石油化工釜用機(jī)械密封的失效分析與對策

1、設(shè)備與儀表聚氯乙烯2000年第2期PolyvinylChlorideNo.2,2000石油化工釜用機(jī)械密封的失效分析與對策羅忠新 王 雷 楊春輝(錦西化工機(jī)械廠,葫蘆島 125001)摘 要 分析了石油化工釜用機(jī)械密封泄漏失效的幾種形式,并提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法。關(guān)鍵詞 機(jī)械密封 泄漏 分析 對策前 言反應(yīng)釜類設(shè)備中的機(jī)械密封是精密的部件,根據(jù)我廠幾十年來生產(chǎn)的具有機(jī)械密封軸封的石油化工用反應(yīng)釜的設(shè)計、實驗以及國內(nèi)多家煉油廠、化工廠、樹脂廠等釜用機(jī)械密封的統(tǒng)計資料表明,大約有二分之一的釜維修歸因于機(jī)械密封;釜在運(yùn)行半年后,就有近一半的機(jī)械密封失效。雖然這是不完全統(tǒng)計的結(jié)果,但可以說明密封是易損件

2、這一特點。引起機(jī)械密封過早失效的因素很多,諸如:密封設(shè)計和制造中的問題、選型或安裝不當(dāng)以及設(shè)備本身存在問題等。因此,應(yīng)針對具體情況,分析失效原因,采取相應(yīng)措施。從諸多的環(huán)節(jié)中排除不變和基本不變的因素,從而采取相應(yīng)的預(yù)防或補(bǔ)救措施,以確保機(jī)械密封的可靠和穩(wěn)定。為了適應(yīng)化工裝置 安 、 穩(wěn) 、 長 、 滿 、 優(yōu) 的運(yùn)行要求,對液體動密封的密封性與可靠性要求十分嚴(yán)格,如果機(jī)械密封的冷卻密封液大量泄漏,勢必打亂釜內(nèi)物料配比,影響聚合反應(yīng),故機(jī)械密封的泄漏量和壽命決定了軸封的可靠性。1 泄漏失效分析泄漏是機(jī)械密封失效的主要表現(xiàn)形式。在實際工作中,重要的是從泄漏現(xiàn)象分析機(jī)械密封產(chǎn)生泄漏的原因。釜用機(jī)械密

3、封一般為內(nèi)裝式,這就給分析工作帶來一定的困難。首先對機(jī)械密封的泄漏通道進(jìn)行一般分析。普通內(nèi)裝式機(jī)械密封的典型泄漏通道如圖1所示有7處。1-摩擦副端面之間泄漏點;2-補(bǔ)償環(huán)輔助密封圈處泄漏點;3-非補(bǔ)償環(huán)輔助密封圈處泄漏點;4-箱體與底座結(jié)合端面間泄漏點;5-軸套與旋轉(zhuǎn)軸之間泄漏點;6-環(huán)本身滲漏點;7-鑲嵌件配合面處泄漏點圖1 機(jī)械密封的泄漏通道我們設(shè)計的釜用機(jī)械密封多為雙端面、非平衡型,密封腔內(nèi)的密封液壓力比介質(zhì)壓力高出0.10.2MPa。介質(zhì)端密封面泄漏到介質(zhì)端設(shè)有的液盒,其容積可容納單釜使用周期內(nèi)密封正常泄漏量(單面5mL/h),可利用釜內(nèi)壓力將其排出。1.1 摩擦副端面之間泄漏(1)端

4、面不平:端面平面度、粗糙度未達(dá)到要求,或在使用前受到了損傷,因而產(chǎn)生泄漏。這時應(yīng)重新研磨拋光或更換密封環(huán)。一般密封端面平面度不大于0.9 m;金屬材料2000年第2期羅忠新等:石油化工釜用機(jī)械密封的失效分析與對策No.2,2000密封端面粗糙度不低于0.2 m;非金屬材料密封端面粗糙度不低于0.4 m。工作端面平面度可用平晶檢查光干涉帶;(2)端面間存在異物:污物未被清除,裝配時未清洗。此時需清除端面污物重新裝配;(3)安裝不正確。!安裝尺寸未達(dá)到圖紙設(shè)計要求,必須仔細(xì)閱讀安裝說明書及附圖,重新調(diào)整安裝尺寸;非補(bǔ)償環(huán)安裝傾斜,若為壓蓋安裝偏斜,應(yīng)重新安裝。同時檢查密封環(huán)端面與壓蓋端面各點的距離

5、是否一致,防轉(zhuǎn)銷是否進(jìn)入密封環(huán)的凹槽中、是否頂?shù)桨疾鄣撞俊？傃b時壓蓋螺釘要均勻鎖緊;#端面變形,碳石墨環(huán)彈性模量低,易變形;一般說來,碳石墨環(huán)端面變形原因是:a.合成橡膠O形圈在介質(zhì)中溶脹,體積增大,碳環(huán)受壓而使端面變形。對此,應(yīng)根據(jù)介質(zhì)性質(zhì)更換O形圈;b.箱體內(nèi)夾雜金屬碎片或污垢,局部受載。對此,須清除碎片,清洗箱體、底座;c.端面分離,彈簧阻塞,如因溫度變化引起介質(zhì)結(jié)晶、積垢,造成端面不能很好地貼合,彈簧被腐蝕而喪失強(qiáng)度也將產(chǎn)生同樣的結(jié)果。對于因腐蝕而產(chǎn)生的泄漏,一般需要改用合適的材料。造成端面分離的情況還有:端面接觸壓力不足,這是因為軸(或軸套)與密封圈之間摩擦阻力過大使閉合力減小。阻力

6、增加是因為橡膠O形圈溶脹引起密封環(huán)卡滯;軸可能因點腐蝕或電偶腐蝕而失去光滑的表面,從而增加摩擦力或密封圈的壓縮量過大,當(dāng)軸竄動時,補(bǔ)償環(huán)隨軸竄動致使密封端面不閉合;補(bǔ)償環(huán)組件與軸的間隙過小(高溫工況下,用線膨脹系數(shù)不同的材料組合在一起使用時,補(bǔ)償環(huán)組件容易產(chǎn)生卡滯故障)。對此,必須校核因溫升引起的間隙減小量;軸必須具有合適的粗糙度。我們一般將軸與軸套配合部分進(jìn)行磨削加工,確保精度;設(shè)備與儀表(4)機(jī)械密封腔內(nèi)密封液不潔凈,應(yīng)嚴(yán)格控制密封液中的雜質(zhì),定期更換密封液。1.2 補(bǔ)償環(huán)輔助密封圈處的泄漏(1)輔助密封圈質(zhì)量問題,如橡膠密封圈斷面尺寸超差,壓縮率不符合要求,表現(xiàn)質(zhì)量問題:錯位、開模縮裂、

7、修邊過量、流痕、凹凸缺陷、飛邊過大等;此時,需用合格品替換;(2)密封圈安裝時受到損傷,如聚四氟乙烯V形圈安裝時唇口被割傷,橡膠制件表面有劃痕,都是密封失效的常見原因。出現(xiàn)這種情況,多半是軸端未倒角或殘留毛刺不清潔所致;要注意清除毛刺和保持清潔,軸上的鍵槽也會損傷密封圈,安裝時應(yīng)使用專用工具,避免密封圈受到損傷;(3)軸表面有缺陷或有腐蝕、麻點、凹坑,應(yīng)更換新軸或軸材料,推薦在密封圈接觸部位的軸表面鍍鉻或噴涂陶瓷;(4)密封圈的材質(zhì)與介質(zhì)不相容,應(yīng)重新選用適宜的密封圈材料;(5)還可通過調(diào)整軸的尺寸公差、形位公差及粗糙度或用合格品替換加以處理。1.3 非補(bǔ)償環(huán)密封圈處的泄漏(1)底座尺寸公差不

8、符合設(shè)計要求,應(yīng)更換合格品;(2)安裝錯誤,如聚四氟乙烯V形圈方向裝反,安裝時,其凹面應(yīng)向介質(zhì)端,否則會出現(xiàn)泄漏;(3)密封圈的質(zhì)量不良,應(yīng)用合格品替換;(4)密封圈的材質(zhì)與介質(zhì)不相容,應(yīng)選用適宜材料的密封圈。1.4 箱體與底座結(jié)合面之間的泄漏(1)箱體與底座配合端面有缺陷,如凹坑、刻痕等,需整修或采用應(yīng)急措施,可涂布液體密封膠;(2)螺栓力小,壓縮墊片或密封圈時不能把接觸面不平的凹坑填滿,需加大螺栓力,或用較軟的墊片(螺栓力必須大于內(nèi)部介質(zhì)壓力),因為內(nèi)壓總是使得密封底座與設(shè)備與儀表聚氯乙烯2000年第2期PolyvinylChlorideNo.2,2000良好,這就說明傳動部分具有良好的同

9、軸度。如果密封端面仍產(chǎn)生泄漏,就可能不是由密封本身問題引起的。若泄漏量為常數(shù),這就意味著泄漏不是發(fā)生在兩端面之間,有可能發(fā)生在其它部位上,如靜密封處。當(dāng)端面出現(xiàn)過寬的磨損,表明傳動部件的同軸度很差。傳動軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)密封件都要作軸向位移和徑向擺動,顯然在每一次轉(zhuǎn)動中,密封端面都趨向于產(chǎn)生輕微的分離和泄漏。造成同軸度差的原因:安裝對中調(diào)整不良、各零件加工精度不佳而造成累計誤差,連接螺栓孔加工不良引起軸線偏差、傳動軸直線度超差或加工后產(chǎn)生變形等。機(jī)械密封運(yùn)轉(zhuǎn)一段時間后,若摩擦端面沒有磨損痕跡,表明密封開始使用時就泄漏,有時,旋轉(zhuǎn)環(huán)相對于靜止環(huán)不旋轉(zhuǎn),而相對于底座旋轉(zhuǎn),這種情況下摩擦副端面也不會產(chǎn)生磨損

10、痕跡。其原因可能是防轉(zhuǎn)銷折斷,或是底座的孔徑小于密封件的外徑而安裝不到位所致。在密封端面上有光點而沒有磨痕,這表明端面已產(chǎn)生較大的翹曲變形。這是由于流體壓力過大、密封環(huán)剛度差、以及安裝不良等原因所致。硬質(zhì)環(huán)端面出現(xiàn)較深的溝槽,其原因主要是同軸度不良,或密封的浮動性不好。當(dāng)振動引起密封端面分離時,兩者之間有較大顆粒物質(zhì)入侵,假如顆粒嵌入較軟的碳質(zhì)端面內(nèi),軟質(zhì)環(huán)就象砂輪一樣磨削硬質(zhì)端面,造成硬質(zhì)端的過度磨損。在顆粒介質(zhì)中工作的機(jī)械密封其配對材料均采用硬質(zhì)端面,例如,硬質(zhì)合金與硬質(zhì)合金或與碳化硅配對為最箱體端面趨于分離,用聚四氟乙烯平墊片時,以厚度小于1mm為宜;(3)墊片或密封圈受到損傷,應(yīng)更換墊

11、片或密封圈;(4)安裝時不清潔,異物進(jìn)入其間,應(yīng)清除異物,受損傷的密封墊片、密封圈應(yīng)更換;(5)底座變形,這是因為底座剛度不夠而產(chǎn)生的變形,應(yīng)更換有足夠剛度的底座;(6)螺栓受力不均勻,底座單邊鎖緊,應(yīng)重新調(diào)整螺栓力。1.5 軸套與軸之間的泄漏軸套處的泄漏量通常是穩(wěn)定的,而從其它通道泄漏出的泄漏量往往是不恒定的(從端面泄漏,有時經(jīng)過磨合泄漏量可能會逐漸減小)。軸套與軸之間的泄漏,一般是由于安裝不當(dāng),密封圈或墊片不符合要求或損傷而造成的。1.6 密封件本身具有滲透性碳制品易于滲漏。這種滲漏不外乎是浸漬與固化未達(dá)到要求,或者是碳材料浸漬處理后加工切削余量過大,使微孔重新疏通而形成泄漏通道。為確保密

12、封件不滲漏,經(jīng)機(jī)械加工后的成品應(yīng)再進(jìn)行一次浸漬處理。如果從密封件處產(chǎn)生大量泄漏,表明密封件可能已破裂,此時應(yīng)查詢操作條件以判明是過載引起的破壞,還是安裝不當(dāng)所致。2 從失效形式分析故障原因首先,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(huán)、傳動件、加載彈性元件、輔助密封圈、防轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、緊固螺釘?shù)茸屑?xì)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(tǒng)等也應(yīng)進(jìn)行全面的檢查。此外,還要了解設(shè)備的操作條件,以及以往密封失效的情況。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行綜合分析,就會找出產(chǎn)生失效的根本原因。2.1 根據(jù)磨損痕跡分析故障原因磨損痕跡可以反映運(yùn)動和磨損情況。例如,摩擦副磨損痕跡均勻正常,各零件的配合

13、2000年第2期羅忠新等:石油化工釜用機(jī)械密封的失效分析與對策No.2,2000佳。因為顆粒無法嵌入任何一個端面,而是被磨碎后從兩端面之間通過。2.2 熱負(fù)荷對端面材料的損傷失效的機(jī)械密封,摩擦副端面常會留下很細(xì)的徑向裂紋,或者是徑向裂紋兼有水泡痕,甚至龜裂。這是由于密封過熱引起的,特別是陶瓷、硬質(zhì)合金密封面容易產(chǎn)生這類損傷。介質(zhì)潤滑性差、過載、操作溫度高、線速度高、配對材料組合不當(dāng)?shù)?其中任何因素,或者是幾種因素的疊加,都可以產(chǎn)生過大的摩擦熱,若摩擦熱不能及時散發(fā),就會產(chǎn)生熱裂紋。解決密封過熱問題,除改變端面面積比、減少載荷外,還可采用靜止型密封并加導(dǎo)流套強(qiáng)制將冷卻循環(huán)流體導(dǎo)向密封面,或在密

14、封端面上開流體動力槽來加以解決。表面噴涂硬質(zhì)材料的密封環(huán),無論是噴涂陶瓷還是硬質(zhì)合金,在熱負(fù)荷下其面層都有可能在基材上起鱗片或剝落。出現(xiàn)這種現(xiàn)象,說明密封出現(xiàn)過干摩擦。為消除這一現(xiàn)象,首先應(yīng)檢查密封的潤滑、冷卻是否充分、冷卻系統(tǒng)有無堵塞現(xiàn)象、操作是否得當(dāng),根據(jù)實際情況采取相應(yīng)的對策。2.3 腐蝕對密封組件的危害化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕對于機(jī)械密封的使用壽命是一個嚴(yán)重威脅。腐蝕對密封件的性能影響很大。由于密封件比主機(jī)的零件小,而且更精密,通常要選用比主機(jī)更耐腐蝕的材料。對于直接與介質(zhì)接觸的密封件,雖然可參閱有關(guān)腐蝕手冊中的數(shù)據(jù)選擇適宜的材料,但這些數(shù)據(jù)未必與機(jī)械密封系統(tǒng)中的使用條件相符,因為它們大多

15、是靜態(tài)條件下的腐蝕數(shù)據(jù),而工藝流程中的介質(zhì)更為復(fù)雜化。經(jīng)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(shù)規(guī)律增加。處理強(qiáng)腐蝕流體時,采用雙端面密封,可以最大限度減輕設(shè)備與儀表腐蝕對密封件的影響,因為它與工藝流體相接觸的零件數(shù)量少。這也是在強(qiáng)腐蝕條件下,選擇密封結(jié)構(gòu)的一條最重要的原則。2.4 橡膠密封圈的失效機(jī)械密封用輔助密封圈,以采用合成橡膠O形圈較多。機(jī)械密封失效約有三分之一是因為O形圈失效而引起的。其失效表現(xiàn)為!老化;永久變形;#溶脹變形;扭曲及擠出損傷。因此,在選用O形圈應(yīng)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(dāng)提高硬度,采用溝槽式的裝配結(jié)構(gòu);通過沉浸試驗合理選材,必要時選用復(fù)合材料,如橡膠包覆聚四氟乙烯密封圈;安裝時,應(yīng)在槽內(nèi)涂以潤滑脂,保證其滾動自如。2.5 彈簧的失效在使用中,機(jī)械密封的彈簧失效形式有:永久變形、斷裂、腐蝕、蠕變或松弛等。國外資料認(rèn)為,彈簧的工作應(yīng)力不應(yīng)超過其材料的0.3 b(抗拉強(qiáng)度)。2.6 密封傳動件的