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【摘要】机械密封具有密封性好、性能稳定、泄漏量少、摩擦功耗低、对轴的磨损小等优点,普遍应用于炼油、化工、化纤、化肥等行业的泵、压缩机、反应釜等旋转设备中。机械密封良好的密封性能为生产装置的安全、平稳、长周期运行打下了基础。而且,机械密封在实践应用中不断得到改进,使得机械密封更加完善和应用更加广泛。
【关键词】化工机械；密封；原因；措施
无论何种密封，对密封件都有一个共同的要求，即：严密、泄漏量少；可靠、使用寿命长；结构简单而紧凑；维修方便；成本低；价格便宜；互换性好。对于化工解析密封来说，泄漏量一般可控制在0.2～3mL；使用寿命一般可达一年以上。理论上大多数化工解析密封，当磨损率较小且在流体动力润滑条件下运行时，则意味着密封应该是永远耐用的，但实际并非如此，其原因通常在于存在着密封不可能克服的偶然工况，其中包括：化工解析密封的质量存在问题；人为误差(机器运行操作错误)；安装误差；冲洗系统失效；工况的急剧波动等
1机械密封的定义
化工机械密封，也有人称之为端面密封，一般来说用于泵、压缩机等等设备的旋转轴密封，由四类部件组合而成：主要部件：动环、静环；辅助密封件：密封圈；弹力补偿机构：弹簧、推环；传动件：弹箕座以及键或者是各种各样螺钉。化工机械密封，是由至少一对垂直于旋转轴线的端面在流体压力以及补偿机构弹力的作用下、辅助密封的配合下，保持贴合并且相对滑动，从而构成的防止流体泄漏的一种装置。密封的理论主要涉及到密封的机理、密封摩擦副的摩擦以及润滑、密封动静环的热力变形分析、动力学的特性、流体动压润滑的理论、流体静压润滑的理论、热弹性流体动压润滑的理论等等。
2机械密封的组成
化工机械密封，可以按照不同的标准来进行分类：按照弹簧的元件旋转或者静止，可以分为旋转型以及静止型。旋转型的密封，在高速运转的时侯，其介质中的弹簧本身受到离心力影响很容易发生变形，而强腐蚀性的介质在弹簧的强烈搅动下会显得更加不利，但是静止型就没有这一种缺点。无论是旋转型还是静止型都是机械密封中最为主要的零配件，其性能的好坏可以说直接的关系到密封的效果以及寿命，正是因为这样，对于密封环的材料、结构、形状、尺寸以及表面加工的质量等等都必须有比较高的要求；按照密封的介质泄漏方向，则可以分为内流失以及外流式；按照介质在端面所引起的卸载情况可以分为平衡式以及非平衡式；按照静环位于密封端面内侧还是外侧，可以分为内装式以及外装式；按照密封腔内的温度可以分为高温密封、中温密封、普温密封以及低温密封；按照密封腔内的压力可以分为超高压机械密封、高压机械密封、中压机械密封以及低压机械密封；按照弹簧的个数可以分为单弹簧式以及多弹簧式；按照非接触式机械密封的结构可以分为流体静压式、流体动压式以及干气密封式；按照密封端面的对数可以分为单端面以及双端面；按照弹性元件可以分为弹簧压缩式以及波纹管式。
3机械密封泄露的主要原因
3．1 长期磨损
机械磨损将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,传动轴每转一转密封件都要作轴向位移和径向摆动。根据磨损痕迹可以判断运动和磨损情况, 也可以确定密封泄漏的原因。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,有可能发生在其他部位上,如靜密封处。再如,密封开始使用时就泄漏,且观察不到摩擦端面磨损痕迹, 可能是旋转环相对于静止环不旋转或打滑, 其原因可能是防转销松脱或折断, 或是底座的孔径小于密封件的外径,由于安装不到位所致。
3．2 过热损伤
过热不仅引起密封副变形产生磨损, 还可能引起热裂和疱疤。通常, 在过大的热应力作用下密封环表面上出现径向裂纹, 称为热裂。在短时间的机械负荷或热负荷作用下会出现热裂,例如由于干摩擦、冷却系统中断等热裂时密封环磨损加剧泄漏量迅速增长。对于平衡型密封, 甚至密封环分开。为了避免热裂,必须掌握材料的机械－物理性能,在设计时考虑到可能产生热裂, 并给定运转条件。介质润滑性差、过载、操作温度高、线速度高、配对材料组合不当等因素,或者是以上几种因素的叠加, 都可以产生过大的摩擦热,若摩擦热不能及时散发, 就会产生热裂纹,从而引起泄漏。
3．3 化学腐蚀
由于密封接触腐蚀性介质就会产生表面腐蚀, 甚至在表面各处产生剧烈腐蚀点而形成点蚀。在金属的晶界上产生的晶间腐蚀,会深入到金属的内部, 并进一步破坏而引起断裂。腐蚀的性能影响很大。由于密封件比主机的零件小,而且更精密,通常要选用比主机更耐腐蚀的材料。经验表明,压力、温度和滑动速度都能使腐蚀加速。密封件的腐蚀率随温度升高呈指数规律增加。处理强腐蚀流体时,采用双端面密封,可以最大限度减轻腐蚀对密封件的影响, 因为它与工艺流体相接触的零件数量少。这也是在强腐蚀条件下,选择密封结构的一条最重要的原则。 3．4 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, 尽可能地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。
4提高化工机械效果的措施
4.1 运行平稳。当工厂运行日趋稳定时，即很少有停车、启动和运行条件的变化，正常的操作程序为泵的运转提供了良好运行的环境，化工机械减少了在恶劣的动态工况下的损坏以及突然停车造成的瞬间破坏的可能，因而密封寿命大大增长。
4.2 连续冲洗。冲洗包括工作介质的自冲洗和相对洁净的工艺液冲洗，冲洗介质不符合设计要求是造成化工机械泄漏的重要原因。一方面通过有针对性的检查、调整，使冲洗介质的压力、流量、温度都符合设计要求；另一方面通过定期清理冲洗液过滤器及合理增加冲洗管道上的止逆阀，从根本上避免了冲洗原因造成的密封损坏。
4.3 设备改良。在运行中不断总结经验，通过技术改造使机泵等设备的机械性能得以保证。例如：DA302塔循环水泵更换化工机械后，频繁出现瞬时密封损坏。究其原因是泵壳密封环和叶轮口环间间隙不足产生摩擦造，这种摩擦产生的不规则运动使泵振动导致密封损坏。经过加工使口环配合间隙达到1.4mm，在不影响泵的使用性能的前提下，使这一问题得到了最终的解决。
5总结
总而言之，化工机械密封因为具有很多的优点而被广泛的应用，但有利就有弊，对于这一点要正确的认识。而化工机械密封的泄漏失效原因，可以说是非常复杂的，所以说在化工机械密封的设计过程中，要充分的掌握好工作的条件等等因素，仔细的选用合适的密封机构以及材料，以防止因为设计的不恰当而引起的密封失效。机械密封自20 世纪初第一项专利开始至今发展已100 多年了, 作为一个密封产品,从简单到复杂,并逐步完善实用, 随着科学技术的发展, 这种密封产品还将进一步发展,现阶段还不存在用什么产品代替它的问题, 其发展空间仍然很大。需要设计、制造、使用等方面的技术人员共同努力, 来推动机械密封技术水平的进一步发展。
【关键词】化工机械；密封；原因；措施
无论何种密封，对密封件都有一个共同的要求，即：严密、泄漏量少；可靠、使用寿命长；结构简单而紧凑；维修方便；成本低；价格便宜；互换性好。对于化工解析密封来说，泄漏量一般可控制在0.2～3mL；使用寿命一般可达一年以上。理论上大多数化工解析密封，当磨损率较小且在流体动力润滑条件下运行时，则意味着密封应该是永远耐用的，但实际并非如此，其原因通常在于存在着密封不可能克服的偶然工况，其中包括：化工解析密封的质量存在问题；人为误差(机器运行操作错误)；安装误差；冲洗系统失效；工况的急剧波动等
1机械密封的定义
化工机械密封，也有人称之为端面密封，一般来说用于泵、压缩机等等设备的旋转轴密封，由四类部件组合而成：主要部件：动环、静环；辅助密封件：密封圈；弹力补偿机构：弹簧、推环；传动件：弹箕座以及键或者是各种各样螺钉。化工机械密封，是由至少一对垂直于旋转轴线的端面在流体压力以及补偿机构弹力的作用下、辅助密封的配合下，保持贴合并且相对滑动，从而构成的防止流体泄漏的一种装置。密封的理论主要涉及到密封的机理、密封摩擦副的摩擦以及润滑、密封动静环的热力变形分析、动力学的特性、流体动压润滑的理论、流体静压润滑的理论、热弹性流体动压润滑的理论等等。
2机械密封的组成
化工机械密封，可以按照不同的标准来进行分类：按照弹簧的元件旋转或者静止，可以分为旋转型以及静止型。旋转型的密封，在高速运转的时侯，其介质中的弹簧本身受到离心力影响很容易发生变形，而强腐蚀性的介质在弹簧的强烈搅动下会显得更加不利，但是静止型就没有这一种缺点。无论是旋转型还是静止型都是机械密封中最为主要的零配件，其性能的好坏可以说直接的关系到密封的效果以及寿命，正是因为这样，对于密封环的材料、结构、形状、尺寸以及表面加工的质量等等都必须有比较高的要求；按照密封的介质泄漏方向，则可以分为内流失以及外流式；按照介质在端面所引起的卸载情况可以分为平衡式以及非平衡式；按照静环位于密封端面内侧还是外侧，可以分为内装式以及外装式；按照密封腔内的温度可以分为高温密封、中温密封、普温密封以及低温密封；按照密封腔内的压力可以分为超高压机械密封、高压机械密封、中压机械密封以及低压机械密封；按照弹簧的个数可以分为单弹簧式以及多弹簧式；按照非接触式机械密封的结构可以分为流体静压式、流体动压式以及干气密封式；按照密封端面的对数可以分为单端面以及双端面；按照弹性元件可以分为弹簧压缩式以及波纹管式。
3机械密封泄露的主要原因
3．1 长期磨损
机械磨损将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,传动轴每转一转密封件都要作轴向位移和径向摆动。根据磨损痕迹可以判断运动和磨损情况, 也可以确定密封泄漏的原因。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,有可能发生在其他部位上,如靜密封处。再如,密封开始使用时就泄漏,且观察不到摩擦端面磨损痕迹, 可能是旋转环相对于静止环不旋转或打滑, 其原因可能是防转销松脱或折断, 或是底座的孔径小于密封件的外径,由于安装不到位所致。
3．2 过热损伤
过热不仅引起密封副变形产生磨损, 还可能引起热裂和疱疤。通常, 在过大的热应力作用下密封环表面上出现径向裂纹, 称为热裂。在短时间的机械负荷或热负荷作用下会出现热裂,例如由于干摩擦、冷却系统中断等热裂时密封环磨损加剧泄漏量迅速增长。对于平衡型密封, 甚至密封环分开。为了避免热裂,必须掌握材料的机械－物理性能,在设计时考虑到可能产生热裂, 并给定运转条件。介质润滑性差、过载、操作温度高、线速度高、配对材料组合不当等因素,或者是以上几种因素的叠加, 都可以产生过大的摩擦热,若摩擦热不能及时散发, 就会产生热裂纹,从而引起泄漏。
3．3 化学腐蚀
由于密封接触腐蚀性介质就会产生表面腐蚀, 甚至在表面各处产生剧烈腐蚀点而形成点蚀。在金属的晶界上产生的晶间腐蚀,会深入到金属的内部, 并进一步破坏而引起断裂。腐蚀的性能影响很大。由于密封件比主机的零件小,而且更精密,通常要选用比主机更耐腐蚀的材料。经验表明,压力、温度和滑动速度都能使腐蚀加速。密封件的腐蚀率随温度升高呈指数规律增加。处理强腐蚀流体时,采用双端面密封,可以最大限度减轻腐蚀对密封件的影响, 因为它与工艺流体相接触的零件数量少。这也是在强腐蚀条件下,选择密封结构的一条最重要的原则。 3．4 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, 尽可能地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。
4提高化工机械效果的措施
4.1 运行平稳。当工厂运行日趋稳定时，即很少有停车、启动和运行条件的变化，正常的操作程序为泵的运转提供了良好运行的环境，化工机械减少了在恶劣的动态工况下的损坏以及突然停车造成的瞬间破坏的可能，因而密封寿命大大增长。
4.2 连续冲洗。冲洗包括工作介质的自冲洗和相对洁净的工艺液冲洗，冲洗介质不符合设计要求是造成化工机械泄漏的重要原因。一方面通过有针对性的检查、调整，使冲洗介质的压力、流量、温度都符合设计要求；另一方面通过定期清理冲洗液过滤器及合理增加冲洗管道上的止逆阀，从根本上避免了冲洗原因造成的密封损坏。
4.3 设备改良。在运行中不断总结经验，通过技术改造使机泵等设备的机械性能得以保证。例如：DA302塔循环水泵更换化工机械后，频繁出现瞬时密封损坏。究其原因是泵壳密封环和叶轮口环间间隙不足产生摩擦造，这种摩擦产生的不规则运动使泵振动导致密封损坏。经过加工使口环配合间隙达到1.4mm，在不影响泵的使用性能的前提下，使这一问题得到了最终的解决。
5总结
总而言之，化工机械密封因为具有很多的优点而被广泛的应用，但有利就有弊，对于这一点要正确的认识。而化工机械密封的泄漏失效原因，可以说是非常复杂的，所以说在化工机械密封的设计过程中，要充分的掌握好工作的条件等等因素，仔细的选用合适的密封机构以及材料，以防止因为设计的不恰当而引起的密封失效。机械密封自20 世纪初第一项专利开始至今发展已100 多年了, 作为一个密封产品,从简单到复杂,并逐步完善实用, 随着科学技术的发展, 这种密封产品还将进一步发展,现阶段还不存在用什么产品代替它的问题, 其发展空间仍然很大。需要设计、制造、使用等方面的技术人员共同努力, 来推动机械密封技术水平的进一步发展。