一般來(lái)說(shuō)，軸封是流體機(jī)械的薄弱環(huán)節(jié)，它的失效是造成設(shè)備維修的主要原因。對(duì)機(jī)械密封的失效原因進(jìn)行分析，常常能找到合理排除故障的最佳方案，從而提高流體機(jī)械運(yùn)行的可靠性。

在流體機(jī)械中，當(dāng)整個(gè)機(jī)械密封發(fā)生泄漏時(shí)，就可以認(rèn)為已經(jīng)失效。機(jī)械密封失效的主要標(biāo)志是:

泄漏量為多少時(shí)才算超標(biāo)呢?根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般接觸式機(jī)械密封的泄漏量超出理論值的250倍時(shí)，可認(rèn)為機(jī)械密封失效。但有毒、易爆和易燃等介質(zhì)，泄漏量即使很小時(shí)，就可認(rèn)為密封失效。

在密封件處于正常工作位置，僅從外界就可以觀察和發(fā)現(xiàn)到的密封失效或即將失效前的常見(jiàn)特征有以下幾種。

泄漏是機(jī)械密封失效的主要表現(xiàn)形式。在實(shí)際工作中，可以從泄漏現(xiàn)象分析機(jī)械密封產(chǎn)生泄漏的原因。外裝式密封的泄漏便于觀察，而對(duì)于內(nèi)裝式密封，只能見(jiàn)到泄漏是來(lái)自靜止環(huán)的外周或內(nèi)周，給分析工作帶來(lái)一定困難。下面對(duì)普通內(nèi)裝式機(jī)械密封的典型泄漏通道(泄漏點(diǎn)，如圖13一1所示)進(jìn)行分析，如表13一1所述。

在某些場(chǎng)合下，可以觀察到密封周?chē)Y(jié)有冰層，這是由于被密封介質(zhì)泄漏，并發(fā)生泄漏介質(zhì)的汽化或閃蒸。此情況下應(yīng)注意結(jié)冰可能會(huì)擦傷密封端面，尤其是石墨環(huán)。

在密封工作時(shí)，有時(shí)可以聽(tīng)到密封發(fā)出爆鳴聲，這也是由于密封端面間介質(zhì)產(chǎn)生汽化或閃蒸。改善的措施主要是為密封提供可靠的工作環(huán)境，包括在密封的許可范圍內(nèi)提高密封腔壓力、安裝或改善旁路沖洗系統(tǒng)、降低介質(zhì)溫度、加強(qiáng)密封端面的冷卻等。

密封端面潤(rùn)滑狀態(tài)不佳時(shí)，可能產(chǎn)生尖叫，在這種狀態(tài)下運(yùn)行，將導(dǎo)致密封端面磨損嚴(yán)重，并可能導(dǎo)致密封環(huán)裂碎等更為嚴(yán)重的失效。此時(shí)應(yīng)設(shè)法改善密封端面的潤(rùn)滑狀態(tài)，如設(shè)置或加大旁路沖洗等。

在密封工作時(shí)，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)石墨粉聚集在密封面的外側(cè)，其中的主要原因可能是密封端面潤(rùn)滑不佳，或者密封端面間液膜汽化或閃蒸而殘留下某些物質(zhì)，并造成石墨環(huán)的磨損加劇。此時(shí)應(yīng)考慮改善潤(rùn)滑或盡量避免閃蒸出現(xiàn)。

可能的原因是整個(gè)密封面產(chǎn)品汽化或閃蒸。糾正措施是設(shè)法使產(chǎn)品保持在一定的狀況:

密封壽命縮短，可能是密封流體介質(zhì)中含有顆粒，造成劇烈磨損，可以利用沖洗措施使顆粒保持運(yùn)動(dòng)，減少在密封區(qū)內(nèi)的沉積。如果是由于產(chǎn)品冷卻結(jié)晶或部分固化，則可增大沖洗量趕走顆粒或加熱也可緩解此問(wèn)題。若是由于設(shè)備和管線受力不在一條直線上，則可采取措施保證設(shè)備和管線受力在一條直線上。若是密封運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)太熱，應(yīng)檢查所有冷卻管線，增大冷卻液流量或加沖洗管線，檢查節(jié)流套間隙和密封元件與軸封箱或底套摩擦生熱，應(yīng)保持合適的間隙。若是密封件由于腐蝕或過(guò)熱而損壞，導(dǎo)致密封壽命短，檢查密封型式或材料是否能滿足要求。

對(duì)失效的機(jī)械密進(jìn)行拆卸、解體時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)密封失效的型式多種多樣。常見(jiàn)的有機(jī)械損壞、腐蝕損壞和熱損壞。

機(jī)械損壞的主要形式是磨損，其中包括其他由于機(jī)械強(qiáng)度不夠造成的各種形式的損壞。

在機(jī)械密封中，純粹因端面的長(zhǎng)期磨損而失效的情況并不多見(jiàn)，但是因選材不當(dāng)，碳石墨環(huán)的高磨損的情況也較常見(jiàn)。有些工作人員認(rèn)為密封端面材料的硬度越高越耐磨，無(wú)論何種況，軟環(huán)材料均選擇硬質(zhì)碳石墨；然而，有些工況卻并非如此。在介質(zhì)潤(rùn)滑性能差、易產(chǎn)生干摩擦的場(chǎng)合如輕烴介質(zhì)，采用硬質(zhì)碳石墨如M106K ，會(huì)導(dǎo)致其磨損速率高，而采用軟質(zhì)的高純電化石墨，其磨損速率會(huì)很小。原因是由石墨晶體構(gòu)成的軟質(zhì)石墨在運(yùn)轉(zhuǎn)期間會(huì)有一層極薄的石墨膜向?qū)ε技砻孓D(zhuǎn)移，使其摩擦面得到良好潤(rùn)滑而具有優(yōu)良的低摩擦性能。

碳石墨的選用是有限制的。當(dāng)介質(zhì)中固體顆粒含量超過(guò)5%時(shí)，碳石墨不宜作單端面密封的組對(duì)材料，也不宜作串聯(lián)布置的主密封環(huán)。否則，密封端面會(huì)出現(xiàn)高磨損。當(dāng)被密封介質(zhì)中含有固體顆粒時(shí)，密封環(huán)的組對(duì)材料均采用硬質(zhì)材料。如硬質(zhì)合金與硬質(zhì)合金或與碳化硅組對(duì)。

根據(jù)端面的摩擦副磨損痕跡，可判斷出密封的運(yùn)行情況。當(dāng)端面摩擦副磨損痕跡均勻正常，各零件的配合良好，這說(shuō)明機(jī)器具有良好的同軸度；如果密封仍發(fā)生泄漏，則可能不是由密封本身問(wèn)題引起的。當(dāng)端面出現(xiàn)過(guò)寬的磨損，表明機(jī)器的同軸度很差。當(dāng)出現(xiàn)的磨損痕跡寬度小于窄環(huán)環(huán)面寬度時(shí)，這意味著密封受到過(guò)大的壓力，使密封面呈現(xiàn)弓形。在密封面上有光點(diǎn)而沒(méi)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(guò)大、密封環(huán)剛度差以及安裝不良等原困所致。如果硬質(zhì)環(huán)端面出現(xiàn)較深的環(huán)狀紋路溝槽，其原因主要是聯(lián)軸器對(duì)中不良，或密封的追隨性不好，當(dāng)振動(dòng)引起端面分離時(shí)，兩者之間有較大顆粒物質(zhì)入侵，顆粒嵌人較軟的碳石墨環(huán)端面內(nèi)，軟質(zhì)環(huán)就像砂輪一樣磨削硬質(zhì)環(huán)端面，造成硬質(zhì)端面的過(guò)度磨損。

機(jī)械密封運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，若摩擦端面沒(méi)有磨損痕跡，表明密封開(kāi)始時(shí)就存在泄漏，泄漏介質(zhì)被氧化并沉積在補(bǔ)償環(huán)密封圈的附近，阻礙了補(bǔ)償環(huán)作補(bǔ)償位移，這是產(chǎn)生泄漏的原因。黏度較高的高溫流體，若不斷地泄漏，最易出現(xiàn)這種情況。端面無(wú)磨損痕跡的另一種可能就是摩擦端面已經(jīng)壓合在一起而無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)發(fā)生在另外的部位。

圖13一2發(fā)生的磨損損壞通常是由于固體顆粒侵入密封面間，首先使軟環(huán)密封面磨損，但有時(shí)固體顆粒嵌入軟密封中而使硬密封面受到顆粒磨損。圖13一3所示石墨靜環(huán)發(fā)生嚴(yán)重磨損，致使靜環(huán)座亦發(fā)生磨損，旋轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)嵌入靜環(huán)座達(dá)數(shù)毫米。措施：通常若介質(zhì)中固體顆粒的濃度達(dá)5%以上時(shí)應(yīng)采用硬對(duì)硬摩擦副。

密封流體對(duì)密封元件會(huì)造成沖蝕磨損。原因：在高壓差(約30個(gè)大氣壓以上)重負(fù)荷密封中出現(xiàn)，高壓差會(huì)使密封面翹起造成流體對(duì)密封面的沖蝕(圖13一4所示)。同樣，在特別高的周速下出現(xiàn)泄漏也會(huì)將密封面的結(jié)合材料(軟環(huán))沖刷掉(圖13一5)以及如圖13一6、13一7所示的磨損。

為防止此類(lèi)磨損，應(yīng)使循環(huán)液量合適及合理布置其引入處。

由于O形圈與軸套之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生軸套磨損(圖13一8)。原因：機(jī)加工誤差、軸向竄動(dòng)以及環(huán)座傾斜所致。另外，因介質(zhì)內(nèi)的固體顆粒(或其他固體顆粒)嵌入O形圈而致使軸套磨損及O形圈損壞(圖13一9)。

因產(chǎn)品側(cè)密封空間內(nèi)固體顆粒(尤其是纖維物質(zhì))的積聚而使O形圈阻塞(圖13一10)。另外，因介質(zhì)閃蒸逸出物在大氣側(cè)的緩慢沉積而使密封面不能保持緊密接觸。

圖13一11所示為傳動(dòng)螺釘與傳動(dòng)套之間的磨損，一般發(fā)生在頻繁開(kāi)停工況下，致使彈性元件失去彈性補(bǔ)償作用甚至密封面不能緊密貼合而失效。措施：采用圖13一12的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。有時(shí)，因摩擦扭矩導(dǎo)致橡膠波紋管與密封環(huán)脫離(圖13一13)。

因劇烈振動(dòng)及干運(yùn)轉(zhuǎn)而造成金屬波紋管在焊接處開(kāi)裂(圖13一14)，可采取圖13一15所示撥叉?zhèn)鲃?dòng)結(jié)構(gòu)來(lái)避免。

機(jī)械密封因腐蝕引起的失效為數(shù)不少，而構(gòu)成腐蝕的原因錯(cuò)綜復(fù)雜。機(jī)械密封常遇到的腐蝕形態(tài)及需考慮的影響因素有以下幾種。

圖13一16所示，腐蝕為發(fā)生在零件接觸介質(zhì)表面的均勻腐蝕。表現(xiàn)為零件的重量減輕，失去強(qiáng)度，降低硬度，甚至?xí)勘桓g掉。彈簧、傳動(dòng)銷(xiāo)等構(gòu)件常會(huì)因全面腐蝕而減少直徑，然后因強(qiáng)度不足而斷裂，從而導(dǎo)致密封失效?？刹捎媚臀g材料(如不銹鋼)，可在表面形成氧化物或氫氧化物的保護(hù)膜，使金屬鈍化而不受腐蝕。

圖13一17所示，在金屬表面各處產(chǎn)生的劇烈腐蝕點(diǎn)，是腐蝕行為發(fā)生在構(gòu)件的局部區(qū)域，它具有多種表現(xiàn)型式，如選擇性腐蝕、應(yīng)力腐蝕、磨損腐蝕、縫隙腐蝕等，其危害比表面腐蝕更為嚴(yán)重。例如，鈷基硬質(zhì)合金應(yīng)用于高溫強(qiáng)堿中時(shí)，粘接相金屬鉆就易被有選擇地腐蝕掉，硬質(zhì)相碳化鎢骨架失去強(qiáng)度，在機(jī)械力的作用下產(chǎn)生了晶粒剝落，結(jié)果導(dǎo)致密封端面的嚴(yán)重受損而失效。又如，反應(yīng)燒結(jié)碳化硅在強(qiáng)堿中因游離硅被腐蝕而表面呈現(xiàn)麻點(diǎn)。采用不銹鋼時(shí)，鈍化后的氧化鉻保護(hù)膜局部破壞而產(chǎn)生的腐蝕，其破壞作用比均勻腐蝕更危險(xiǎn)。措施：在金屬成分中限制鉻的含量而增加鎳和銅。

 一般發(fā)生在銅焊碳化鎢環(huán)的支撐材料，僅發(fā)生在金屬的晶界面上如圖13一18、圖13一19所示。其重量腐蝕率很小，但能深深地腐蝕到金屬的內(nèi)部，且易因缺口效應(yīng)而引起切斷損壞。對(duì)奧氏體不銹鋼，在450~850℃之間發(fā)生，在晶界處有碳化鉻析出，使其喪失惰性。措施：在1050℃下進(jìn)行熱處理，使鉻固熔化而均勻地分布在奧氏體基體中。

應(yīng)力腐蝕是金屬材料在腐蝕介質(zhì)和應(yīng)力的共同作用下，產(chǎn)生裂紋或發(fā)生斷裂的觀象。金屬焊接波紋管、彈簧、傳動(dòng)套的傳動(dòng)耳環(huán)等機(jī)械密封構(gòu)件最易因產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕而失效。圖13一20所示為縱向縫焊軋制的金屬波紋管產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕，是金屬材料在承受應(yīng)力狀態(tài)下處于腐蝕環(huán)境中產(chǎn)生的腐蝕現(xiàn)象。易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的材料有鋁合金、銅合金、鋼及奧氏體不銹鋼。一般應(yīng)力腐蝕都是在高拉應(yīng)力下產(chǎn)生，先表現(xiàn)為溝痕、裂紋，最后斷裂。

圖13一21所示為機(jī)械密封動(dòng)環(huán)密封面內(nèi)孔處由于窄縫處沉積而產(chǎn)生的縫隙腐蝕情況，是一種濃差電池腐蝕。一般產(chǎn)生在兩個(gè)零件靠近的狹窄縫隙部位(如動(dòng)環(huán)與軸套縫隙內(nèi))。在機(jī)械密封O形環(huán)附近經(jīng)?？砂l(fā)現(xiàn)此腐蝕現(xiàn)象。機(jī)械密封彈簧座與軸之間，補(bǔ)償環(huán)輔助密

封圈與軸之間(當(dāng)然此處還存在微動(dòng)腐蝕)出現(xiàn)的溝槽或點(diǎn)蝕即是典型的例子。補(bǔ)償環(huán)輔助密封圈與軸之向出現(xiàn)的腐蝕溝槽，將可能導(dǎo)致補(bǔ)償環(huán)不能做軸向移動(dòng)而使其喪失追隨性，使端面分離而泄漏。原因：介質(zhì)流動(dòng)時(shí)受到窄縫的阻礙，生成惰性氧化物層，窄縫內(nèi)溶液因供氧不足，與間隙外的溶液之間形成濃差電池而在縫隙部分產(chǎn)生腐蝕。

圖13一22所示為機(jī)械密封的密封環(huán)銀焊料與鉻鋼之間電位差產(chǎn)生的電池腐蝕情況，是由于兩種金屬在電介質(zhì)中有電位差而產(chǎn)生電池作用。措施：應(yīng)盡量避免使用有電位差的兩種金屬組合使用的結(jié)構(gòu)。

另外，還有一種復(fù)合形式的磨損腐蝕損壞，是磨損與腐蝕交替作用而造成的材料破壞。磨損的產(chǎn)生可源于密封件與流體間的高速運(yùn)動(dòng)，沖洗液對(duì)密封件的沖刷，介質(zhì)中的懸浮固體顆粒對(duì)密封件的磨粒磨損。腐蝕的產(chǎn)生源于介質(zhì)對(duì)材料的化學(xué)及電化學(xué)的破壞作用。磨損促進(jìn)腐蝕，腐蝕又加速磨損，彼此交替作用，使得材料的破壞比單純的磨損或單純腐蝕更為迅速。磨損腐蝕對(duì)密封摩擦副的損害最為巨大，是造成密封過(guò)早失效的主要原因。用于化工過(guò)程裝備中的機(jī)械密封就經(jīng)常會(huì)遇到這種工況。

機(jī)械密封件因過(guò)熱而導(dǎo)致的失效，即為熱損傷失效，最常見(jiàn)的熱損傷失效有端面熱變形、熱裂、皰疤、炭化，彈性元件的失彈，橡膠件的老化、變形、龜裂等。

密封端面的熱變形有局部熱變形和整體熱變形。密封端面上有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)許多細(xì)小的熱斑點(diǎn)和孤立的變色區(qū)，這說(shuō)明密封件在高壓和熱影響下，發(fā)生了局部變形扭曲；有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)密封端面上有對(duì)稱(chēng)不連續(xù)的亮帶，這主要是由于不規(guī)則的冷卻，引起了端面局部熱變形。有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)密封端面內(nèi)側(cè)磨損很?chē)?yán)重，半徑越大接觸痕跡越淺，直至不可分辨。密封環(huán)的內(nèi)側(cè)棱邊可能會(huì)出現(xiàn)掉屑和蹦邊觀象。軸旋轉(zhuǎn)時(shí)密封持續(xù)泄漏，而軸靜止時(shí)不泄漏。這是因?yàn)槊芊庠诠ぷ鲿r(shí)，外側(cè)冷卻充分而內(nèi)側(cè)摩擦發(fā)熱嚴(yán)重，從而內(nèi)側(cè)熱變形大于外側(cè)熱變形，形成了熱變形引起的內(nèi)側(cè)接觸型(正錐角)端面。

硬質(zhì)合金、工程陶瓷、碳石墨等脆性材料密封環(huán)，有時(shí)端面上會(huì)出現(xiàn)徑向熱裂紋，從而使密封面泄漏量迅速增加，對(duì)偶件急劇磨損。圖13一23、圖13一24所示是在過(guò)大熱應(yīng)力作用下，密封面出現(xiàn)徑向裂紋及材料粘接轉(zhuǎn)移而失效，主要由于干摩擦、冷卻系統(tǒng)中斷、密封面間隙、壓力、速度波動(dòng)過(guò)大所致。結(jié)果：磨損加劇、泄漏量增大等。

在高溫環(huán)境下的機(jī)械密封，常會(huì)發(fā)現(xiàn)石墨環(huán)表面出現(xiàn)凹坑或皰疤(圖13一25)這是因?yàn)楫?dāng)浸漬樹(shù)脂石墨環(huán)超過(guò)其許用溫度時(shí)，樹(shù)脂會(huì)炭化分解形成硬粒和析出揮發(fā)物，形成疤痕，從而極大地增加摩擦力，并使表面損傷出現(xiàn)高泄漏。

高溫環(huán)境可能使彈性元件彈性降低，從而使密封端面的閉合力不足而導(dǎo)致密封端面泄漏嚴(yán)重。金屬波紋管的高溫失彈即是該類(lèi)機(jī)械密封的一種普遍而典型的失效型式。避免出現(xiàn)該類(lèi)失效的有效方法是選擇合理的波紋管材料及其進(jìn)行恰當(dāng)?shù)臒崽幚怼?/span>

高溫是橡膠密封件老化、龜裂和變形的個(gè)重要原因。橡膠老化，表現(xiàn)為橡膠變硬、強(qiáng)度和彈性降低，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂(圖13一26)和龜裂(圖13一27)，致使密封性能喪失。過(guò)熱還會(huì)使橡膠組分分解，甚至炭化。在高溫流體中，橡膠圈有繼續(xù)硫化的危險(xiǎn)，最終使其失去彈性而泄漏。橡膠密封件的變形通常比其他材料更為嚴(yán)重。密封圈長(zhǎng)期處于高溫之中，會(huì)變成與溝槽一樣的形狀，當(dāng)溫度保持不變，還可起密封作用；但當(dāng)溫度降低后，密封圈便很快收縮，形成泄漏通道而產(chǎn)生泄漏。因此，應(yīng)注意各種膠種的使用溫度，并應(yīng)避免長(zhǎng)時(shí)間在極限溫度下的使用。

以堿泵用機(jī)械密封為例，分析密封失效并提出改進(jìn)措施。

舉例：某石化股份公司的裂解車(chē)間的GA一230泵是DA一203塔底循環(huán)泵，該泵用機(jī)械密封為內(nèi)裝單端面非平衡型密封，自沖洗，彈性元件為彈簧，輔助密封元件為聚四氟乙烯O形圈。該機(jī)泵介質(zhì)為20%的NaOH堿液，溫度為45℃，入口壓力為0.9MPa，出口壓力為1.2MPa。該泵的任務(wù)是將經(jīng)裂解氣堿洗過(guò)的、濃度較高的堿液輸送到塔頂再循環(huán)使用，在開(kāi)車(chē)初期運(yùn)行狀況良好，但在運(yùn)行一段時(shí)間后常發(fā)生泄漏，維修頻率上升，增加了維修費(fèi)用和產(chǎn)品成本，影響了裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

失效狀況：將失效的密封部件解體后發(fā)現(xiàn)：

失效分析：根據(jù)機(jī)械密封失效的形式分析可知，該泵解體后密封面無(wú)劃痕和磨損，可排除密封面物理?yè)p傷方面的原因?？紤]到密封腔內(nèi)結(jié)晶物和銹皮較多，同時(shí)結(jié)合機(jī)械密封失效的表現(xiàn)型式，初步判定所輸送的介質(zhì)易結(jié)晶且具有腐蝕性是引起密封失效的主要原因，具體分析見(jiàn)表13一2所述。