化工离心泵机械密封失效原因探讨

2023-01-19＊王悦

当代化工研究 2022年5期

＊王悦

（南京科技职业学院智能制造学院江苏 210048）

化工离心泵机械密封具有保障设备稳定运行、提高设备安全性的作用，同时其防渗漏功能可降低工业生产对环境的影响程度。机械密封作为流体机械与动力机械的核心构件，在化工产业的高速发展下，机械密封受到各大化工企业的关注。通常而言，化工离心泵机械密封可分为静密封与动密封两类。静密封可理解为直接密封；动密封可理解为旋转密封或往复密封。因二者作用机理差异，适用场景存在一定区别。根据设备运行特征及受力情况，静密封分为高压与低压两种。低压静密封常用材质宽的垫片密封，高压密封多采用硬度大且接触宽度窄的金属材质垫片。动密封按照密封和相关构件是否接触，可区分为接触式密封与非接触密封。化工离心泵机械密封可确保设备稳定运行，保证化工生产顺利进行。探究化工离心泵机械密封失效不仅可以推动化工产业可持续发展，还可为健全生产流程管理机制提供有力保障。

1.化工离心泵机械密封失效原因分析

离心泵是化工生产过程中的核心设备之一，其密封性决定着化工生产是否顺利进行，与化工企业整体效益有紧密联系。化工企业日常管理中，需对离心泵机械密封进行全生命周期的维护管理，确保其密封性符合生产要求。本文对化工离心泵机械密封失效的具体原因进行分析，汇总如下。

(1)腐蚀原因

根据腐蚀类型，机封腐蚀可分为金属环腐蚀、非金属环腐蚀、辅助密封圈及其接触部位的腐蚀三类。

①金属环腐蚀

金属环是化工离心泵的核心密封件，该构件经腐蚀后会对离心泵密封效果产生巨大影响。所以，探究金属环腐蚀具有极为显著的现实意义。

首先，金属环表面均匀腐蚀，如果腐蚀性物质沾染密封件附近将导致密封件受损。由于金属环本身抗腐蚀性较差，沾染腐蚀性物质后将加速表面腐蚀。常规条件下，金属环腐蚀具有如下几种严重后果：其一是离心泵内介质发生渗漏；其二是金属环受到磨损，影响密封效果；其三是金属环遭到破坏，离心泵密封功能基本丧失；其四是金属环将发生异样声响。在化工生产中，金属环表面被腐蚀后，腐蚀状态分为成膜腐蚀与无膜腐蚀。成膜腐蚀代表金属环被腐蚀后会在表面形成天然钝化膜，会对金属构件起到一定保护作用。但是，金属环材料在成膜后，会加剧其端面摩擦，从而缩短使用寿命，最终导致钝化膜失去保护功能。金属环在缺氧状态下，新的钝化膜无法生成。在此情况下，腐蚀进一步加剧。无膜腐蚀产生原因是选材错误，此种腐蚀推进速度较快，对金属环十分不利。

其次，应力腐蚀破坏。如果拉应力与腐蚀同时作用在金属环上，其薄弱区域将发生开裂。随后，破裂位置持续加大，沟壑越来越深。破裂由应力和腐蚀同步引发。据初步统计，碳化钛、碳化钨、铸铁、硬质合金材质的金属环破裂几率远高于其他材料。常规条件下，金属环破裂显示的裂纹呈现发散性，裂纹数量不一，开裂位置可导致端面磨损程度持续加大，从而加大泄漏量，影响离心泵作业及化工生产。

②非金属环的腐蚀

化工离心泵中机封非金属环是十分关键的零件之一。和金属环类似，非金属遭受腐蚀后同样影响离心泵机械密封功能。石墨环是非金属环的重要组成部分。常规条件下，石墨环并不具备通透性。同时，石墨环需用树脂浸渍后才可使用，这是由于树脂浸渍可提升石墨环耐磨性。化工生产中，石墨环腐蚀原因可汇总为如下几点：其一，如果非金属环端面自身温度骤升且超过180℃时，石墨环会析出浸渍树脂，其耐磨性迅速下降。其二，树脂材料种类众多，如果安装人员择取的树脂材料无法适应生产条件，浸渍的树脂便会在生产过程中与其他材料发生化学反应，最终导致石墨环耐磨性下降。其三，浸渍深度未达标，当表层树脂被磨光后，石墨环耐磨性顺应下降。

石墨环易发生氧化腐蚀现象，如果介质本身具有较强的氧化性，一旦密封端面冷却程度较低或端面遭遇干摩擦，表面温度将迅速骤升到350℃。在此种温度环境下，介质氧化会与石墨环发生化学反应，产生二氧化碳气体。气体会导致密封端面逐渐粗糙，最终导致端面破裂。此外，应力和化学介质同步作用将导致石墨环发生破裂。

③辅助密封圈及接触部位的腐蚀

化工离心泵密封件中，辅助密封圈同属重要的密封元件。如果密封圈遭受腐蚀，将影响化工离心泵机械密封功能。密封圈主要由橡胶构成，其材质决定了密封圈的耐腐蚀性。化工生产中，橡胶材料形式多样，任何一种材料具备的耐腐蚀性能存在显著差异。橡胶材料的性能会随着时间的推移而老化，最终失去抗腐蚀能力。当橡胶耐腐蚀功能失效时，密封圈表面将变得粗糙，逐渐失去弹性，直到橡胶完全断裂。耐油性强的橡胶对密封效果的维持较好，反之耐油性较差的橡胶会随时间增长而胀大，其遭受的摩擦力顺应提升，橡胶浮动性减弱，密封效果随之降低。

针对辅助密封圈接触部位的腐蚀。接触部位指代密封圈和特定部位（静环座、静环、轴套、动环）的接触。特定部位和密封圈接触过程中并未发生明显的运动，因此特定部位处于相对静止状态，通俗地讲就是死角，此种情况的腐蚀可称为特种腐蚀。特种腐蚀分为三种类型：其一是缝隙腐蚀；其二是摩振腐蚀；其三是接触腐蚀。常规条件下，特种腐蚀并不会单一存在，常常并存在特定部位，促使腐蚀面积持续增大，腐蚀深度持续加深。如果腐蚀深度超过0.01mm，代表化工离心泵密封泄露达到极为严重的状态。对于辅助密封圈与接触部位的腐蚀，应考虑聚四氟乙烯密封环（F4环）。化工生产中，安装人员为提高F4环耐高温能力，同时增强其耐磨性能，通常会在环内加入填充物。常见的填充物分为金属粉、石墨粉与玻璃纤维。塞入填充物的F4环后以易发生变质破坏、溶出腐蚀及选择性腐蚀。

(2)机械摩擦

化工离心泵运作过程中不可避免的会产生摩擦，会对离心泵密封性能造成一定影响，最终导致机械密封失效。如果长期处在机械摩擦环境中，将导致密封件结构老化甚至变形，这是导致化工离心泵机械密封失效的主要原因之一。所以，化工生产过程中的例行设备维护应关注机械摩擦问题。常规条件下，机械摩擦导致的机封失效分为如下几点：离心泵存在抽空、气蚀和憋压情况，导致内部轴向力加大，静环接触面呈现分离状态；安装过程中本身具有较大压缩量，导致摩擦副端面磨损与擦伤。

(3)对中不良

化工离心泵安装施工过程如果出现对中不良的问题，将导致轴承产生严重磨损，甚至出现轴承跑套问题，以此导致离心泵结构变形或出现偏口问题。化工离心泵实际应用中存在振动力，一旦对中不良，将导致机械结构出现部件分离，促使机械密封性能受到影响。介此，化工离心泵机械密封结构设计中，避免产生对中不良的问题。同时，应结合化工生产实际情况，对不良问题进行控制，减轻端面摩擦。

(4)人为因素

人为因素是导致化工离心泵机械密封失效的主观原因之一。首先，设备运行操作过程中，人为失误或违规操作将导致设备处于非正常运行状态，最后促使离心泵出现故障，甚至造成核心构件出现裂缝。其次，操作人员责任意识淡薄，例如：冷却水供应中，没有依照规定定期检查，易出现冷却水不足的问题，从而影响设备运行问题，促使机械构件高温形变。

2.防止化工离心泵机械密封失效的对策

(1)防腐蚀措施

①基于影响因素视角的防腐蚀措施

根据化工离心泵腐蚀问题成因，金属环的腐蚀大体分为两类：其一为金属环接触面腐蚀，多呈均匀分布；其二为腐蚀与应力同时作用在金属环上，可引发金属环破裂；非金属环密封件的腐蚀包括石墨环腐蚀、石墨环在氧化作用下的腐蚀等；辅助密封圈的腐蚀包括橡胶特性等。

从选材视角分析，设备安装者应考虑工业生产情况，合理选用材料。应关注环境、温度、浓度、压力、腐蚀性、腐蚀形式对离心泵机械密封性的影响，基于六大要素科学选材。同时，还需考虑选材的原则：其一，界定环境要素和选材的关系。化工离心泵密封装置所处环境千差万别，在不同环境下，构件腐蚀情况存在差异。所以，选择材料的过程中应分析环境影响因素，根据化工生产条件与环境因素提高离心泵抗腐蚀性。其二，压力、温度、浓度与选材的关系。如果温度和浓度要素相同，应考虑压力要素实际情况，安装者需择取适宜材料安装。如果温度要素相同，但浓度和压力要素不同，需考虑两种要素具体情况，安装者应选择适宜的材料安装。其三，腐蚀性与选材的关系。不同材料的构造具有一定区别，自身附带的抗腐蚀能力顺应变化，所以安装者应对所有材料腐蚀形式有充分了解。如此一来，安装者可依照具体情况选择最适宜的材料，避免化工离心泵出现渗漏问题。其四，腐蚀形式与选材的关系。由于材料特异性导致不同材料的抗腐蚀不同，其腐蚀形式存在差别。所以，化工离心泵安装过程中应根据材料表现出的腐蚀形式考虑材料是否符合化工生产需求。

②基于结构设计的防腐蚀措施

在设计密封结构时，需考虑后期防护工作。防护方式设计如下：其一，设计人员设计过程中应注意密封结构设计。为确保达到最优设计效果，设计者应结合特定密封方式。常规来讲，密封方式可分为三种类型：外装式密封、隔离液密封、内装式密封。设计过程中，需考虑保护套和涂层设计。其二，设计过程中应关注端面设计。如果拉应力和腐蚀同时作用在金属环，其薄弱位置将产生裂缝。因此，为避免应力和腐蚀同时作用在金属环中，应将端面设计为镶嵌型结构。

为避免化工离心泵机械密封功能失效，应注重弹簧的合理设计。安装阶段，严禁将杂质带到端面。如果杂质混入弹簧将降低弹簧功能。因此，为保证弹簧发挥的原本抗腐蚀能力，机械密封装置设计过程中应将介质与弹簧分离，避免弹簧接触介质而发生腐蚀问题。通常来讲，弹簧设计分为三类，其一是在弹簧外不喷涂保护层；其二在弹簧外部安装保护套；其三将弹簧固定处理，将其改造为固定形态。避免弹簧发生旋转位移。密封圈设计过程中，在缝隙宽度较小的情况下，所有材料均可遭受缝隙腐蚀。为避免密封圈受到腐蚀，应将轴套和波纹管保持更宽的接触面，取消二者间的密封圈。

③基于装置维护的防腐蚀措施

针对机械密封装置，应关注防护与维护两项工作。其中，维护工作重点关注密封液系统的建立，同时关注冷却液注入。除此之外，安装人员需结合不同系统科学分析液体更换问题，发挥密封液与冷却液的作用，避免离心泵作业过程中温度过高。安装者应定期更换系统内部液体，避免液体更换间隔时间过长而影响系统功能。维修人员不可敲击密封件，如果敲击密封件将导致其形变。一旦密封件发生形变，腐蚀情况将进一步恶化。不论何种密封件，安装者都应将其擦拭干净再进行安装。擦拭过程中应用柔软纱布专用无尘纸擦拭，否则将刮花密封件表面，加大构件运作过程中的摩擦系数。

(2)预防摩擦的措施

化工离心泵运行过程中会产生机械摩擦，如果机械摩擦过于严重将导致机械密封失效。介此，应关注机械摩擦问题，降低构件间的振动力。首先，合理选择机械端面密封材料，重点考虑材料强度与耐磨性能，以此避免机械裂缝的产生。其次，定期对密封面进行检修，如果发现密封端面粗糙度过大或平整度较差，应及时更换，从源头降低摩擦力。最后，化工离心泵安装过程中，应最大限度避免有关构件表面黏附杂质。化工离心泵运行时，摩擦是导致机械密封失效的主要原因，而离心泵运行时在众多因素影响下不可避免的产生摩擦。所以，应加强摩擦防范工作。除此之外，应进一步加强设备运行中操作者行为规范，可对其进行专业培训，提升操作人员综合素养，健全机械密封维护保障体系。

(3)合理选择密封形式，确保安装精度

化工离心泵只有在确保安装精度的基础上，才能发挥最大功能及密封效果。其一，应结合化工离心泵运行环境、温度、压力等工况参数，对机械密封形式科学选择，确保设备密封性能。其二，对离心泵安装施工质量严格控制。在设备安装时，有必要模拟实际运行状态，可借助计算机技术仿真模拟。同时，加强设备维护管理工作，定期对设备质量进行检验，避免设备运行过程中出现不良问题。其三，考虑到机械密封结构中精密零件较多，在安装作业中严格依照设备安装工艺进行，提升安装精度，保护精密部件，杜绝安装过程中盲目操作。其四，推行化工离心泵常态化管理，加强日常管理工作，建立设备维护管理制度，对精密部件进行良好的管护。

(4)防范人为因素的措施

人为因素防范过程中需提高人员责任意识，约束人员行为，依照既定标准做好机械运行操作。同时，健全日常维护管理体系，建立岗位责任制，落实维护管理工作。此外，做好维护管理和机械操作培训工作，增强操作人员业务操作能力。为从根本上提升人员积极性，需健全考核机制，将考核结果与晋升和薪酬待遇挂钩，从内而外的约束人员行为。