化工企业延长泵用机械密封使用寿命的有效措施

刘尚明

（本溪市化学工业学校化工系)

0 前言

化工企业生产过程是连续型生产过程，物料大多具有易燃、易爆、有毒、强腐蚀等特性，物料泄漏不仅会产生损失，还有可能造成环境污染甚至引起火灾、爆炸等严重事故。化工企业输送流体的机械密封主要采用填料密封和机械密封两种形式，其中的机械密封广泛应用于旋转轴的动密封。相对于填料密封，机械密封泄漏量较小，一般为10 mL／h，使用寿命长，一般可连续使用2年，功率消耗小,约为填料密封的10%～50%[1]。同时，机械密封克服了填料密封不适合高温、高压、强腐蚀等工况使用的难题，因此机械密封在化工生产中被广泛应用。石化行业动设备维修中机械密封维修工作量最高达到50%，因此延长密封寿命尤其重要。本文在介绍机械密封工作原理、端面摩擦特性和密封特性基础上，分析了机械密封的失效形式，进而研究了如何避免密封失效、延长密封使用寿命的问题。

1 机械密封的工作原理

机械密封主要作用是防止泄漏。机械密封装置中起密封作用的零部件称为密封件，主要有密封端面 （摩擦副）、弹性元件、辅助密封圈、动环、静环。机械密封主要靠一组密封端面形成动密封，它借助弹簧力和介质压力使静环与动环的密封端面相互贴合并做相对旋转而构成密封。

机械密封常见有四个密封点。动环和静环端面间的密封是动密封，是关键的密封点，其密封主要靠泵内流体压力和弹簧压力使动环、静环两端面互相紧密接触，在两环接触面上少量泄漏的液体形成液膜起到润滑和密封作用。静环和压盖，动环和轴，压盖与泵体之间的密封是静密封，通常可以采用各种简单密封形式和辅助密封材料防止流体的泄漏。

2 机械密封的性能

2.1 端面摩擦特性和密封特性

机械密封主要的性能指标是端面摩擦特性和密封特性。端面摩擦特性和密封特性是两个相互背离的指标。例如提高密封能力就要相应地提高端面比压，而提高端面比压必然影响摩擦副间建立的流体摩擦工况，改变流体动压效应，增大端面磨损，减少机械密封使用寿命；反之，减小比压又会增大泄漏率。虽然理论上应该尽量考虑机械密封的密封特性，但是在工程应用中需要综合考虑上述问题。

2.2 机械密封的使用寿命

机械密封失效最主要的表现指标是未达到规定的时间就出现了泄漏率超标的现象，因此需要研究泄漏率与工作时间的关系。研究表明，对于初始密封端面，泄漏率最小。此时，机械密封端面磨合完成。随后的滑动摩擦磨损过程中，由于机械密封动、静环接触面积增大，承载面积增大，以及动、静环之间存在有一定量的被密封介质，因而磨损量较小，泄漏率较低且相对稳定。机械密封继续工作，真实接触面积增大，接触表面之间的被密封介质变得越来越少，泄漏率变得很小，接触表面间的分子作用加强，粘着趋势增大，磨损加剧。端面工作寿命基本符合浴盆曲线的规律。

机械密封使用寿命是指在允许泄漏率下工作的时间总量。按API 682第三版规定，在正确冲洗条件下，石化行业泵用机械密封应运行25 000 h。即使相同的泵，在不同介质、不同工况条件下工作，机械密封允许的泄漏率也不相同，其使用寿命也不相同。生产实践中一般认为，有2年使用寿命即为满足要求。

3 机械密封的失效形式

3.1 腐蚀产生的失效

摩擦副的腐蚀是一个需要重视的问题。机械密封的摩擦副要在设备运转的工况下满足强度、刚度、耐磨的性能，特别是要具有非常高的耐蚀性。如果材料表面的耐蚀性能较差，当接触腐蚀性介质时就会造成表面腐蚀和应力腐蚀，进而在薄弱区产生裂纹，然后向纵深发展产生破裂[2]。密封环裂纹一般沿径向延伸，造成密封装置振动、发热、发烟、泄漏量加大，这种失效在化工企业尤其突出。

3.2 过热产生的失效

由于密封结构决定的动环和静环端面相互摩擦产生热量，当出现非正常工况时，动静环端面之间液膜汽化产生干摩擦而使温度急剧升高。温度升高还会使动静环变形，辅助密封材料老化。

最近的研究表明，动静环密封端面的温度场呈抛物线形分布，最高温度出现在动环内径处[3]。

3.3 磨损产生的失效

机械密封的摩擦工况一直具有争议。机械密封只能在设计点稳定工作，当工作条件发生变化时，会发生密封接触端面剧烈磨损，或者端面液膜加厚，导致泄漏加剧而造成密封失效。

4 有效延长机械密封使用寿命的措施

4.1 材料的选择

工程实践表明，端面比载荷对机械密封泄漏率有一定的影响，但是影响不大。材料性能，特别是表征特性对泄漏率有一定的影响。因此机械密封装置零件材料合理选择是保证密封效果、提高使用寿命的重要因素。

一般情况下一对动环、静环应该选用不同的材料制造，通常动环选用较硬的材质，静环选用较软的材质，实现硬软配对，从而避免发生咬合现象。

4.2 冲洗和冷却

为了降低摩擦副工作温度，减缓装置老化，保证机械密封稳定工作，必须有效地采取措施带走摩擦热。常见的方法是冲洗和冷却。

利用密封液体冲洗密封端面。在输送的流体介质温度不高、杂质含量较少时，可以在泵的出口处引入高压流体冲洗密封面。当输送的流体介质温度较高、杂质含量较多时，可以在冲洗回路中加冷却器和过滤装置。若流体本身不适合清洗，可选与之相容的另一种液体清洗[4]。

进行冷却可以在静环背面引入冷却水结构，或将冷却水直接与摩擦副内径接触。冷却的效果受到密封材料、尺寸形状、散热条件等多种因素制约。应该注意到，冷却受介质工况等条件的影响较大。如输送可能结晶的介质，需要对设备进行加热和保温；如输送高温介质，冲洗和冷却往往要同时使用。

采用冷却时应该注意避免水中的钙镁离子沉淀并附在机械密封内侧，造成水垢。采用压缩空气代替循环冷却水作为高温介质机械密封的强制冷却介质，可解决使用冷却水时因水质不合格造成机械密封结垢的问题，可以提高装置的安全性，减少水资源浪费，另外还可以延长机械密封的使用寿命，节约生产成本[5]。

4.3 机械密封的检测与调整

4.3.1 摩擦副接触面的检测

离心泵工作一段时间后应检测机械密封动静环贴合面的磨损情况和形位偏差。检测可以用万用量角器测量贴合面对中心的垂直度偏差，同时对每个接触面还要检查划痕、凹陷、裂纹等现象。

4.3.2 弹簧的检测

机械密封的弹簧受到介质腐蚀、应力破坏的影响。介质腐蚀会使弹簧的弹性逐渐减小，进而增大泄漏量甚至导致密封完全失效。应力变化容易引起弹簧断裂。因此应定期检查弹簧是否断裂、是否腐蚀严重和弹簧弹性大小的变化。

4.3.3 机械密封的调整

轴与密封腔的调整，主要是垂直度和同轴度的调整。泵用机械密封的密封圈与密封腔的垂直度允许值是0.05～0.08 mm。同轴度测量值大于0.25 mm时要考虑重新装配，以保证机械密封磨损均匀。

轴的径向窜动和轴向跳动调整。轴的径向跳动过大会使密封效果降低，增大泄漏量，因此对机械密封的径向跳动有一定要求。同时，机械密封严格要求轴向跳动不超过0.05 mm，如超标应检查轴承或调整转子的装配精度。

综上所述，化工企业泵用机械密封只有合理选择摩擦副材料，正确设计冲洗和冷却方式，科学合理地进行检测和调整，才能有效地延长密封使用寿命，延长检修周期，降低生产成本。

[1] 李宏范，胡金平，朱健，等.泵用机械密封失效原因分析与预防措施 [J] .化工装备技术，2012，33（3）：57-59.

[2] 米乐.浅谈机械密封的腐蚀与防护 [J] .科技向导，2011 （24）： 29.

[3] 汪义高，杨昌明，向代忠.基于ANSYS的机械密封副温度场模拟 [J] .机械设计与制造，2011（10）：28-29.

[4] 董洪丽.浅析如何延长机械密封的使用周期 [J] .科技创新与应用，2011（11）：50.

[5] 谢作汪，刘洋.机械密封冷却介质设计改进分析 [J] .机械研究与应用，2011（11）：138-142.