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[摘 要]机械密封是化工设备最为主要的密封方式，机械密封是一种旋转轴用的接触式动密封，它是在流体介质和弹性元件的作用下，两个垂直于轴心线的密封端面紧贴着相对旋转，从而达到密封的要求。我们可以从端面膜形态的角度来解决机械密封的泄漏问题。
[关键词]化工设备 机械密封 泄漏问题
中图分类号：F416.45 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）12-0033-01
无泄漏是化工设备的永远追求，然而真正做到无泄漏还有很长的路要走，比如材料的使用寿命问题、孔蚀问题和可靠性问题等等。对于静密封来说，通常只有密封垫和密封圈两种形式，而密封圈又以O型圈应用最广；对于动密封，化工泵很少采用填料密封，以机械密封为主，机械密封又有单端面和双端面、平衡型和非平衡型之分，平衡型适用于高压介质的密封（通常指压力大于1.0MPa），双端面机封主要用于高温、易结晶、有粘度、含颗粒以及有毒挥发的介质，双端面机封应向密封腔中注入隔离液，其压力一般高于介质压力0.07—0.1MPa。
1 机械密封结构简介
机械密封和填料密封比较，机械密封具有密封可靠、寿命长、消耗功率低、使用范围广等优点。机械密封系指两块密封元件在其垂直于轴线的光洁而平直的表面上相互贴合，并作相对转动而构成密封的裝置。机械密封是一种旋转轴用的接触式动密封，它是在流体介质和弹性元件的作用下，两个垂直于轴心线的密封端面紧贴着相对旋转，从而达到密封的要求。它通常由静环、动环、弹簧加荷装置（包括推环、弹簧、弹簧座、固定螺钉，传动销）、辅助密封圈（动环密封圈和静环密封圈）等元件组成。防转销固定在压盖上，用以防止静环转动。
从结构来看，机械密封主要是将极易泄漏的轴向密封，改变为不易泄漏的端面密封。
因为机械密封具有密封性能可靠、泄漏量少、使用寿命长、功率损耗少、不需要经常维修等优点，且能满足生产自动化和高温、低温、高压、高真空、高速、各种易燃易爆、腐蚀性以及腐蚀性介质的密封要求，因此较其它密封获得更为迅速的发展和推广，越来越多地替代填料密封和其它密封。
2 机械密封泄露的主要原因
机械密封一般为内装式，常常需根据经验、现场观察及仪器测量分析来确定密封泄漏的原因。首先，弄清受损伤的密封件对密封性能的影响，然后依次对密封环、传动件、加载弹性元件、辅助密封圈、防转机构、紧固螺钉等仔细检查磨损痕迹。对附属件，如底座、轴套、密封腔体以及密封系统等也应进行全面的检查。
2.1 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，如静密封处。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。
2.2 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。
2.3 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。
2.4 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。
3 机械密封泄漏问题对策
机械密封之所以能够起密封作用是由于机械密封端面间存在着端面膜，而端面膜的形态又决定了密封的效果。由于工况的不同，机械密封端面间存在着液相、气液混相与气相等三种型式的端面膜。端面膜存在着不同形态的原因是被密封液体接近饱和状态时，出现沸腾或闪蒸，即发生相变。而端面膜一旦发生相变，膜的反压力就会发生较大变化，从而导致端面贴合不稳定。所以解决问题的关键是如何保证机械密封的端面膜为稳定膜。很显然，要确保端面膜为稳定膜，只需确保端面膜不发生相变或虽发生相变但不破坏端面的贴合。
基于以上原因的分析，机械密封设计和造型一定要结合生产实际情况，尽量选用密封可靠、寿命较长的摩擦副材料及静密封圈材料。如双端面机械密封内端接触介质，以选用耐蚀材料为主；外端不接触介质，以选用密封可靠性好的材料为主，如WC橡胶圈等，不一定追求内外端选材的一致性，这样既可以降低成本，又能增加密封可靠性。机械密封零件加工质量一定要严格要求，说明书及检修规程一定要特别定出机械密封的安装及使用技术要求，使工人有章可循。
一般机械密封在安装后都要经过静态和动态的试验，以确认机械密封安装正确，当发现有泄漏时，便于及时进行维修。另外，在正常运转时也可能突然出现泄漏，此时可以根据情况进行综合分析，确认导致机械密封泄漏的真正原因，便于解决。
参考文献
[1] 顾永泉.机械密封实用技术[M].北京：机械工业出版社，2002.
[2] 罗志新.石油化工釜用机械密封的失效分析与对策[J] 2000，（2）.
[3] 胡国桢.化工密封技术[M].北京：化学工业出版社，1990.
[关键词]化工设备 机械密封 泄漏问题
中图分类号：F416.45 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）12-0033-01
无泄漏是化工设备的永远追求，然而真正做到无泄漏还有很长的路要走，比如材料的使用寿命问题、孔蚀问题和可靠性问题等等。对于静密封来说，通常只有密封垫和密封圈两种形式，而密封圈又以O型圈应用最广；对于动密封，化工泵很少采用填料密封，以机械密封为主，机械密封又有单端面和双端面、平衡型和非平衡型之分，平衡型适用于高压介质的密封（通常指压力大于1.0MPa），双端面机封主要用于高温、易结晶、有粘度、含颗粒以及有毒挥发的介质，双端面机封应向密封腔中注入隔离液，其压力一般高于介质压力0.07—0.1MPa。
1 机械密封结构简介
机械密封和填料密封比较，机械密封具有密封可靠、寿命长、消耗功率低、使用范围广等优点。机械密封系指两块密封元件在其垂直于轴线的光洁而平直的表面上相互贴合，并作相对转动而构成密封的裝置。机械密封是一种旋转轴用的接触式动密封，它是在流体介质和弹性元件的作用下，两个垂直于轴心线的密封端面紧贴着相对旋转，从而达到密封的要求。它通常由静环、动环、弹簧加荷装置（包括推环、弹簧、弹簧座、固定螺钉，传动销）、辅助密封圈（动环密封圈和静环密封圈）等元件组成。防转销固定在压盖上，用以防止静环转动。
从结构来看，机械密封主要是将极易泄漏的轴向密封，改变为不易泄漏的端面密封。
因为机械密封具有密封性能可靠、泄漏量少、使用寿命长、功率损耗少、不需要经常维修等优点，且能满足生产自动化和高温、低温、高压、高真空、高速、各种易燃易爆、腐蚀性以及腐蚀性介质的密封要求，因此较其它密封获得更为迅速的发展和推广，越来越多地替代填料密封和其它密封。
2 机械密封泄露的主要原因
机械密封一般为内装式，常常需根据经验、现场观察及仪器测量分析来确定密封泄漏的原因。首先，弄清受损伤的密封件对密封性能的影响，然后依次对密封环、传动件、加载弹性元件、辅助密封圈、防转机构、紧固螺钉等仔细检查磨损痕迹。对附属件，如底座、轴套、密封腔体以及密封系统等也应进行全面的检查。
2.1 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，如静密封处。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。
2.2 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。
2.3 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。
2.4 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。
3 机械密封泄漏问题对策
机械密封之所以能够起密封作用是由于机械密封端面间存在着端面膜，而端面膜的形态又决定了密封的效果。由于工况的不同，机械密封端面间存在着液相、气液混相与气相等三种型式的端面膜。端面膜存在着不同形态的原因是被密封液体接近饱和状态时，出现沸腾或闪蒸，即发生相变。而端面膜一旦发生相变，膜的反压力就会发生较大变化，从而导致端面贴合不稳定。所以解决问题的关键是如何保证机械密封的端面膜为稳定膜。很显然，要确保端面膜为稳定膜，只需确保端面膜不发生相变或虽发生相变但不破坏端面的贴合。
基于以上原因的分析，机械密封设计和造型一定要结合生产实际情况，尽量选用密封可靠、寿命较长的摩擦副材料及静密封圈材料。如双端面机械密封内端接触介质，以选用耐蚀材料为主；外端不接触介质，以选用密封可靠性好的材料为主，如WC橡胶圈等，不一定追求内外端选材的一致性，这样既可以降低成本，又能增加密封可靠性。机械密封零件加工质量一定要严格要求，说明书及检修规程一定要特别定出机械密封的安装及使用技术要求，使工人有章可循。
一般机械密封在安装后都要经过静态和动态的试验，以确认机械密封安装正确，当发现有泄漏时，便于及时进行维修。另外，在正常运转时也可能突然出现泄漏，此时可以根据情况进行综合分析，确认导致机械密封泄漏的真正原因，便于解决。
参考文献
[1] 顾永泉.机械密封实用技术[M].北京：机械工业出版社，2002.
[2] 罗志新.石油化工釜用机械密封的失效分析与对策[J] 2000，（2）.
[3] 胡国桢.化工密封技术[M].北京：化学工业出版社，1990.