【摘要】機械密封是化工設備最為主要的密封方式,機械密封是一種旋轉軸用的接觸式動密封,它是在流體介質和彈性元件的作用下,兩個垂直于軸心線的密封端面緊貼著相對旋轉,從而達到密封的要求。我們可以從端面膜形態的角度來解決機械密封的泄漏問題。
【關鍵詞】化工設備;機械密封;泄漏
無泄漏是化工設備的永遠追求,正是這種要求促成了磁力泵和屏蔽泵的應用日益擴展。然而真正做到無泄漏還有很長的路要走,比如磁力泵隔離套和屏蔽泵屏蔽套的壽命問題、材料的孔蝕問題、靜密封的可靠性問題等等。
對于靜密封來說,通常只有密封墊和密封圈兩種形式,而密封圈又以 O 型圈應用最廣;對于動密封,化工泵很少采用填料密封,以機械密封為主,機械密封又有單端面和雙端面、平衡型和非平衡型之分, 平衡型適用于高壓介質的密封(通常指壓力大于 1.0MPa),雙端面機封主要用于高溫、易結晶、有粘度、含顆粒以及有毒揮發的介質, 雙端面機封應向密封腔中注入隔離液, 其壓力一般高于介質壓力 0.07～0.1MPa。
1 機械密封結構簡介
機機械密封和填料密封比較,機械密封具有密封可靠、壽命長、消耗功率低、使用范圍廣等優點。機械密封系指兩塊密封元件在其垂直于軸線的光潔而平直的表面上相互貼合,并作相對轉動而構成密封的裝置。機械密封是一種旋轉軸用的接觸式動密封,它是在流體介質和彈性元件的作用下,兩個垂直于軸心線的密封端面緊貼著相對旋轉,從而達到密封的要求。它通常由靜環、動環、彈簧加荷裝置(包括推環、彈簧、彈簧座、固定螺釘,傳動銷)、輔助密封圈(動環密封圈和靜環密封圈)等元件組成。防轉銷固定在壓蓋上,用以防止靜環轉動。
從結構來看,機械密封主要是將極易泄漏的軸向密封, 改變為不易泄漏的端面密封。
因為機械密封具有密封性能可靠、泄漏量少、使用壽命長、功率損耗少、不需要經常維修等優點,且能滿足生產自動化和高溫、低溫、高壓、高真空、高速、各種易燃易爆、腐蝕性以及腐蝕性介質的密封要求,因此較其它密封獲得更為迅速的發展和推廣,越來越多地替代填料密封和其它密封。
2 機械密封泄露的主要原因
機械密封一般為內裝式, 常常需根據經驗、現場觀察及儀器測量分析來確定密封泄漏的原因。首先,弄清受損傷的密封件對密封性能的影響,然后依次對密封環、傳動件、加載彈性元件、輔助密封圈、防轉機構、緊固螺釘等仔細檢查磨損痕跡。對附屬件,如底座、軸套、密封腔體以及密封系統等也應進行全面的檢查。
2.1 長期磨損
機械磨損將引起密封副的正常配合關系被破壞,當端面出現一定的磨損,傳動軸每轉一轉密封件都要作軸向位移和徑向擺動。根據磨損痕跡可以判斷運動和磨損情況,也可以確定密封泄漏的原因。例如,密封副磨損痕跡均勻,各零件的配合良好,這就說明傳動部分的同軸度良好。這時密封端面產生的泄漏,可能不是由密封本身問題引起的。若泄漏量為常數,就意味著泄漏不是發生在兩端面之間,有可能發生在其他部位上, 如靜密封處。再如,密封開始使用時就泄漏,且觀察不到摩擦端面磨損痕跡,可能是旋轉環相對于靜止環不旋轉或打滑, 其原因可能是防轉銷松脫或折斷,或是底座的孔徑小于密封件的外徑,由于安裝不到位所致。
2.2 過熱損傷
過熱不僅引起密封副變形產生磨損,還可能引起熱裂和皰疤。通常,在過大的熱應力作用下密封環表面上出現徑向裂紋,稱為熱裂。在短時間的機械負荷或熱負荷作用下會出現熱裂,例如由于干摩擦、冷卻系統中斷等熱裂時密封環磨損加劇泄漏量迅速增長。對于平衡型密封,甚至密封環分開。為了避免熱裂,必須掌握材料的機械-物理性能,在設計時考慮到可能產生熱裂,并給定運轉條件。介質潤滑性差、過載、操作溫度高、線速度高、配對材料組合不當等因素,或者是以上幾種因素的疊加,都可以產生過大的摩擦熱,若摩擦熱不能及時散發,就會產生熱裂紋,從而引起泄漏。
2.3 化學腐蝕
由于密封接觸腐蝕性介質就會產生表面腐蝕,甚至在表面各處產生劇烈腐蝕點而形成點蝕。在金屬的晶界上產生的晶間腐蝕,會深入到金屬的內部,并進一步破壞而引起斷裂。腐蝕的性能影響很大。由于密封件比主機的零件小,而且更精密,通常要選用比主機更耐腐蝕的材料。經驗表明,壓力、溫度和滑動速度都能使腐蝕加速。密封件的腐蝕率隨溫度升高呈指數規律增加。處理強腐蝕流體時,采用雙端面密封,可以最大限度減輕腐蝕對密封件的影響,因為它與工藝流體相接觸的零件數量少。這也是在強腐蝕條件下,選擇密封結構的一條最重要的原則。
2.4 密封零件失效
機械密封零件失效大部分是輔助密封圈失效,機械密封由于泄漏而不能正常工作的一個主要原因也是因為 O 形圈失效引起的。O形圈失效的表現為老化、永久性變形、溶脹變形、扭曲及擠出損傷。因此,在選用 O 形圈時應考慮合成橡膠的安全使用溫度,盡可能地選用截面較大的橡膠 O 形圈,適當提高硬度,采用溝槽式的裝配結構, 通過沉浸試驗合理選材,必要時選用復合材料,如橡膠包覆聚四氟乙烯密封圈。
3 機械密封泄漏問題對策
機械密封之所以能夠起密封作用是由于機械密封端面間存在著端面膜,而端面膜的形態又決定了密封的效果。由于工況的不同,機械密封端面間存在著液相、氣液混相與氣相等三種型式的端面膜。端面膜存在著不同形態的原因是被密封液體接近飽和狀態時,出現沸騰或閃蒸, 即發生相變。而端面膜一旦發生相變,膜的反壓力就會發生較大變化,從而導致端面貼合不穩定。所以解決問題的鍵是如何保證機械密封的端面膜為穩定膜。很顯然,要確保端面膜為穩定膜,只需確保端面膜不發生相變或雖發生相變但不破壞端面的貼合。
基于以上原因的分析,機機械密封設計和造型一定要結合生產實際情況,盡量選用密封可靠、壽命較長的摩擦副材料及靜密封圈材料。如雙端面機械密封內端接觸介質,以選用耐蝕材料為主;外端不接觸介質,以選用密封可靠性好的材料為主, 如 W C 橡膠圈等, 不一定追求內外端選材的一致性,這樣既可以降低成本,又能增加密封可靠性。機械密封零件加工質量一定要嚴格要求,說明書及檢修規程一定要特別定出機械密封的安裝及使用技術要求,使工人有章可循。
一般泵用機械密封在安裝后都要經過靜態和動態的試驗,以確認機械密封安裝正確,當發現有泄漏時,便于及時進行維修。另外,在正常運轉時也可能突然出現泄漏,此時可以根據情況進行綜合分析,確認導致機械密封泄漏的真正原因,便于解決。
參考文獻
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