修 建

（遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連 116001）

水泵的機(jī)械密封裝置較為復(fù)雜，裝置對環(huán)境溫度、介質(zhì)性質(zhì)等方面有一定的要求。在機(jī)械的設(shè)計和安裝過程中，需要針對具體的工藝要求來確定材料的性質(zhì)，對可能發(fā)生的故障采取相應(yīng)的措施，避免在使用過程中發(fā)生液體泄漏。本文從機(jī)械密封的失效機(jī)理出發(fā)，分析了可能存在的故障形式并提出相應(yīng)的解決方法。

1 水泵機(jī)械密封的作用機(jī)理

1.1 機(jī)械密封的工作原理

水泵的機(jī)械密封裝置由一對或幾對與旋轉(zhuǎn)軸互相垂直的端面組成，密封環(huán)隨軸作旋轉(zhuǎn)運動，在密封介質(zhì)和補(bǔ)償裝置共同作用下，密封環(huán)的端面之間保持貼合，端面之間在潤滑作用下相對滑動，避免液體的泄露。介質(zhì)的壓力作用和補(bǔ)償裝置的彈性作用使端面之間保持合理間隙，縫隙間的液膜能夠保持端面良好的潤滑性能。

1.2 機(jī)械密封邊界摩擦與潤滑的特征

密封端面縫隙間的液膜不均勻連續(xù)，縫隙壓力較小，在發(fā)生泄漏時不易測量，兩個摩擦面由于其摩擦系數(shù)相同，因此泄露量與摩擦面寬無關(guān)，通常與機(jī)械密封的密封端面光潔度、端面所承受的承載壓力、端面件的摩擦滑動速率等因素有系。

1.3 機(jī)械密封裝置的組成

機(jī)械密封主要由主密封、副密封和輔助密封、補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、傳動及防轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和輔助裝置配套組成。機(jī)械密封中兩個密封環(huán)的端面相互貼合并產(chǎn)生相對滑動，分為動換和靜環(huán)，動環(huán)隨軸作旋轉(zhuǎn)運動，靜環(huán)則不隨軸轉(zhuǎn)運，補(bǔ)償環(huán)有軸向補(bǔ)償能力，反之則是非補(bǔ)償環(huán)。機(jī)械密封的補(bǔ)償機(jī)構(gòu)是由補(bǔ)償環(huán)與其他彈性元件做軸向移動的機(jī)構(gòu)。機(jī)械密封裝置的泄漏點常常發(fā)生在壓蓋與機(jī)體連接處、靜環(huán)與壓蓋的間隙、介質(zhì)在動環(huán)與軸之間的間隙、動環(huán)與靜環(huán)在相互接觸運動的密封面。

2 水泵機(jī)械密封的故障問題分析

在水泵的運行過程中，因人為操作不當(dāng)、工藝因素、環(huán)境因素等原因，機(jī)械密封會發(fā)生故障失效，出現(xiàn)泄漏、磨損等情況，分析機(jī)械密封的失效故障，能夠從機(jī)械密封件的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)以及水泵的日常使用與維護(hù)過程中預(yù)防、阻止故障的發(fā)生。

2.1 水泵機(jī)械密封故障的主要形式

2.1.1 水泵機(jī)械密封泄漏問題

穿漏是發(fā)生在端體界面的泄漏，在機(jī)械密封泄漏中占有較大比例，是一種單向泄漏，密封面之間的間隙由于介質(zhì)壓力差的存在，導(dǎo)致介質(zhì)液體由高壓區(qū)向低壓區(qū)泄漏，穿漏泄漏的速度較慢，當(dāng)端面間隙以及介質(zhì)流體壓力差越大時，泄漏量越大。

滲漏是發(fā)生在密封件的材料中的毛細(xì)管中的一種單向分子的泄漏，是由部分疏松性較大、致密性較差的密封件材料造成，因此當(dāng)密封介質(zhì)的粘性較小時容易發(fā)生滲漏現(xiàn)象，而粘性大的密封介質(zhì)則不太容易出現(xiàn)。

擴(kuò)散不同于滲漏、穿漏，是一種雙向的過程，當(dāng)密封介質(zhì)流體在較強(qiáng)的濃度差下，密封件吸附氣體，密封端面的間隙以及密封材料中的毛細(xì)管會出現(xiàn)物質(zhì)傳遞現(xiàn)象，由一側(cè)向密封件的另外一側(cè)析出。

在水泵機(jī)械密封中會出現(xiàn)周期性的動環(huán)問題，這種周期性問題泄漏量不穩(wěn)定，另外還有不隨安裝軸轉(zhuǎn)動的固定點靜環(huán)問題，這種問題造成的泄漏量較為很穩(wěn)定。此外還有發(fā)生在端面的磨損的不可見故障，可以根據(jù)接觸端面的磨損情況來對密封產(chǎn)生的故障進(jìn)行分析。

2.1.2 機(jī)械密封的溫度問題

在水泵的使用過程中，由于摩擦和攪拌作用或工藝的溫度要求會使機(jī)械密封的密封端面溫度有所上升，溫度過高時則會給機(jī)械密封帶來一系列問題，密封環(huán)以及輔助材料由于其材質(zhì)與耐溫性原因，在高溫下易發(fā)生形變，彈性元件的彈性也會在高溫作用下發(fā)生變化，密封面之間介質(zhì)容易在高溫作用下發(fā)生汽化，從而導(dǎo)致接觸端面之間過度磨損，還會發(fā)生熱裂等情況。

圖1 密封試驗的基本流程圖

2.1.3 機(jī)械密封的變形問題

機(jī)械密封的變形包括熱變形、力變形以及殘余變形。熱變形是當(dāng)熱應(yīng)力過大時，密封環(huán)的表面摩擦受熱導(dǎo)致其超出了材料所允許應(yīng)力限度，容易產(chǎn)生熱裂，而裂縫會加劇密封面的磨損，開裂則會造成更為嚴(yán)重的泄漏。

2.2 水泵機(jī)械密封的故障分析

2.2.1 端面出現(xiàn)分離的原因與措施

端面出現(xiàn)泄漏的原因有很多，安裝前端面受損、安裝過程中端面的平面度以及粗糙程度不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求、摩擦端面之間有雜質(zhì)進(jìn)入導(dǎo)致磨損不均勻加劇、安裝操作不規(guī)范導(dǎo)致傾斜、密封材料不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)易出現(xiàn)性變等情況都會造成端面分離。

2.2.2 輔助密封圈處的泄漏分析

在水泵機(jī)械密封的密封圈處由于密封圈發(fā)生損壞、膨脹等情況導(dǎo)致動環(huán)輔助密封圈、靜環(huán)密封圈、軸套、壓蓋等部分之間發(fā)生泄漏。出現(xiàn)泄漏的原因可能是動環(huán)輔助密封圈本身品質(zhì)較為劣質(zhì)、安裝過程中造成的破裂損壞、旋轉(zhuǎn)軸的耐腐蝕性不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、軸在使用過程中出現(xiàn)腐蝕情況、密封圈的材質(zhì)問題、密封橡膠出現(xiàn)變形等情況。電分為可見故障和不可見故障。

另外，靜環(huán)輔助密封圈處也有可能出現(xiàn)泄漏，可能是由壓蓋的加工尺寸問題、安裝的技術(shù)規(guī)范問題、密封圈質(zhì)量問題與材質(zhì)問題等因素引起。軸與軸套之間的泄漏則是由于軸與軸套端面不夠契合、螺栓預(yù)緊力不足、安裝過程有缺漏、結(jié)合面受雜質(zhì)污染等原因造成。

2.2.3 摩擦副材料

摩擦副材料的浸漬的工藝不符合相關(guān)規(guī)定、使用溫度過高、結(jié)構(gòu)的設(shè)計與使用環(huán)境不相匹配等情況會造成摩擦副材料的高磨損、變形、破裂、腐蝕甚至斷裂的情況。

2.2.4 彈簧及傳動件的失效分析

彈簧處的損壞主要體現(xiàn)在當(dāng)拉力強(qiáng)度過或達(dá)到疲勞強(qiáng)度、設(shè)計存在缺陷時其發(fā)生永久形變、斷裂等情況。在傳動過程中，由于振動原因會造成傳動件的磨損，當(dāng)介質(zhì)的粘度過大時，扭矩過大也會造成其發(fā)生斷裂，在腐蝕介質(zhì)中，傳動裝置也會發(fā)生腐蝕而影響其功能[1]。

3 水泵機(jī)械密封技術(shù)故障的處理措施

3.1 保證密封性能的檢查

在水泵的機(jī)械密封裝置安裝過程中，需要對機(jī)械密封的密封性進(jìn)行有效的檢查，確保其運行符合技術(shù)要求以及工藝規(guī)劃，能夠在運行過程中達(dá)到其標(biāo)準(zhǔn)要求的密封性能。因為泵機(jī)一旦開始正常運轉(zhuǎn)，其系統(tǒng)的環(huán)境有不確定性，并且介質(zhì)反應(yīng)過程中的條件惡劣，技術(shù)人員難以在出現(xiàn)故障后近距離觀察檢測并采取維修措施，因此使用前的檢查排查和工藝檢驗是必要環(huán)節(jié)[2]。

3.1.1 外部特征的檢查

觀察機(jī)械密封部件是否存在泄漏現(xiàn)象以及是否運行通暢，在運行過程中密封是否發(fā)生異常振動，有異常響動應(yīng)判斷響動的位置，判斷軸承等原件的溫度熱度是否處在正常范圍，密封圈周圍是否有異常氣味，部件是否發(fā)生形變以及其磨損情況，設(shè)備的性能參數(shù)是否處在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。

3.1.2 密封的工藝性檢查

密封的工藝性檢查需要在選型以及安裝之前對機(jī)械密封進(jìn)行工藝檢查，嚴(yán)格排查工藝故障。根據(jù)機(jī)械密封所使用的環(huán)境判斷其是否符合實際的工況需求。檢查密封腔內(nèi)的壓力是否處在其限制的動態(tài)壓力與靜態(tài)壓力的標(biāo)準(zhǔn)之中，檢查密封系統(tǒng)在實際工況下的溫度，判斷其介質(zhì)和材料性質(zhì)是否符合工藝需求，緩沖液或者隔離液的選用是否與工況相適應(yīng)。當(dāng)存在機(jī)械密封的泄漏情況時，判斷其泄漏的速度隨壓力、速度以及溫度的變化趨勢；在維護(hù)過程中檢查所使用的潤滑劑是否符合工藝規(guī)范；摩擦面的表面是否清潔干凈不存在雜質(zhì)。除了常規(guī)的工藝性檢查，對機(jī)械密封進(jìn)行密封性試驗也非常重要。

3.1.3 密封安裝前的有關(guān)要求

水泵機(jī)械密封在安裝前需要進(jìn)行靜壓試驗進(jìn)行零部件基礎(chǔ)功能的檢查，避免在運輸和安裝的過程中發(fā)生損壞，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)判斷其徑向跳動公差是否符合要求，當(dāng)未達(dá)到要求時，可以對其增設(shè)中間軸承或底軸承；安裝過程中軸徑表面不能發(fā)生磕碰，表面內(nèi)部密封圈被刮傷；安裝過程中保持干凈光滑，不存在凹凸不平，釜口法蘭應(yīng)該與傳動裝置軸心線保持垂直，各管路的接口需要和機(jī)架的方位應(yīng)放置正確。

3.1.4 環(huán)境溫度的控制

控制機(jī)械密封的端面溫度，確保其不發(fā)生劇烈變化并處在標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍內(nèi)。首先要提供一個合理的運行環(huán)境，并且在環(huán)境中能夠適當(dāng)調(diào)節(jié)和控制工作溫度和壓力，在工作過程中保持端面的潤滑性[3]。

沖洗包括內(nèi)沖洗、外沖洗以及循環(huán)沖洗，通過向機(jī)械密封端面的高壓側(cè)直接注入或者排出冷卻液體來實現(xiàn)對密封端口的冷卻，避免因溫度升高導(dǎo)致液膜汽化，改善端面的潤滑性能。沖洗時需要考慮沖洗的密封部位、沖洗方式和對應(yīng)的沖洗量。

急冷是通過一定量的氣體或者液體從背面對靜環(huán)進(jìn)行冷卻，有快速、直接的特點，在選擇用水來進(jìn)行急冷時，溫度過高則容易造成水垢的出現(xiàn)，反而會影響泵的正常運轉(zhuǎn)，因此需要根據(jù)實際的工況來選擇急冷液。為避免加進(jìn)的介質(zhì)出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)在機(jī)械密封的運行系統(tǒng)中設(shè)置填料密封或者油封等有效的輔助裝置。

3.2 防止密封件變形的措施

在機(jī)械密封部件的設(shè)計環(huán)節(jié)，首先需要確保遵循平行平面的原則，使得元件能夠擁有符合工藝標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)度和剛度，避免在使用過程中發(fā)生變形。在對密封材料進(jìn)行選擇時，需要考慮水泵的實際工作環(huán)境，選擇導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)小以及高彈性模量的材料。機(jī)械密封元件的制造工藝需要避免發(fā)生應(yīng)力集中，消除和釋放結(jié)構(gòu)中殘余的應(yīng)力；在機(jī)械密封的安裝過程中，需要嚴(yán)格按照技術(shù)規(guī)范以及安裝程序的要求，由專業(yè)人員進(jìn)行安裝，提高安裝的精度和準(zhǔn)確性、確保角度、螺栓安裝等影響機(jī)械密封的安裝環(huán)節(jié)的精細(xì)安裝。

3.3 泄漏發(fā)生后阻止密封泄漏的主要途徑

在水泵的設(shè)計和實際的生產(chǎn)過程中，首先要盡可能減少需要設(shè)置密封裝置的部位，密封點的位置越多，則越容易增加水泵的密封泄漏風(fēng)險，當(dāng)發(fā)生泄漏時，需要針對泄漏點采取相對應(yīng)的措施，及時切斷泄漏途徑?？梢酝ㄟ^增加通道的阻力來減少泄漏，改變兩端的壓差、通道長短、通道壁面的光潔程度與棱緣的光滑程度等方式來達(dá)到增加阻力的效果，也可以將小型的做功元件添加在泄漏通道之中來抵消造成泄露的壓差。

3.4 水泵機(jī)械泄漏不同元件故障的解決措施

3.4.1 端面泄漏的解決措施

在端面發(fā)生泄漏時，需要對損壞的密封環(huán)進(jìn)行修復(fù)與更換，在安裝過程中避免雜質(zhì)的進(jìn)入造成過度摩擦，當(dāng)技術(shù)人員存在操作不當(dāng)?shù)膯栴}時，需對零部件重新安裝，確保其垂直度、安裝位置符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。由于密封材料有較低的彈性模量，因此在安裝過程中還需格外注意對其夾緊力施加均勻。

3.4.2 輔助密封圈處泄漏的解決措施

當(dāng)壓蓋加工尺寸出現(xiàn)問題時需對其進(jìn)行重新加工修整，在安裝過程中將凹面對準(zhǔn)介質(zhì)端，及時更換不合格產(chǎn)品，使密封圈材質(zhì)與液體介質(zhì)相匹配。在安裝過程中采用材質(zhì)較好的墊片，注意預(yù)緊力的大小，確保安裝現(xiàn)場的清潔，避免雜質(zhì)進(jìn)入。

3.4.3 摩擦副材料處泄漏的解決措施

對制品進(jìn)行二次浸漬處理，當(dāng)使用溫度過高時，為避免浸漬劑發(fā)生溢出，應(yīng)當(dāng)采取沖洗與冷卻措施。在選擇材料時，選用硬質(zhì)碳石墨作為摩擦副材料，補(bǔ)償環(huán)采用托裝式結(jié)構(gòu)避免高溫高壓下造成其形變。

4 結(jié)語

水泵的機(jī)械密封能夠確保其在使用過程中不發(fā)生液體的泄漏，但機(jī)械密封往往因為環(huán)境、工藝、安裝等因素而功能失效，在軸、密封圈等接口處發(fā)生液體的泄漏。本文對水泵機(jī)械密封的故障形式以及故障機(jī)理進(jìn)行了研究，分析了故障可能存在的形式，并提出了針對不同類型故障的解決方法，從檢測、維護(hù)等各個環(huán)節(jié)確保機(jī)械密封的有效性。