷涂保护层、加保护套等。改旋转型为静止结构。④辅助密封圈。只要缝隙足够小，所有材料都可能产生缝隙腐蚀。波纹管与轴套接触面宽且取消辅助密封圈，是一种好的密封。

(3)维护与使用。建立封液及冷却系统，并经常更换封液及冷却液，加强对端面冷却。检修与安装时，严禁敲击密封件，以防止局部相变而为腐蚀提供条件。密封件安装前，应严格地清洗干净。