泵用机械密封泄漏问题分析研究

2022-03-07赵聚运张晓宁黄和平

石油化工建设 2022年11期

赵聚运张晓宁黄和平

中国石油天然气第七建设有限公司山东青岛 266300

工业中使用的流体机械普遍存在着泄漏问题，泄漏不仅会造成资源浪费、物料流失、环境污染，甚至还会酿成火灾、引起爆炸、直接危及人身安全。泵用机械密封是动力机械和流体机械装置中不可缺少的零件，对机械的安全性有重要意义。实际生产中，不同的操作条件和生产条件会对机泵机械密封产生重要的影响，甚至可能导致机泵机械失去基本性能。对机泵机械密封泄漏原因的分析具有重要的实际生产意义和安全意义，全面的原因分析能提高安全性、稼动率和寿命等。因此，机械密封的选择与维护历来是保证设备正常运行的重中之重。

1 机械密封简介

在泵类设备当中，旋转的泵轴和静止的壳体之间的密封简称轴封装置。随着密封技术水平的不断提高，泵用密封正由传统的填料密封向机械密封发展。目前机械密封技术以其性能可靠、泄漏量少、使用寿命长、功耗低，已广泛应用于石油化工企业机泵中。机械密封也称端面密封，其至少有一对垂直于旋转轴线的端面，该端面在流体压力及补偿机械弹力的作用下，加之辅助密封的配合，与另一端面保持贴合形成的微小轴向间隙并相对转动，从而防止流体泄漏。机械密封通常由动环、静环、压紧元件和密封元件组成。其中动环和静环的端面组成一对摩擦副，动环靠密封室中液体的压力使其端面压紧在静环端面上，并在两环端面上产生适当的比压和保持一层极薄的液体膜而达到密封的目的（图1）。

机械密封与泵的其他零部件组合起来运行，同时通过其基本原理可以看出，机械密封的正常运行是有条件的。例如，泵轴的窜量不能太大，否则摩擦副端面不能形成正常要求的比压；机械密封处的泵轴不能有太大的挠度，否则端面比压会不均匀等。只有满足类似的外部条件，加上良好的机械密封自身性能，才能达到理想的密封效果。

2 机械密封泄漏的原因分析及解决方法

2.1 机械密封的泄漏点

泵用机械密封种类繁多，型号各异，主要泄漏点包括轴套与轴间的密封、动环与轴套间的密封、动环与静环间的密封、动环与静环座间的密封，以及密封端盖与泵体间的密封（图2）。一般来说，轴套外伸的轴间、密封端盖与泵体间的泄漏比较容易发现和解决。其余的泄漏直观上很难辩别和判断，须在长期管理、维修实践的基础上，对泄漏症状进行观察、分析、判断，才能得出正确结论。

图2 泵用机械密封泄漏点

2.2 机械密封泄漏的原因分析及解决方法

2.2.1 选型不当

（1）若高温泵选用常温的密封胶圈或密封垫片，会导致运行时密封胶圈和垫片快速老化失效；酸碱和腐蚀性介质，若选用的动、静环橡胶圈材料为丁腈橡胶，由于不耐腐蚀会导致泄漏。解决方法是，在腐蚀介质和高温介质中选用耐高温、耐酸、碱的氟橡胶作为密封材质。

（2）工作介质中有颗粒状物质，如果固体颗粒进入密封端面，将会划伤或加快密封端面的磨损，运转中进入摩擦副，擦伤动、静环密封端面导致泄漏。因此，对于含有固体颗粒的工作介质在机械密封摩擦副选用中最好使用硬对硬（碳化钨对碳化钨）的摩擦副，而不要使用硬对软（碳化钨对石墨）的摩擦副。

2.2.2 安装原因

（1）机械密封压缩量调整不当：压缩量过大，摩擦热量产生过多，会造成密封面热变形而加速端面磨损，导致摩擦副端面烧损或严重磨损。压缩量过小，则不能起到密封效果。因此，不允许有压缩量过大或过小的现象，压缩量以弹簧自然状态下的高度减去弹簧完全压紧状态下差的50%为宜。

（2）动、静环密封圈过紧或过松（波纹管密封不存在此现象）：动环密封圈过紧，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，静环脱离静机械密封压盖，介质在压力的情况下会直接通过动静环密封圈处泄漏。因此，在安装机械密封时要求动、静环密封圈的紧度要合适，以稍加力度轻轻压入为宜。

（3）静态试验：机械密封安装调试好后,一般要进行静试，观察是否泄漏。如泄漏量较小，多为动环或静环密封圈存在问题。泄漏量较大时，表明动、静环摩擦副间存在问题。在初步观察泄漏量、判断泄漏部位的基础上,再手动盘车观察，若泄漏量无明显变化，则静、动环密封圈有问题；如盘车时泄漏量有明显变化，则可断定是动、静环摩擦副存在问题；如果泄漏介质沿轴向喷射，则动环密封圈存在问题居多；泄漏介质向四周喷射或从水冷却孔中漏出，则多为静环密封圈失效。此时应根据静试时观察到的泄漏情况，对机封重新进行调试安装或者进行更换处理。

2.2.3 使用条件影响机械密封的泄漏

（1）泵轴的轴向窜量大：机械密封的密封面要有一定的比压，这样才能起到密封作用。这就要求机械密封的弹簧要有一定的压缩量，给密封端面一个推力，旋转起来使密封面产生密封所要求的比压。为了保证这一比压，机械密封要求泵轴不能有太大的窜量，一般要保证在0.15 mm 以内。目前所使用的泵设备的轴串量在设计上都能满足这一要求，但是不排除泵在出厂时由于加工组装方面的疏忽，造成窜量大于设计值。另外泵经过长时间运行后，平衡盘及轴承的磨损，也会造成轴向窜量不断增加。由于轴向力的作用，机械密封的密封面压紧力增加，密封面磨损加剧，直至密封面损坏，失去密封作用。针对这种情况，在安装机封时，首先应检测泵的轴窜量值是否符合设计要求，不合适时应进行调整。设备运转一定的时间后，还要定时进行检测，并进行必要的调整。

（2）冷却冲洗系统失效：泵用机械密封工作使端面上产生的热量应及时传递出去，否则端面间的液膜会汽化而形成干摩擦，这时必须考虑冲洗冷却措施。一般冲洗冷却液采用内部密封介质，也可采用外部供水冷却冲洗。冷却冲洗系统可以有效地保护密封面，起到冷却、润滑、冲走杂物等作用。大部分冷却系统都采用水冷却，但由于冷却水含杂质太多，在长期使用下易结垢，堵塞冷却器，达不到冷却效果，使机械密封快速失效。实际上密封的可靠性和寿命，在很大程度上取决于密封辅助冷却系统的配置。解决方法是在在条件允许的情况下，尽量为机械密封设计辅助冲洗系统，冲洗压力一般要求高于密封腔压力0.107M～0.11MPa。密封腔压力要根据每种泵的结构型式、系统压力等因素来计算。轴封腔压力很高时或者压力几乎接近该密封使用最高极限时，也可由密封腔引液体至低压区，使轴封液体流动以带走摩擦热。机械密封使用中，应绝对保证冲洗冷却液的供应及冲洗冷却液的畅通，必要时应定期清理辅助冷却系统。

（3）泵气浊、抽空或较长时间憋压：由于装置系统操作不合理，以及泵进口汽蚀性能不好、泵的转速偏高，在泵的入口处会发生局部汽蚀。汽蚀发生后，水中会有气泡，它一方面会冲击机械密封面的外表面，使其表面出现破损；另一方面会使动、静环的吻合面的流动膜中也含有气泡，不能形成稳定的流动膜，造成动、静环的吻合面的干摩擦，使机械密封装置损坏。泵运行时抽空导致摩擦副端面打开泄漏。长时间憋压导致轴向力过大、密封腔压力过高而泄漏。消除泵汽蚀的措施包括：提高泵的汽蚀性能水平，满足现场装置的汽蚀性能的要求；现场试验装置的要求应与泵汽蚀性能水平匹配。同时，现场安装和工况调节要给泵创造有利的条件。消除泵抽空的主要措施包括合理配置泵的吸入高度、合理配置泵的管线，以及加强工艺操作。

（4）较长时间停运，重新启动时没有手动盘车，摩擦副因粘连而扯坏密封面导致泄漏。解决方法是泵在长时间停用时排空介质或定时盘车。

（5）长期磨损：机械磨损是引起机械密封泄漏的一个重要原因，它会引起密封副的正常配合关系被破坏。当端面出现一定的磨损，会引发机封不同程度的泄漏。例如，密封副磨损痕迹均匀，各零件的配合良好，这就说明传动部分的同轴度良好，这时密封端面产生的泄漏可能不是由密封本身问题引起的。若泄漏量为常数，就意味着泄漏不是发生在两端面之间，而有可能发生在其他部位上，这时需要检查其他部位，如静环密封处的密封圈是否安装合适，检查动静环处的防转销是否松脱。如果泄漏量逐渐增大，密封副磨损痕迹不规则，说明机封的传动部分同轴度遭到破坏，这就可能是密封本身的问题，需检查压缩量的大小，以及密封副处是否有硬质杂质进入，然后将密封进行更换处理。

（6）腐蚀损坏：对于金属环腐蚀，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，其现象就是泄漏、早期磨损、破坏、发声等。金属在腐蚀和拉应力的同时作用下，首先会在薄弱区产生裂缝，进而向纵深发展，产生破裂，加速了端面的磨损，使泄漏量增加。对于非金属环腐蚀，包含石墨环腐蚀、石墨环氧化、聚四氟乙烯密封环的腐蚀。当端面在干摩擦或冷却不良时，端面产生高温，会使石墨环发生氧化，环耐磨性下降，端面变得粗糙，甚至破裂。为此，首先要根据环境、介质、温度、压力等具体情况进行选材；其次，根据生产的具体要求、密封所接触的介质等情况选择机械密封的结构型式；最后是维护使用，建立封液及冷却系统，并经常更换封液和冷却液，加强对端面的冷却效果。检修安装时，严禁敲打密封件，安装前要严格清洗干净。

（7）密封零件失效：机械密封零件失效大部分是辅助密封圈失效。机械密封由于泄漏而不能正常工作的一个主要原因也是因为O 形圈失效引起的。O 形圈失效的表现为老化、永久性变形、溶胀变形、扭曲及挤出损伤。因此，在选用O 形圈时应考虑合成橡胶的安全使用温度，尽可能选用截面较大的橡胶O 形圈，适当提高硬度；采用沟槽式的装配结构；通过沉浸试验合理选材，必要时选用复合材料，如橡胶包覆聚四氟乙烯密封圈。