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雙端面機(jī)械密封泄漏原因及改進(jìn)措施

發(fā)布時(shí)間：2023-04-14

王潔　王寶貴

導(dǎo)　語：介紹某型反應(yīng)釜用帶軸套整裝式雙端面機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)及工作原理，結(jié)合實(shí)際工況，分析了其失效原因(如O形圈材質(zhì)選用不合理，攪拌同軸度偏大，密封面變形)，提出了改進(jìn)措施及使用中的注意事項(xiàng)。

1　機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)與工作原理

帶軸套整裝式雙端面機(jī)械密封是一種無須調(diào)整動(dòng)環(huán)彈簧壓縮量、裝配簡便的機(jī)械密封形式。該機(jī)械密封適用于強(qiáng)腐蝕、高溫，帶懸浮顆粒及纖維介質(zhì)，氣體介質(zhì)，易燃易爆、易揮發(fā)、低粘度介質(zhì)，保障高真空度工況的密封。該機(jī)械密封結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 帶軸套整裝式雙端面機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

當(dāng)攪拌軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其帶動(dòng)機(jī)械密封軸套以及固定在機(jī)械密封軸套上的動(dòng)環(huán)組件同步轉(zhuǎn)動(dòng)，靠動(dòng)環(huán)組件和上、下靜環(huán)面之間的貼合達(dá)到密封效果。密封面一側(cè)是密封腔室，另一側(cè)是反應(yīng)釜內(nèi)環(huán)境。在正常工作狀態(tài)下，通過外部提供密封液至平衡罐，保持密封液液位在平衡罐液位計(jì)的中線，并確保平衡罐內(nèi)密封液壓力(即密封液腔內(nèi)壓力)高于釜內(nèi)壓力0.05~0.10MPa。若密封液壓力過高，則動(dòng)、靜環(huán)摩擦面易加速磨損;若密封液壓力過低，則反應(yīng)釜內(nèi)物料易泄漏。

2　故障分析

2.1 故障狀況

某反應(yīng)釜均采用帶軸套整裝式雙端面機(jī)械密封，該機(jī)械密封軸徑為210mm，工作轉(zhuǎn)速為100r/min，工作壓力為-0.5~1.0MPa，工作溫度為0~80℃，主要起密封作用的是機(jī)械密封組件，見圖2。

圖2 機(jī)械密封組件

動(dòng)環(huán)密封面材質(zhì)為SiC，靜環(huán)密封面材質(zhì)為井口KC-673石墨，與物料接觸的下動(dòng)環(huán)O形圈、上靜環(huán)O形圈、軸套O形圈材質(zhì)為聚四氟乙烯報(bào)復(fù)硅橡膠，其余O形圈材質(zhì)均為丁腈橡膠。該機(jī)械密封的密封液采用軟水，釜內(nèi)介質(zhì)主要是聚乙烯等有機(jī)物料。隨著釜內(nèi)反應(yīng)的進(jìn)行，釜內(nèi)壓力持續(xù)升高，從-0.5MPaZ高達(dá)到1.0MPa。在理想狀態(tài)下，機(jī)械密封平衡罐壓力失重高于釜內(nèi)壓力0.05~0.10MPa;但實(shí)際生產(chǎn)中，由于該機(jī)械密封Z高使用壓力為2.6MPa，為了操作簡便，規(guī)定其密封液壓力從投料至反應(yīng)結(jié)束保持恒定1.1MPa。

自2006年投入使用后，該機(jī)械密封的泄漏問題就較為嚴(yán)重，可以從機(jī)械密封泄漏液口處看到，泄漏較大時(shí)每隔2min便有1滴(約6ml)水漏出，平衡罐水位下降量為10~20mm/h，大大超過了機(jī)械密封允許泄漏量[≤5ml/h(單側(cè))]的要求。其內(nèi)外漏同時(shí)存在，須不斷地補(bǔ)充密封液(正常情況下無須補(bǔ)充密封液)。在反應(yīng)前期，釜內(nèi)壓力較低時(shí)泄漏量較大;后期反應(yīng)釜內(nèi)壓力較高時(shí)，泄漏量較小。

機(jī)械密封泄漏故障的發(fā)生，不僅加大了操作強(qiáng)度，同時(shí)由于釜內(nèi)物料是有毒有害、易燃易爆的氣液混合物質(zhì)氯乙烯等，也影響了裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 故障分析

從機(jī)械密封材質(zhì)選擇、現(xiàn)場工藝操作狀況等多方面考慮，判斷機(jī)械密封發(fā)生泄漏的原因主要有以下幾個(gè)方面。

2.2.1 機(jī)械密封O形圈材質(zhì)選用不合理

該機(jī)械密封上靜環(huán)、下動(dòng)環(huán)與軸套上的O形圈材質(zhì)采用了聚四氟乙烯包覆硅橡膠。聚四氟乙烯耐腐蝕性能較好，但包覆聚四氟乙烯在受壓后，回彈堵塞能力較差，容易永久變形，使O形圈在動(dòng)靜環(huán)座、軸套等密封溝槽裝配上產(chǎn)生間隙，從而使密封失效。因此在實(shí)際使用中，在釜內(nèi)壓力偏低的情況下，機(jī)械密封泄漏量較大，而當(dāng)釜內(nèi)壓力不斷升高時(shí)，機(jī)械密封泄漏量逐漸減小，便很可能是這個(gè)原因。

該機(jī)械密封O形圈大部分采用了丁腈橡膠(如動(dòng)環(huán)組件O形圈)，丁腈橡膠的缺點(diǎn)是不耐臭氧、芳香族、鹵代烴、酮及脂類溶劑，反應(yīng)釜內(nèi)的鹵代烴物質(zhì)氯乙烯會(huì)使丁腈橡膠產(chǎn)生溶脹，導(dǎo)致O形圈失效。

2.2.2 攪拌同軸度偏大

根據(jù)該型號(hào)機(jī)械密封的技術(shù)要求，機(jī)械密封安裝后，釜軸的徑向跳動(dòng)量應(yīng)≤0.1mm，而密封箱體下部軸跳動(dòng)量實(shí)際測量值為0.15mm，攪拌軸同軸度偏差較大。

造成攪拌軸同軸度偏差大的原因很多，包括攪拌裝置的安裝對(duì)中調(diào)整不良、各部件加工精度不高而造成的累積誤差、反應(yīng)釜釜體水平調(diào)整不良、攪拌軸產(chǎn)生應(yīng)力變形等。

同軸度偏差越大，攪拌軸在每次軸向位移和徑向擺動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)中，密封面產(chǎn)生的分離和泄漏量就越大，密封面的磨痕也越寬。

2.2.3 密封面變形

更換了泄漏機(jī)械密封的動(dòng)、靜環(huán)組件后，泄漏問題依然存在。再次拆卸后發(fā)現(xiàn)，密封面上有光點(diǎn)而沒有磨痕，故判斷該密封面發(fā)生了變形。

該機(jī)械密封工作轉(zhuǎn)速低，且一直伴有循環(huán)水�鶇s，可以排除因密封面摩擦生熱、溫度升溫而導(dǎo)致的變形。經(jīng)分析認(rèn)為，動(dòng)、靜環(huán)在長時(shí)間儲(chǔ)存下，密封面會(huì)發(fā)生輕微應(yīng)力變形，在檢修裝配使用之后，動(dòng)、靜環(huán)密封面無法緊密貼合，密封面之間不易形成液膜，不能起到潤滑密封面和阻止介質(zhì)泄漏的作用。

2.2.4 檢修、裝配、運(yùn)輸過程操作不嚴(yán)謹(jǐn)

對(duì)檢修過后依然泄漏的機(jī)械密封進(jìn)行解體后發(fā)現(xiàn)，其下靜環(huán)石墨密封面內(nèi)緣有大量?缺口。造成這種故障Z可能的原因是：在裝配機(jī)械密封時(shí)，敲擊用力過大或運(yùn)輸過程中碰撞嚴(yán)重。

2.2.5 操作不規(guī)范

機(jī)械密封作為精密組件，不僅檢修要求嚴(yán)謹(jǐn)，而且操作須非常規(guī)范。也曾因操作不規(guī)范發(fā)生泄漏情況，主要體現(xiàn)在如下方面。

(1) 機(jī)械密封投用前沒有補(bǔ)償密封液，密封液壓力低于釜內(nèi)壓力，平衡罐液位在液位計(jì)中線以下。

(2) 沒有對(duì)機(jī)械密封進(jìn)行冷卻，密封面過熱。

(3) 投用前，沒有排掉密封腔內(nèi)的空氣，密封液不能充分潤滑、冷卻密封面。

3　改進(jìn)措施

(1) 將機(jī)械密封所有O形圈均更換為氟橡膠材質(zhì)。氟橡膠具有高度的化學(xué)穩(wěn)定性，是目前所有彈性體重耐介質(zhì)性Z好的一種，能耐石油基油類、雙脂類油、硅醚油、無機(jī)酸，耐大部分有機(jī)、無機(jī)溶劑等。如相見還具有較好的耐老化性能、優(yōu)良的力學(xué)性能，可抗2~7MPa的撕裂強(qiáng)度，具有很好的耐高溫性能，可在250℃以下長期使用。為了保證生產(chǎn)的安全穩(wěn)定，在機(jī)械密封等重要零部件上，應(yīng)該采用進(jìn)口氟橡膠材質(zhì)的O形圈。

(2) 校對(duì)了反應(yīng)釜的水平、檢查緊固了攪拌裝置支架的螺絲等。為了控制攪拌軸的同軸度≤0.1mm，對(duì)機(jī)械密封軸承游隙進(jìn)行調(diào)整。一般情況下，在運(yùn)轉(zhuǎn)精度較高，須嚴(yán)格限制徑向位移時(shí)，宜采用較小的游隙組。

該型機(jī)械密封采用進(jìn)口的SKF雙列圓錐滾子軸承32940X，該軸承徑向原始游隙為0.10mm，其游隙可以在安裝或使用中調(diào)整。反應(yīng)釜的同軸度實(shí)測值(0.15mm)比該機(jī)械密封的要求(0.1mm)大0.05mm，為保證較高的運(yùn)轉(zhuǎn)精度，滿足機(jī)械密封的使用要求，將該軸承的徑向原始游隙減小0.05mm，即調(diào)整為0.06mm。因機(jī)械密封工作轉(zhuǎn)速低(僅100r/min)，徑向游隙的調(diào)整對(duì)軸承的使用壽命影響不大。

(3) 在使用長期備用的動(dòng)、靜環(huán)等部件之前，須對(duì)其進(jìn)行一次研磨，確保兩密封面完全接觸貼合(一般密封端面平面度不大于0.9μm)。在日常備用時(shí)，應(yīng)將機(jī)械密封的密封面放置在平整、無重壓、溫差變化不大的位置。

(4) 加強(qiáng)檢修過程的管理和控制。必須確保檢修環(huán)境整潔，在裝配機(jī)械密封時(shí)，不準(zhǔn)使用鐵榔頭等硬物敲擊;所有零部件均用煤油清洗并抹干后均勻按壓安裝到位，如果遇到某些難以安裝到位的情況，則可在墊上抹布后用木榔頭輕輕敲擊;所有氟橡膠O形圈和彈簧均不能涂抹黃油，以免黃油污染密封液，影響密封面的潤滑效果(氟橡膠O形圈潤滑可采用硅油);在機(jī)械密封儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程中，應(yīng)用塑料布包好，并放置于塞滿泡沫的木箱內(nèi)，安裝時(shí)運(yùn)輸至檢修現(xiàn)場，防止在運(yùn)輸過程中顛簸。

(5) 針對(duì)該機(jī)械密封滿足2.6MPa的使用設(shè)計(jì)壓力，可將機(jī)械密封的密封液壓力一次性加壓調(diào)至1.1MPa，并保持不變。從理論上講，保持密封液壓力始終高于釜內(nèi)壓力0.05~0.1MPa，對(duì)于機(jī)械密封的使用壽命是有效得。但從實(shí)際操作上講，將每平衡罐內(nèi)壓力一次性調(diào)節(jié)到位，可以減少操作誤差，并減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

對(duì)于一些誤操作(如未開冷卻水，機(jī)械密封使用前未排放密封腔空氣，未補(bǔ)充密封液)：一方面下發(fā)操作規(guī)程，對(duì)這些關(guān)鍵事項(xiàng)進(jìn)行重點(diǎn)學(xué)習(xí)，提高員工的使用維護(hù)意識(shí);另一方面加強(qiáng)巡檢，將機(jī)械密封的使用狀況進(jìn)行臺(tái)賬登記。

4　注意事項(xiàng)

為了保證機(jī)械密封的良好使用性能，在使用過程中須注意以下幾點(diǎn)。

(1) 在機(jī)械密封使用1個(gè)月后，應(yīng)更換密封液。

(2) 機(jī)械密封停用時(shí)間不應(yīng)過長，若停用超過72h，應(yīng)對(duì)機(jī)械密封平衡罐進(jìn)行泄壓，待機(jī)械密封下次使用時(shí)再加壓。

(3) 機(jī)械密封冷卻水管和密封液循環(huán)管的配管應(yīng)全部采用氬弧焊，并保證管路內(nèi)無雜質(zhì)，密封液循環(huán)管直徑不小于10mm。

(4) 在檢修過程中，所有O形圈的潤滑應(yīng)避免采用潤滑脂，防止?jié)櫥�脂進(jìn)入密封腔而影響密封效果，建議采用硅油。

(5) 每次檢修后，使用加壓之前，應(yīng)排出密封腔內(nèi)的空氣。

(6) 對(duì)于機(jī)械密封內(nèi)部雙列圓錐滾子軸承的潤滑，應(yīng)每6個(gè)月加注1次潤滑脂。

5　改進(jìn)效果

機(jī)械密封改進(jìn)后使用至今，未發(fā)生泄漏，大大降低了檢修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了檢修費(fèi)用，設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性明顯提高。

（來源：氯堿工業(yè)）