机械密封的结构原理、失效分析及寿命延长方法

2022-05-26 11:32:46 作者：热处理生态圈来源：热处理生态圈分享至：

本文主要通过对机械密封结构原理的介绍和对机械密封失效泄漏原因的分析，总结出了正确安装、使用机械密封以延长其使用寿命的经验和方法。

1、前言

机械密封（mechanical seal）是由至少一对垂直于旋转轴线的端面在流体压力和补偿机构弹力（或磁力）的作用下以及辅助密封的配合下保持贴合并相对滑动而构成的防止流体泄漏的装置。

机械密封结构（典型结构原理见图1）主要由静止环（静环）

1、旋转环（动环）

2、弹性元件

3、弹簧座

4、紧定螺钉

5、旋转环辅助密封圈

6、静止环辅助密封圈

等元件组成，防转销7固定在压盖9上以防止静止环转动。

图1 机械密封结构原理图

机械密封具有密封性能可靠、泄漏量小、使用寿命长、功率损耗少和适用范围广等优点，被广泛应用于各个技术领域，尤其适用于高转速、高压差的工作条件和昂贵或有毒及强腐蚀性的工艺介质。同时，机械密封又是设备的最薄弱环节之一。

为延长其使用寿命，除了选择恰当的摩擦副材料和合适的端面比压外，正确的安装和维修也可起到重要的作用。

本文通过日常检修的实践，分析了机械密封失效泄漏的主要原因，总结出了如何延长机械密封使用寿命的方法。

2、机械密封失效泄漏的原因分析

化工设备中使用的机械密封种类繁多，型号各异，但主要泄漏点有五处：

①轴套与轴间的密封；

②动环与轴套间的密封；

③动、静环间密封；

④对静环与静环座间的密封；

⑤密封端盖与泵体间的密封。

机械密封中流体可能泄漏的途径如图1中的A、B、C、D 四个通道。

2.1动静环端面磨损导致机械密封泄漏

不管哪种类型的机械密封，最主要的特点即密封面为垂直于旋转轴线的端面，也就是将极易泄漏的轴向密封改为不易泄漏的端面密封。所以，机械密封失效的主要形式是静、动环之间的磨损失效。动、静环端面摩擦副主要靠弹簧推力来压紧，阻止泄漏。动、静环压得越紧越不易泄漏，但其间的摩擦力也随之增大，动、静环接触端镜面在较大摩擦力的作用下会很快磨损，最后失效泄漏。

2.2工艺条件不稳定和安装不良导致机械密封泄漏

工艺条件不稳定和安装不良造成的振动、设备抽空汽化瞬间断流都会导致机械密封动静环之间的液膜破坏，使机械密封在无润滑条件下“干态”运行，密封环温度迅速上升，有的直接烧毁，有的当泵恢复正常工作状态时被急剧冷却，形成热冲击而碎裂。冲洗流体与冲洗条件不良也会形成热冲击，导致密封环出现径向裂纹，加剧动静环的磨损失效。同时，当石墨环超过使用温度，其表面会析出晶体，在温度较高的摩擦副附近发生炭化，其微粒进入摩擦副使动静环急剧磨损失效。

2.3机械密封的密封圈失效也是密封泄漏主要原因

动静环密封圈装配歪斜；与密封圈相配合的轴或轴套表面光洁度不够，或配合尺寸过小；密封圈与密封介质发生物理或化学反应，腐蚀变形、老化等，均可导致泄漏。

2.4装配不当导致机械密封泄漏

在装配机械密封前机封组件清洗不洁净，组件碰伤或划伤；装配不到位；弹簧装偏、紧固螺钉没紧固；拆卸时损坏等，都是机械密封提前失效的原因。

2.5机械密封选型设计不当造成的机封泄漏

由于在化工装置中工艺介质特性的多样性，机械密封设计选用不当，使密封端面比压偏小、偏大或密封材质冷缩性较大等，极易使机械密封失效而导致其泄漏。

3、解决措施

根据上述分析，延长机械密封使用寿命应采取以下措施和检修方法。

3.1弹簧压缩量调整

调整弹簧的压缩量就是调整机械密封的端面比压，关系到密封性能及使用寿命的重要参数，与密封的结构型式、弹簧大小和介质压力有关。端面比压过大将损坏摩擦副；比压过小则易泄漏，往往由厂家给定一个适合的范围，一般按3～6kg/cm2取值。弹簧的自由长度A，弹簧刚度K（产生单位压缩量时承受的载荷），规定要求的比压P，这些都是厂家给定的参数。压缩后尺寸为B，则P/（A-B）=k，得出B=A-P/k，这就是弹簧安装压缩后的尺寸。如果弹簧安装后的尺寸过大，可在弹簧座与弹簧之间增加调整垫的厚度，尺寸过小则减少调整的厚度，调整垫的厚度用千分尺量取。

3.2动环密封圈松紧

动环密封圈过紧有害无益，一是加剧密封圈与轴套间的磨损，过早泄漏；二是增大了动环轴向调整、移动的阻力，在工作状况变化频繁时无法适时进行调整；三是弹簧过度疲劳易损坏；四是使动环密封圈变形，影响密封效果。为保证动环的浮动性，其内径比轴径大0.5～1mm，用以补偿轴的振动与偏斜，但间隙不能太大，否则会使动环密封圈卡入而造成机械密封机械性能的破坏。密封圈的松紧程度以涂上润滑剂后能以一只手用力压入为准。

3.3静环密封圈松紧

静环密封圈基本处于静止状态，相对较紧密封效果会好些，但过紧将导致：一是引起静环密封因过度变形，影响密封效果；二是静环材质以石墨居多，一般较脆，过度受力极易引起碎裂；三是安装、拆卸困难，极易损坏静环。因此，静环的内径一般比轴径大1～2mm ，密封圈的松紧程度以涂上润滑剂后能以双手用力压入为准。手能较轻压入则太松，双手用力压不进则太紧。

3.4密封新旧拆换

相对而言，使用新机械密封的效果好于旧的，但新机械密封的质量或材质选择不当时，配合尺寸误差较大会影响密封效果。在聚合性和深透性介质中，静环如无过度磨损（当密封面出现裂纹、掉角、划痕、麻点、飞边及偏磨，划痕、麻点贯穿整个密封端面时称为过度磨损），还是不更换为好。因为静环在静环座中长时间处于静止状态，使聚合物和杂质沉积为一体，起到了较好的密封作用。

3.5拆修

机械密封一旦出现泄漏，先不急于拆修，有时密封可能没有损坏，只需调整工作状况或适当调整密封就可消除泄漏。如调整弹簧的压缩量、消除运行设备的振动、清除使弹簧失弹的水垢及动、静环摩擦副上的水垢等。这样既避免浪费又解决了实际问题同时还可以验证自己的故障判断能力，积累维修经验提高检修质量。

3.6安装

机械密封是精密部件，制造及安装精度都要求很严格，如果装配不当会影响密封性能，缩短使用寿命，因此必须注意以下要求：

3.6.1 安装机械密封部位的轴（或轴套）径向跳动公差按表1。表面粗糙度Ra值应不大于3.2um，外径尺寸公差h6。安装机械密封的泵或其它类似的旋转式机械在工作时，转子的轴向窜动量不超过0.3mm。密封腔体与密封端盖结合的定位端面对轴（或轴套）表面的跳动公差按表1。

表1 轴（或轴套）径向跳动公差

3.6.2 安装旋转环辅助密封圈的轴（或轴套）端部应按图2 倒角使其圆滑过渡。

图2 安装密封圈转轴的端部倒角图

3.6.3 安装机械密封静环的密封端盖（或壳体）的孔的端部按图3和表2的规定。密封端盖（或壳体）与辅助密封圈接触部位的表面粗糙度按图3。

图3 密封端盖（或壳体）安装要求

表2 密封端盖（或壳体）的孔的端部安装要求

3.6.4 密封零件、轴表面、密封腔体必须清洗干净，并保证密封端面冲洗液管路畅通。

3.6.5 安装前，应确认产品型号及规格与设备要求一致。当输送介质温度偏高、过低，或有杂质颗粒、易燃、易爆、有毒时，必须采取相应的阻封、冲洗、冷却、过滤等措施。

3.6.6 在安装密封的轴，腔体及压盖等与辅助密封圈接触处均匀涂油（注：对乙丙橡胶、或介质不允许注入润滑油的情况下，可涂抹植物油或肥皂水）。

3.6.7 在安装密封圈时，不允许涂抹润滑脂的密封圈禁止涂抹，否则会使密封圈溶胀变大，使机械密封泄漏。

3.6.8 安装时应核对密封安装尺寸，一般单弹簧密封轴向安装尺寸最大允差为1.0mm，多弹簧为±0.5mm。

3.6.9 机械密封套上轴，按设计的工作高度安装到位。

3.6.10 通孔采用对角线交叉拧紧方式，用螺栓将整个密封与密封腔体（泵盖）联接螺栓拧紧。

3.6.11 密封配有辅助系统时，按标示正确连接管路。

3.6.12 安装后用手盘动旋转环，保证灵活转动，并有一定浮动性。然后进行静压试验和动压试验后，方可投入使用。

3.7集装式机械密封的安装

对于集装式机械密封，机械密封出厂时已将机械密封压缩量调整完毕，并且进行了机械运转试验，所以在我们现场安装时不允许解体机封或者再次重新调整机封压缩量。

3.8波纹管机械密封的安装

对于波纹管机械密封在安装前使用煤油对波纹管进行检漏，确认波纹管完好无泄漏的情况下，方可进行安装。同时由于波纹管机械密封的波纹管容易破损，在安装的过程中一定要小心谨慎。

3.9严格工艺操作和工艺指标的控制

在流量调节和开停泵时，避免发生喘振、泵抽空以及冲洗流体断流等现象。过滤密封介质中的杂质，合理采用自身平衡冲洗方式或外部强制循环冲洗方式，改善冲洗冷却条件，同时加大冲洗系统的限流孔板孔径，增加冲洗液量，保证冲洗液的供给平稳和充足，使机械密封的润滑和散热状况得到改善，防止机械密封因过热出现烧毁、破裂、裂纹、析出结晶等现象，延长机械密封的使用寿命。

3.10 机械密封的选型

机械密封在选型时，我们一定要给机械密封制造厂家提供设备运行的详细工艺参数及技术要求，避免由于所选机械密封不适合现场工况而降低其使用寿命。

4 结论

综上所述，只要严格按照机械密封的技术要求进行安装、维护和使用不仅能达到良好的密封效果，而且还大大延长机械密封的使用寿命。