机械密封失效原因及改进措施
摘要：分析单级离心泵在日常运转中机械密封泄露的原因，并加以讨论消除和改进的措施，以保证其长期可靠而稳定的运转。
关键词：离心泵、机械密封、泄露、技术改进措施
在化工生产中，常常需要将流体从低处输送到高处，或从低压送至高压，或沿管道送至较远的地方。为达到此目的，必须对流体加入外功，以克服流体阻力及补充输送流体时所不足的能量。为流体提供能量的机械成为流体输送机械，根据工作原理的不同通常分为四类，即离心式、往复式、旋转式及流体动力作用式。而离心泵即为流体输送机械中最为常见的一种机械。
离心泵具有结构简单、流量大而均匀、操作方便的优点。而机械密封则是这种流体输送机械的轴封装置，具有泄漏量小和寿命长等优点。兰州石化公司化肥厂丙烯酸车间动设备中主要包括离心泵和屏蔽泵两大类型的泵，而离心泵占有绝大一部分的比例。因此在各类设备的故障当中，机械密封泄漏的检修占有绝大比例。故机械密封运行的好坏将直接影响到装置的平稳运行。
一、机械密封原理
机械密封是一种依靠弹性原件对动、静环端面密封副的预紧和介质压力与弹性原件压力的压紧而达到密封的轴向端面密封装置，因此又称端面密封。机械密封通常由动环、静环、压紧原件和密封原件组成，动环和静环的端面组成一对摩擦副。动环靠密封室中的液体压力使其端面压紧在静环端面上，并在两环端面上产生适当的比例和保持一层极薄的液体膜而达到密封的目的。压紧原件产生压力，可使泵在不运转的情况下，也保持端面贴合，保证密封介质不外漏，并防止杂质进入密封端面。密封圈起密封动环与轴的间隙、静环与压盖的间隙的作用，同时对泵的振动、冲击起缓冲作用。
机械密封原件在实际运行中不是一个孤立的部件，它是与泵的其他零部件一起组合起来运行的。通过其基本原理可以看出，机械密封的正常运行是有条件的，只有消除例如泵汽蚀或汽缚，动、静环密封面被挂损不能形成正常保护液膜；泵轴振动过大，密封O圈被腐蚀破坏或磨损变形等类似的外部条件，再加上良好的机械密封自身性能，才能达到理想的密封效果。
二、机械密封失效原因分析
1、离心泵的汽蚀和汽缚
离心泵工作时，在叶轮中心区域产生真空形成低压而将液体吸上。如果形成的低压很低，则离心泵的吸上能力越强，表现为吸上高度越高。但是，真空区压强太低，以致于低于液体的饱和蒸汽压，则被吸上的液体在真空区发生大量汽化产生气泡。含气泡的液体挤入高压区后急剧凝结或破裂。因气泡的消失产生局部真空，周围的液体就以极高的速度流向气泡中心，瞬间产生了极大的局部冲击力，造成对叶轮和泵壳的冲击，使材料受到破坏。把泵内气泡的形成和破裂而使叶轮材料受到破坏的过程，称为气蚀现象。汽蚀发生后，水力冲击带动密封做迅速的轴向振荡，使动静环及辅助密封圈等零件严重磨损，使机械密封装置损坏进而造成密封泄露。
泵在启动前没有灌泵或灌泵不满的情况下，泵壳内有空气，由于空气的密度远小于液体的密度，其所产生的离心力很小，而不足以使得叶轮中心处形成低压，液面与中心处的压强差很小，液面位于泵下面的液体不能在压强差的作用下被吸入泵内，这时泵具有空转而不能吸液，排出口不可能有液体排出，这种现象称为气缚。汽缚发生后，由于泵内液体不足，容易造成动静环摩擦副无法形成保护液膜，长时间运行后可使动静环密封面断裂，造成机械密封泄露。
2、泵轴弯曲和振动过大
机械密封（或端面密封）是一种旋转轴向的接触式密封。它是在流体介质和弹性原件的作用下，两个垂直与轴心线的密封端面紧密贴合、相对旋转，从而达到密封效果，因此要求两个密封面之间要受力均匀。在泵正常运转时可以测量发现，泵轴承箱的振动值不应超过0.06mm，否则便需要停泵进行检修。如果泵轴弯曲，泵开启后，在机械密封安装处将产生较大的挠度，可使密封面间受力不均匀，导致动静环分离，瞬间的分离在液膜压力的作用下将原本的平衡遭到破坏，密封面的破坏将造成泵的大量泄露。如果泵输送的的介质颗粒较大，则在瞬间较大颗粒的介质将进入摩擦副之间，使密封端面损坏，造成泵的大量泄露。拆开后会发现在硬密封面上有清晰的划痕，且密封O圈也会有所变形。
3、机械密封冲洗冷却系统的原因
机械密封的冲洗冷却系统也是非常重要的，在泵的正常运行时它可以有效的保护密封面，起到冲洗、冷却、润滑的作用。在泵长时间停运后，杂质将淤积在传动座的弹簧周围，堵塞弹簧。再次启动泵后，弹簧容易卡死，使其失去了原有的补偿作用，进而杂质进入摩擦副间破环密封面的光洁度，造成密封面的损坏引起泄露。
例如我车间T-2110塔釜泵P-2110A/B输送物料为丙烯酸（含80%左右）、甲苯（含18%左右）、醋酸和水（含有少量聚合物），由于丙烯酸物料高温易聚的特殊性，因此在泵正常运行中我们通常投用外冲洗线（外冲洗为纯甲苯），在正常开车中为开一备一。2010年5月，长时间正常运转的P-2110A突然泄漏，化工在操作切换至P-2110B时，未考虑到在两台机泵同时运转时入口管线吸入量是否充足，机封冲洗投入量是否满足两台机泵同时运转，也未先对P-2110B机封进行冲洗，结果导致在P-2110B开启不足一分钟内，P-2110B也发生泄漏。在P-2110A/B泵解体后发现，P-2110A动、静环密封面上粘有聚合物且密封面上有明显划痕现象、辅助密封O圈磨损变形；P-2110B传动座的弹簧周围有少量聚合物、静环辅助O圈磨损变形。除备件质量外，个人认为气蚀和机械冲洗是导致机械密封泄漏的两大主要因素。
三、采取的措施
1、消除离心泵的汽蚀和汽缚的措施 （1）、清理进口管路的异物使进口畅通，或者增加管径的大小； （2）、降低输送介质的温度； （3）、降低安装高度； （4）、增加泵前贮液罐中液面的压力，以提高有效气蚀余量； （5）、减小泵前管路上的流动损失。如在要求范围尽量缩短管路，减小管路中的流速，减少弯管和阀门，尽量加大阀门开度等。
2、消除泵轴弯曲和振动过大的措施 （1）、转子找正后需重新做动平衡，转子的径向跳动最大不超过0.03-0.05mm； （2）、调整泵与电机的同心度：轴向≤0.08mm，径向≤0.1mm； （3）、泵运转时振动恒值最大不超过0.06mm； （4）、及时更换磨损的轴套，避免加速轴的弯曲 （5）、现场操作、维修、调节时，严格执行操作规程，消除振动源。
3、机械密封冲洗冷却系统方面的措施 （1）、严格执行操作规程进行泵的正常开、停； （2）、没有冲洗系统的泵，在长时间停用后，准备开启时应拆卸检查机械密封的完整度。 （3）、由冲洗系统的泵，在启动前应打开冲洗冷却系统，保证流量和压力的情况先对其进行冲洗。
四、结论
机械密封的失效，除去其自身原因外，还有工艺条件、运行状况和化工操作等其他方面的原因，应分析在用的机械密封的各种因素，通过观察运行状况和机械密封的磨损状况，根据具体实际情况进行原因分析，逐一消除各负面对其的影响，以保证密封的长期可靠运转。
参考文献：
[1]李继和、蔡纪宁、林学海，机械密封技术（M）.北京：化学工业出版社1998 [2]顾永泉，机械密封实用技术（M）.北京：机械工业出版社。2002 [3]林峥，实用密封手册（M）.上海：上海科学技术出版社，2008
