机泵机械密封失效的分析与解决措施

甘一凡(广东省中海油惠州石化有限公司，广东 惠州 516086)

0 引言

机械密封因为具有良好的密封性能以及轴承磨损量小等优点，广泛用于冶金及石油化工泵设备上。同时机械泵工况运作较为恶劣，存在高温高压以及介质特殊等特点，容易导致机械密封出现密封失效现象，进而导致设备停止工作的状况。机械密封失效的原因以及失效的形式多种多样，对其仔细研究分析才能更好地提出科学有效的解决方法。

1 机械密封

机械密封主要是由动静环、冷却装置以及压紧弹簧等构成，通过流体作用在轴上滑动端面流体压力，以及结构补偿上的弹力和其他的辅助密封装置共同作用下的密封结构。机械密封核心的部件为动环和静环，动、静环结构必须具有足够的刚度与强度，以满足在恶劣工况条件下的温度、压力、流体的冲击。同时还必须具有良好的耐热冲击力，即要求材料具有良好的导热系数及较小的膨胀系数，保证材料在热冲击时不出现开裂。

2 机械密封失效类型

机械密封的失效形式种类较为繁多，主要的失效可以分为：

(1)早期失效，主要是结构安装方式不正确以及机械密封结构设计不合理等造成；

(2)磨损失效，主要因为设备长期使用过程中，因为材料的磨损或者疲劳老化等导致出现磨损失效，该种失效方式也是机械密封中主要的失效方式；

(3)偶然失效，主要是因为泵在恶劣工况环境下运行时因为某种原因出现的偶然密封失效。动静环机械磨损实例如图1所示，波纹管外侧结焦实例如图2所示。

图1 动静环机械磨损实例

图2 波纹管外侧结焦实例

2.1 腐蚀失效

腐蚀失效一般有点腐蚀、面腐蚀、应力破坏腐蚀、电化学腐蚀等。点腐蚀除妖出现在弹簧套，从而破坏弹簧结构。面腐蚀主要是因为具有腐蚀介质的接触而出现表面的腐蚀，从而破坏密封作用。应力腐蚀破坏主要应力与腐蚀共同作用下从而出现的弹簧破裂等破坏。电化学腐蚀主要是因为不同种类金属引起的电化学反应导致的腐蚀。

2.2 高温失效

高温失效主要是因为温度出现超标导致出现材料变形，从而出现密封失效的形式。如密封面无冷却水供应状态下，密封面出现干摩擦而出现热裂纹现象。又如石墨环出现温度超标导致石墨出现炭化导致密封失效。轴套高温失效实例如图3所示，动静环高温失效实例如图4所示。

图3 轴套高温失效实例

图4 动静环高温失效实例

3 机泵机械密封故障状态及原因

3.1 泵振动、发热冒烟

造成机泵产生振动的主要原因是动静环端面宽度及比压过大，以及材料的端面加工精度不达标，表面粗糙度过大，以及转动件与填料函内径的间隙太小，导致轴振动发生碰撞等原因。解决方法通常可以减少端面宽度和弹簧压力，降低端面比压，增大内径及间隙，加强冷却措施，保证冷却功能的正常运行。

3.2 端面泄漏

动静环密封面有固定杂质进行入破坏了密封表面，或者是弹簧装置弹力与杂质发生粘结，致使动环失去浮动能力。又是弹簧弹力不够比压小以及端面出现磨损，导致补偿作用降低。又是端盖与轴出现不垂直，静环压偏，胶垫的厚度不均匀，导致密封不严等造成。解决方法可以通过提高弹簧装置结构，避免固体杂质进行入密封面，提高动静环材料硬度，并适当增加动静环的端面宽度，提高弹簧压力。

4 机泵机械密封失效原因及解决措施

4.1 装配安装引起的密封失效及解决措施

在机泵安装装配时，动静环装配前，对其保护不严，动静环出现装配前变形或者划伤开裂等缺陷，以及在装配过程中没有严格按照工艺要求，造成端面间夹杂污渍或者杂质，以及弹簧力不均导致端面不平等原因，从而造成的密封失效。常规的解决措施是机械密封装配安装完成后，必须进行静压试验。通过试验分析，当试验发现存在小量泄漏时，在配合手动盘车观察，如泄漏量无明显变化，一般是动环或者静环密封圈存在问题。当存在较大量的泄漏时，在配合盘车观察，在盘车时泄漏量有明显变化，则表明动静环摩擦副存在问题。当出现泄漏介质沿着轴向方向喷射时，极可能为动环密封圈问题，当出现泄漏介质沿四周喷射时，则多为静密封圈问题。

4.2 运行过程密封失效及解决措施

机泵运行过程中一般会因为高速旋转产生离心力，该离心力反而会抑制工作介质的泄漏，所以一般机泵在运行过程出现的密封失效多为动静环破坏受损失效。导致动静环破坏受损失效主要是因为摩擦作用导致，而产生摩擦密封失效的主要原因有，运行过程中机泵因为气蚀以及憋压等异常现象，导致产生极大的轴向力，致使动静环接触面出现分离；机泵在安装时安装的机械密封压缩量过大，导致摩擦副端面严重磨损、擦伤；动静环密封过紧，弹簧无法调整动环的轴向浮动量；静环密封圈过松，当动环轴向浮动时，静环脱离静环座；机泵运行过程中动静环端面进入固定杂质导致密封端面出现损伤破坏。

常规的解决措施，机泵在使用前必须先接通轴封水，要在机泵停止5min后才关闭轴封水，用以防止因为冷却水供应不足或者突然中断导致的因为温度过高的变形烧坏。防止机泵在运行工作时出现频繁的启、停，因为频繁的泵启停会导致管路中的介质出现倒灌现象，从而使泵腔内部的压力急剧升高，进而导致动静环的打开，出现运行时密封的失效。在机泵长时间处于停止状态，开启泵前必须使用清水对泵腔和机械密封进行清洗，用以确保摩擦副密封没有出现粘连。

4.3 磨损腐蚀失效及解决措施

当机泵运行介质为腐蚀介质或者带有颗粒介质时，密封端面会因为颗粒介质的因素加快密封端面的磨损。同时还会因为颗粒介质产生堆积、架桥，阻碍弹簧及密封圈的运动，导致补偿环的追随性和浮动性下降。由于密封面内径和轴之间的间隙较小，泄漏的固体颗粒如不能及时排出，就会堵塞间隙，从而妨碍辅助密封圈的运动。同时，带有模蚀性颗粒介质还会对密封件表面产生磨损撕裂等局部破坏。解决方案：在选择密封结构时，机械密封避免使用在带有腐蚀颗粒介质的设备上，或者在机械内部增加辅助装置措施，如冲洗水等措施装置，避免颗粒物的堆积。

5 解决提升措施方案

5.1 安装提升措施

安装时避免出现安装偏差，上紧盖在联轴器找正后，为防止压盖端面偏斜，应使用塞尺检查各点，螺栓均匀上支。弹簧的压缩量严禁出现过大或者过小，过大会增加端面比压，加速端面磨损，过小比压不足不能起到密封作用。轴、轴套与压盖的配合间隙即同心度要保证均匀，误差不得要小于0.01mm。同时在安装前，要仔细检查密封摩擦副封面、密封圈是否存在划痕、缺损等现象，以及填料、O型圈接触的轴和轴套表面是否有划痕、损伤。

安装拆卸密封时严禁使用手锤和扁铲，以免损坏密封元件，当遇结垢无法进行拆卸时，可以先清洗干净后在进行拆卸。在运行后的机械密封时，如果出现压盖松动情况，必须进行动静环更换，因为松动后摩擦副原来运转轨迹发生变动，接触面的密封性出现破坏，严禁重新紧固后继续使用。机械密封配合部分技术要求如表1所示。

表1 机械密封配合部分技术要求

5.2 机械结构提升措施

当机泵使用介质为易挥发特性时，选择成熟的串联双面密封形式的结构，可延长密封使用寿命提高可靠性能，同时两套密封芯间密封腔压力高于介质压力时，保证介质不会泄漏到大气中，从而提高设备的安全性能。密封补偿型式选用多弹簧结构，使其弹力均匀，确保密封面更加贴合，同时保证密封在轴上更加紧凑。在高压介质中，介质压力高于封液压力，侧密封芯可采用双向承压设计，用以保证该密封适用设备运行过程中可能出现的压力波动。

5.3 辅助冲洗提升措施

以PLAN11自冲洗方案为例进行辅助冲洗方案提升，PLAN自冲洗时从泵出口处经过限流孔板进行机械密封的单端面机械密封冲洗方案。通过增加现场氮气源为封液罐提供压力源，保证封液压力一直高于密封腔压力，从而阻止密封介质的泄漏。再采用压力开关对起源压力进行监测，采用高低液位开关对密封泄漏情况进行监测，这样有效保证了密封的可靠性，同时还提升密封的安全性能。

5.4 密封参数设计及材料的提升

当对机械密封进行了常规的如冲洗，调整弹簧等常规操作无法改变失效情况下，应当考虑密封的设计参数校核和材料的察验。

密封设计参数：密封环带面积校核公式(1)：

密封设计参数：计算载荷系数校核公式(2)：

密封设计参数：弹簧压力比校核公式(3)：

密封设计参数：模压系数校核公式(4)：

密封设计参数：计算端面比压校核公式(5)：

式(1)～(5)中：D2为摩擦副密封面外径(mm)；D1为摩擦副密封面内径(mm)；D为轴承套外径(mm)；Fsp为弹簧总压紧力(N)；R2为摩擦副密封面外径的1/2(mm)；R1为摩擦副密封面内径的1/2(mm)。

通过上述公式得验算得出，当设计机械密封是设计参数符合端面比压值时，在工作稳定下不会造成机械密封失效。当在端面比压非常接近介质的饱和蒸气压值时，端面产生液膜汽化，密封面形成干摩擦，加剧了端面的磨损，从而导致了摩擦失效。

同样密封材料的选择上，辅助密封材料应对尽可能的选择氟橡胶O型圈，密封芯材料选择316不锈钢材料，弹簧选择C合金，轴套、端盖、腔体材料选择316不锈钢材料，用以确保密封的长期性。

6 结语

本文从机泵机械密封失效的型式、失效的状态以及失效的原因进行了详细的分析，并总结提出了一系列的提升解决措施。机泵因为气本身的特殊性，常使用于石油化工等行业运行工况恶劣，介质本身承受高温高压作用，所以对其密封性能要求较严。未解决和杜绝机械密封的非正常密封失效，只有从密封的特性以及各种运行工况对机械密封的影响，同时对各个状态的密封失效进行科学的剖析研究，使机械密封长久安全。