某型艉轴密封装置故障分析及处理对象

颜少平

·（海军驻武汉四六一厂军事代表室，湖北 武汉430084）

某型艉轴密封装置故障分析及处理对象

颜少平

·（海军驻武汉四六一厂军事代表室，湖北 武汉430084）

结合某型艉轴密封装置结构和工作原理，对其故障现象和失效机理进行了分析，提出了有针对性的处理对策和改进建议。

艉轴密封装置；故障；分析；对策

0 引言

艉轴密封装置[1]是阻止海水通过耐压壳体与艉轴之间的环形间隙进入舱内的重要密封设备。该设备在下水后必须保证在设计工况下具有可靠的密封性。本文结合某型艉轴密封装置出现的故障现象，对其失效机理进行了分析，并提出了相应的处理对策。

1 该型艉轴密封装置的结构、工作原理及功用简介

该型艉轴密封装置的结构见图1，主要由机械密封、皮碗密封、修理密封及填料密封组成。皮碗密封、机械密封、修理密封及填料密封按从艉部到艏部的顺序串联安装在一起，其中机械密封是正常工况下使用的密封，修理密封是在码头修理时使用的密封，填料密封是非正常状态下使用的应急密封。

机械密封[2]主要由易被海水腐蚀的转动座或叫动环、磨损较快的浸渍树脂的碳精环或叫静环、固定夹圈、密封夹圈、弹簧、矩形橡皮环及其它辅助密封零件组成。工作原理是：艉轴通过固定夹圈、密封夹圈带动转动座（动环）一起转动，静环通过螺母与端盖联成一体，端盖、壳体与船体通过螺栓联成一体，动环与静环的磨擦端面在弹簧力和水压作用下构成一对密封端面。功用是阻止大量舷外或舷内冷却机械密封的海水进入舱内，保证有效密封，能进行检修填料密封的工作。

图1 某型艉轴密封装置的结构图

皮碗密封装置主要由止推环、皮碗、压紧环、螺栓和橡胶垫片等零件组成。工作原理是：在设计工况下且艉轴不转动的状态下，靠舷外海水给皮碗一个压力，使皮碗的唇边紧压在艉轴上而起到密封作用；在设计的工况下且艉轴转动时，舷内机械密封装置的冷却海水可冲开皮碗的唇边流向舷外。功用是在其功能正常且艉轴不转动时，设计海水压力范围内保证有效静态密封舷外海水进入皮碗密封与机械密封之间的型腔，同时还具有阻挡舷外泥砂和异物进入皮碗密封与机械密封之间的型腔功能，能检修所有机械密封零部件和填料密封。

修理密封装置主要由调节螺母、橡胶件、弹簧及密封夹圈等零件。工作原理是：拆卸端盖时，密封夹圈在弹簧力的作用下跟随着向艏部移动，致使密封夹圈上的橡胶件与调节螺母的对应斜面贴紧，阻止舷外海水进入舱内。功用是在其功能正常时，设计海水压力范围内阻止大量海水进入舱内。此时可检修矩形橡皮环、动环、静环和壳体盖组件。

填料密封主要由油浸大麻盘根、小齿轮、螺柱、大齿轮、压紧衬套及挡板组成，也叫应急密封。工作原理是：小齿轮按顺时针方向(从首向尾看)转动时，齿轮传动机构工作，带动填料压盖从首向尾移动，其压入端伸入壳体盖的填料腔内压紧填料，使填料与腔体之间胀紧，实现设计工况下的密封。不需要填料密封工作时将小齿轮按逆时针方向旋转则适当放松填料。功用是在上述所有密封失效且不便修理时，压紧填料可实现静态密封或短时间内以低速运转保持动态密封。

2 该装置的常见故障现象及失效机理分析

该型艉轴密封装置内腔从该船下水后一直处于海水中，同时由于轴的旋转、冲击振动和轴向串动，工作环境极为恶劣，容易出现故障。从该型艉轴密封装置使用情况来看，主要故障现象可以归纳为以下几种情况：1）机械密封漏水量超标，但未出现喷射状漏水；2）机械密封漏水量严重超标，出现喷射状漏水；3）修理密封不能有效的起到密封作用；4）在水面静态时，皮碗密封装置不能起到密封作用；5）填料密封效果不好或出现严重发热现象；6）上述几种故障的组合。

造成上述故障现象的主要原因除了与装置的结构有关外，还与其工作环境、艇体状态和维护保养等多种因素有关，具体失效机理分析如下。

出现第一种故障的主要原因是艉轴密封装置动环受到腐蚀后密封面受损，造成动环和静环的磨擦面之间密封不良，导致过多海水从磨擦面渗进舱室；另外，由于工作环境的变化，比如下潜深度的增加，艇体变形或轴线变化，导致静环摩擦面与艉轴轴线垂直度发生变化，出现接触面的偏斜或间隙而导致泄露超标。

出现第二种故障的主要原因是碳精环（静环）严重磨损或破损、动环出现严重腐蚀或者密封夹圈不能正常的轴向灵活补偿。由于密封夹圈与固定夹圈的配合段较长，长期使用后无机盐、泥砂等杂质的沉积，导致密封夹圈不能正常的轴向灵活补偿，造成机械密封副的轴向补偿功能丧失，继而出现机械密封的漏水量超标，随着工作压力的增加，可能出现喷射漏水的后果。

出现第三种故障的主要原因有密封夹圈不能正常的轴向灵活补偿、橡胶密封件老化、破损及密封腔内有较多的杂质等。当密封夹圈不能正常的轴向灵活补偿且海水压力较大时也会出现上述第二种现象故障。由于橡胶密封件随着使用时间变长，邵氏硬度会变高，导致老化，橡胶件过度老化后仅靠弹簧力不足以压紧密封。由于碳精环（静环）更换不及时，会使密封夹圈上的橡胶密封件与调节螺母发生磨擦破损，导致修理密封失效。由于橡胶密封件或调节螺母锥面上附着较多的杂质，两者贴合不严，导致修理密封失效。

出现第四种故障的主要原因是进入艉轴密封装置中的冷却水中含有的泥砂和杂质大量粘附在皮碗及艉轴表面，皮碗唇边变形或破损，导致皮碗密封失效。由于保养不及时和多次长时间不开启冷却水会导致冷却水中含有的泥砂和杂质在皮碗及艉轴表面累积沉淀，累积沉淀的厚度不一致会使皮碗密封与艉轴贴合不良和皮碗唇边变形，导致皮碗密封失效。由于使用不当，不开启冷却水或冷却水系统故障情况下艉轴转动，会使皮碗唇边加重磨损或破损，导致皮碗密封失效。

出现第五种故障中密封效果不好的主要原因是填料变质和填料未被压紧，其中严重发热现象的主要原因是填料被压的过紧或艉轴转速过高。由于填料长期在腐蚀性环境中工作，会使填料出现腐烂变质，导致压紧填料后密封效果不好。由于填料被压的过紧或艉轴转速过高，艉轴与填料之间的磨擦发热无法及时散热，导致温度升高即严重发热的现象。

3 处理对策

出现第一种故障的对策：在航行或不具备检修条件时，应对艉轴密封装置的漏水状态进行密切观察，必要时降低密封压力或按规定使填料密封投入工作。在码头（皮碗密封和修理密封未失效时）或干坞状态，检查动环密封面腐蚀情况，若发现动环密封面腐蚀则需更换动环或磨削动环整个密封面削除腐蚀坑。

出现第二种故障的对策：航行时按规定使填料密封投入工作，同时减小艉轴密封装置的工作压力，密切关注后续漏水情况和填料发热情况，控制冷却泄漏水温50℃±5℃。温度超过55℃时，适当放松填料，增加冷却泄漏水量。反之，温度低于45℃时，则适当压紧填料，减少泄漏水量。返航后或具备修理条件时，应立即对艉轴密封装置进行拆卸，检查碳静环（静环）是否严重磨损或破损、动环是否出现严重腐蚀等现象和密封夹圈能不能正常的轴向移动补偿。若检查发现碳静环（静环）严重磨损或破损，则需更换碳静环并研磨碳精环平面，保证安装后碳精环的平面度达到图样技术要求；若检查发现动环出现严重点蚀，则需更换动环；若发现密封夹圈不能正常的轴向移动补偿，则需清除密封夹圈与固定夹圈之间的无机盐、泥砂等杂质和沉积物，保证密封夹圈能轴向灵活移动补偿；若检查发现其他零部件损坏应及时更换。

出现第三种故障的对策：由于该故障一般是在修理时才能确认，故该故障的修理条件为干坞状态或皮碗密封未失效时，检查密封夹圈能不能正常的轴向移动补偿、橡胶密封件是否存在老化、破损及密封腔内是否有较多的杂质。若检查发现密封夹圈不能正常的轴向移动补偿，则需清除密封夹圈与固定夹圈之间的无机盐、泥砂等杂质和沉积物，保证密封夹圈能正常的轴向移动补偿；若橡胶密封件老化、破损则更换橡胶密封件；若密封腔内有较多的杂质则清除杂质；若发现弹簧弹性不足或锈蚀，应成组更换所有弹性元器件。

出现第四种故障的对策：由于该故障一般是在修理时才能确认，航行中正常采取的是机械密封，结合该密封部位是在艉轴密封装置的最艉端，故该故障的修理条件为干坞状态。在干坞状态下，检查皮碗及艉轴表面是否粘附大量泥砂、油污等杂质；皮碗唇边是否变形、老化或破损。若发现皮碗及艉轴表面粘附大量泥砂、油污等杂质则需清除杂质；若皮碗唇边变形、老化或破损则需更换皮碗。

出现第五种故障时的对策：检查填料密封的密封效果好坏的条件为机械密封失效。若是机械密封失效且在航行状态时发现填料密封效果不好，则需将填料适当压紧；若是填料适当压紧后仍密封效果不好，则需将填料密封的压力减小；若填料密封的压力减小后仍密封效果不好，则可判断填料已变质，需将艉轴停止转动，停止向艉轴密封装置供应冷却水，使皮碗密封投入工作，若皮碗密封效果良好，则紧急在水面状态更换填料，若皮碗密封效果不好，则需采用艉舱加中压气或其它应急措施；若是航行状态时发现填料出现严重发热现象，则需将填料适当放松。上述措施主要为应急措施，待具备检修条件时，应对艉轴密封装置进行彻底检查修理。

4 改进建议

针对上述故障现象及其特点分析，认为可在如下几方面进行结构改进，以改善该装置的综合工作性能：1）密封副材料尤其动环零件的耐海水腐蚀性能要高，至少要保证其在10000h内不出现腐蚀，建议将动环材料由2Cr13改为硬质合金[3]或碳化硅，硬质合金或碳化硅耐腐蚀能力均比2Cr13强，且也适合用于机械密封副；2）静环材料要具有较高的耐磨性能，与配对动环匹配后静环的耐磨性（寿命）应不低于5000h，建议将静环材料由石墨浸树脂改进为石墨浸巴氏合金，以改善其耐磨性能；3）由于艉轴有一定量的轴向窜动，机械密封副中静环在使用过程会有磨损，且船体在使用中的变形和轴承的磨损会造成静环密封端面对艉轴轴线的垂直度的变化，因此要保证机械密封可靠地动态密封，一方面必须保证动环与静环的磨擦面完好，另一方面必须保证动环的轴向补偿与垂直补偿能力。动环的轴向补偿是靠弹簧力及水压使密封夹圈沿键作轴向移动，补偿艉轴轴向位移和静环的磨损所需要的动环位移。建议缩短固定夹圈与密封圈之间的配合长度，既不影响固定夹圈与密封夹圈之间的相对运动和导向性能，同时能改善密封装置的垂直度补偿能力和密封夹圈轴向补偿性能；4）该装置的动环垂直度补偿能力存在不足，其原因是密封夹圈与固定夹圈与之间的配合段较长，如将固定夹圈上与密封夹圈之间O型圈艉部的配合间隙加大，可提高动环垂直度补偿能力。因此，根据现有结构，可将固定夹圈上与密封夹圈之间O型圈艉部的配合间隙加大至1mm～1.5mm，减少接触面积，在现有弹簧的作用下，也能提高固定夹圈与密封夹圈相对运动的灵活性，即提高其综合补偿能力，有利于密封装置总体性能的改善。

[1]陈钢耀.艉轴密封技术的发展[J].世界海运,2000(1):37-38.

[2]顾永泉.机械密封实用技术[M].北京:机械工业出版社,2001.

[3]黄培云.粉末冶金原理[M].北京:冶金工业出版社,1981.

FFault Anally sis on Certain Typpe Sterm-Axis SealDevice ann d Dispose Couuntermeasures

Y
YAN Shao-pinng
(Naval Repreesentation Office SStationed at 461 ffactory,Wuhan 4330084,China)

Uniting with thee structure and thhe working princciple of a certainn type stern-axiss seal device,thee fault phenomennon and the lapse mechhanism are analyyzed,the pertinennce dispose counntermeasures annd the amelioratiion suggestions aare put forwardeed.

stern-axis seal device; fault; aanalysis; counterrmeasure

U698 文献标志码：A

颜少平（1964-），男，高级工程师，研究方向为舰船机械。