机械密封从失效形式分析故障原因
机械密封从失效形式分析故障原因
通过对失效原因的分析，可以提高应用机械密封的技术水平。结构设计上的改进，在很大程度上是源于故障分析。对分析故障要做到尽可能确切，有时需要花费时间， 甚至需要使用专门的测试技术。
一、 热负荷对端面材料的损伤
在一个或两个端面上出现缺口，这种现象说明两个端面分开的距离太大，而当两个端面用力合紧时，就会产生缺口。造成端面分离的常见原因是介质急骤蒸发。例如水，特别是在热水系统或是含凝结水的液体中，水蒸发时膨胀，因而将两端面分开。泵的气穴现象加上密封件的阻塞也可能是使密封端面产生缺口的原因。在这种情况下，不是由于振动和联轴器不对中引起的，因为这不足以使端面产生缺口。
降低端面温度是防止介质急剧蒸发造成端面损坏的常用方法。同时，采用导热性好的材料组对也是有利的，如用镍基硬质合金与浸铜石墨组对。此外，采用平衡型机械密封，或利用特种压盖从外部注液冷却，或直接冷却腔内的密封等等，对降低密封端面的温度都十分有效。
失效的机械密封，摩擦副端面常会留下很细的径向裂纹，或者是径向裂纹兼有水泡痕，甚至龟裂。这是由于密封过热引起的，特别是陶瓷 、硬质合金密封面容易产生这类损伤。介质润滑性差、过载 、操作温度髙 、线速度高 、配对材料组合不当等，其中任何一种因素，或者是几种因素的叠加，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。这些细裂纹犹如切削刃一样，切削碳石墨或其它对偶件材料，从而出现过度磨损和髙泄漏。解决密封过热问题，除改变端面平衡系数，减少载荷外，还可采用静止型密封并加导流套强制将冷却循环流体导向密封面，或在密封端面上开流体动力槽来加以解决。
摩擦端面上有许多细小的热斑点和孤立的变色区，这说明密封件在高压和热影响下变形扭曲。对于端面的热变形，应采用有限元法计算分析，改进密封环的设计。
表面喷涂硬质材料的密封环，无论是喷涂陶瓷还是硬质合金，在热负荷下其面层都有可能在基材上起鳞片或剥落。出现这种现象，说明密封出现过干摩擦。为消
除这一现象，首先应检查密封的润滑、冷却是否充分、冷却系统有无堵塞现象，操作是否得当，根据实际情况采取相应的对策。
二、 根据磨损痕迹分析故障原因
磨损痕迹可以反映运动件的运动情况和磨损情况。每一个磨损痕迹都可以为故障分析提供有用线索。例如，摩擦副磨损痕迹均匀正常，各零件的配合良好，这就说明机器具有良好的同轴度。如果密封端面仍发生泄漏，就可能不是由密封本身问题引起的。例如，金属波纹管机械密封的端面磨损痕迹均匀正常，泄漏量为常数，这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，如固定波纹管的静密封处等。
当端面出现过宽的磨损，表明机器的同轴度很差。转轴每转一圈密封件都要作轴向位移和径向摆动，显然在每一次转动中，密封端面都趋向于产生轻微的分离和泄漏。以离心泵为例，造成过宽的磨损的原因大致有：联轴器不对中、泵轴弯曲 、泵轴偏斜 、轴的精度低 、管线张力过大 、振动等。
引起振动的原因还有气穴 、喘振 、水锤冲击 、介质流动不平衡等。但以联轴器对中不良，轴承运转精度差引起振动的情况居多。
对于水力特性所引起的震动，其有效的补救措施是控制泵的排量在设计值以下，减轻泵的气穴现象。
对出现的磨损痕迹宽度小于窄环环面宽度时，这就意味着密封受到过大的压力 ，使密封面呈现变形。对此，应从密封结构设让上加以解决，采用能承受髙压的密封结构。
机械密封运转一段时间后，若摩擦端面没有磨损痕迹，表明密封开始使用时就泄漏，泄漏介质被氧化并沉积在补偿环密封圈附近，阻碍了补偿环作补偿位移。这种情况是产生泄漏的原因。黏度较高的高温流体，若不断地泄漏，易于出现这种情况。
对橡胶波纹管式密封件，若摩擦副端面没有磨损痕迹 ，这表明密封端面可能已经压合在一起，摩擦副间无相对转动，而是橡胶波纹管相对于轴旋转。如果出现这种情况，弹簧就会磨损，还会磨损固定部件和转动部件。
有时，旋转环相对于静止环不旋转，而相对于静环压盖旋转，这种情况下摩擦副端面也不会产生磨损痕迹。其原因可能是防转销折断了，或是静环压盖的孔径小于密封件的外径而安装不到位所致。
在密封端面上有光点而没有磨痕，这表明端面已产生较大的翘曲变形。这是由于流体压力过大，密封环刚度差，以及安装不良等原因所致。外装式机械密封，若夹固式非补偿环仅用两个螺栓固定而静环压盖没有足够的厚度，或定位端面不平整，也会出现这种现象。
硬质环端面出现较深的沟槽（环状纹路，形如密纹唱片）。其原因主要是泵的联轴器对中不良，或密封的追随性不好。当振动引起密封端面分离时，两者之间有较大颗粒物质入侵，假如颗粒嵌入较软的碳石墨密封环端面内，软质环就像砂轮一样磨削硬质端面，造成硬质端面的过度磨损。若是由振动引起端面分离，那么传动销钉之类的传动件必然也会出现不正常的磨损痕迹。
在颗粒介质中工作的机械密封，对材料均采用硬质端面，这是解决密封端面出现深沟槽的一种有效办法。例如，硬质合金与硬质合金或与碳化硅组对为最佳。因为颗粒无法嵌入任何一个端面，而是被磨碎后从两端面之间通过。
金属轴套外圆表面的磨痕，可能是进入套内的固体微粒造成的，它干扰密封的追随能力；也可能是轴偏斜，轴与密封腔的同轴度偏差大造成的。
三、 密封失效分析的原则和方法
对每一套机械密封 ，无论以何种原因失效，都应进行详细的分析研究，并记录有关数据。密封件损坏后，不能局限于从被损件上查找失效原因。还应将拆卸下来的机械密封妥善地收集，清洗干净；按静止和转动两部分分别放置，贴上标签，以备检查和记录。
检查程序是：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、如压盖 、轴套 、密封腔体以及密封系统等也应进行全面的检查。此外，还要了解设备的操作条件，以及以往密封失效的情况。在此基础上， 进行综合分析，就会找出产生失效的根本原因。
四、 腐蚀对密封件的危害
化学腐蚀和电化学腐蚀对于机械密封的使用寿命是一个严重威胁。构成腐蚀的原因错综复杂，这里仅就机械密封件最常见的腐蚀形态以及影响最大的因素进行分析。
1、全面腐蚀与局部腐蚀
全面腐蚀，即零件接触介质的表面产生均匀腐蚀 ，其特征是零件的重量减轻，甚至会全部被腐蚀 、失去强度 、降低硬度。如用 1Cr18Ni9Ti不锈钢制作的多弹簧，用于稀硫酸时就会出现这种情况。
局部腐蚀，可以简单地用零件上的蚀斑、蚀孔来判明。局部腐蚀是零件表面层变得松软多孔、易于脱落、失去耐磨强度。局部腐蚀是多相合金中的某一相或单相固溶体的某一元素，被介质选择性溶解的腐蚀形态。例如，钴基硬质合金用于高温强碱中时，粘结相金属钴易被腐蚀，硬质相碳化钨骨架失去强度，在机械力的作用下产生晶粒剥落。又如，反应烧结碳化硅，因游离硅被腐蚀而表面呈现麻点（pH>10时）。
腐蚀对密封件的性
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。对于直接与介质接触的密封件，虽然可参阅有关腐蚀手册中的数据选择适宜的材料，但这些数据未必与机械密封系统中的使用条件相符，因为它们大多是静态条件下单一种介质的腐蚀数据，而工艺流程中的介质是多种介质的混合物。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升呈指数规律增加。
处理强腐蚀流体时，采用外装式或双端面密封，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最少。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。
应力腐蚀是金属材料在承受应力状态下处于腐蚀环境中所产生的腐蚀现象。不论是外部载荷或残余应力，腐蚀都会加剧。容易产生应力腐蚀的材料是奥氏体不锈钢、铜合金等。应力腐蚀的过程一般是在金属表面上形成选择性的腐蚀沟槽，持续产生局部腐蚀，最后在应力的作用下，从沟槽底部产生裂纹。典型的实例是104型机械密封的传动套，它的材料为1Cr18Ni9Ti，当用于氨水泵上时，传动套的传动耳环最容易出现应力腐蚀裂纹，使耳环损坏。为此，将其凹形耳环改为实心凸耳，即可防止产生这种应力腐蚀。
3、磨蚀
密封件与流体间的高速运动，致使接触面上发生微观凹凸不平。当流体为腐蚀性介质时，将加快密封接触表面的化学反应，这种反应有时是有利的，有时是有害的。如果所形成的氧化层被破坏，即出现腐蚀。由磨损与磨蚀的交替作用而造成材料的破坏称为磨蚀。通常磨蚀对机械密封的非主要元件如弹簧座、推环、环座等所带来的危害还不致迅速地反映出密封性能的变化，但却是摩擦副失效的主要形态之一。为此，在强腐蚀性介质中，摩擦应采用耐腐蚀性能好的材料，如采用 99.5% 的高纯氧化铝陶瓷，或不含游离硅的热压烧结碳化硅等。
当介质处于金属与金属或非金属元件之间，存在很小的缝隙时，由于介质呈滞流状态，会引起缝隙内金属的腐蚀加速，这种腐蚀形态称为间隙腐蚀。例如机械密封弹簧座与轴之间，补偿环辅助密封圈与轴之间（当然此处还存在微动磨损）岀现的沟槽或蚀点即是典型的例子。究其原因，是由于缝内介质处于滞流状态，使得参加腐蚀反应的物质难以向缝内补充，而缝内的腐蚀产物又难以向外扩散，于是造成缝内介质随着腐蚀的进行，在组成的浓度、pH值等方面愈来愈和整体介质产生很大差异，结果便导致缝内金属表面的腐蚀加剧。间隙腐蚀对密封性能的危害很大，密封圈与对隅轴处产生沟槽，将导致补偿环不能作轴向位移，失去追随性，使端面分离而泄漏。对于间隙腐蚀，通常可以通过正确选材和合理的结构设计予以减轻。如选用具有良好的抗间隙腐蚀性能的材料，在结构设计上应尽可能避免形成缝隙和积液死区；采用自冲洗方式进行循环，使密封腔内的介质处于不断更换和流动状态，防止介质组分的浓度变化，长期停用的机泵，应将积液及时排空等等，在结构上要完全消除间隙是不可能的，因此，一般采用保护性的轴套，在其密封圈安装部位可喷涂耐腐蚀材料加以防止。
5、电化学腐蚀
实际上机械密封的各种腐蚀形态，或多或少都同电化学腐蚀有关。就机械密封摩擦副而言，常常会受到电化学腐蚀的危害，因为摩擦副组常用不同种材料，当它们处于电解质溶液中，由于材料固有的电位不同，接触时就会出现不同材料之间的电偶效应，即一种材料的腐蚀会受到促进，另一种材料的腐蚀会受到抑制。例如铜与镍铬钢组对，用于氧化性介质中时，镍铬钢发生电离分解。盐水、海水、稀盐酸、稀硫酸等都是典型电解质溶液。密封件易于产生电化学腐蚀，因而最好是选择电位相近的材料或陶瓷与填充玻璃纤维聚四氟乙烯组。
五、橡胶密封圈的失效
机械密封用辅助密封圈，釆用合成橡胶0形圈较多。机械密封失效中约有 30% 是因为0形圈失效而引起的。其失效形式表现为如下几点。
1、老化
高温及化学腐蚀通常是造成橡胶制品硬化、产生裂纹的主要原因。橡胶老
化，表现为橡胶变硬，强度和弹性降低，严重时还会出现开裂，致使密封性能丧失。
橡胶在储存保管中，长期曝露日照下，或接触了臭氧，或储存时间太长，都会发生老化，过热会使橡胶组分分解，甚至碳化，在高温流体中，橡胶有继续硫化的危险，最终失去弹性而泄漏。所以有必要了解每一种合成橡胶的安全使用温度。
2、永久变形
橡胶密封件的永久性变形通常比其他材料更严重。例如，橡胶O形圈使用中变成方形。密封圈长时间处于高温之中，会变成与沟槽一样的截面形状，当温度保持不变，还可起密封作用；但温度降低后，密封圈便很快收缩，形成泄漏通道而产生泄漏。因此，应注意各种胶种的使用温度极限，应避免长时期在极限温度下使用。如果不能改变密封运转条件，则要从结构上加以改进，以减轻温度对橡胶材料的不良影响。例如，尽可能地选用截面较大的橡胶O形圈，O形圈要远离摩擦副端面，适当提高O形圈的硬度，采用沟槽式的装配结构（不用推环挤压式结构，勿使弹簧力作用于O形圈上）等等。
3、溶胀变形
合成橡胶在某些介质中会发生膨胀、发粘或溶解等现象。因此，应根据工作介质的性质，利用有关资料的图表选择合适的材料。如果对所输送的工作介质的组分不十分清楚 ，就应进行浸渍试验，以指导合理选材。有些混合溶液可能会侵浊各种合成橡胶这时就需要选用聚四氟乙烯作密封圈。
补偿环矩形槽中的橡胶O形圈，在装配或使用中产生扭转扭曲。其原因有：O形圈的硬度低且截面直径太小，或者是圆截面直径不均，工作压力波动 ,冲击振动，以及内压小且润滑不良等都能使O形圈产生扭曲。发生扭曲的部位大多数在O形圈的中部。扭曲严重时，该处截面会变细，同时会出现泄漏量和摩擦力增大。防止O形圈扭曲的方法有如下几点。
① O形圈在安装前，应在槽内涂以润滑脂，转轴应光洁，保证O形圈滚动自如。
② 压缩量应尽量取适宜值，适当放宽槽的宽度使O形圈能在槽内滚动。
③ 在可选用几种截面的情况下， 应优先选用较大截面的O形圈。
④ 改用其他不发生扭曲的密封圈，如X形截面的密封圈。
橡胶O形圈在静态和位移运动情况下， 总是处于压缩状态，所以在高压工况下存在挤入间隙的倾向。O形圈挤出，即受高压作用的O形圈在间隙处会产生应力集中，当其应力达到一定程度时，O形圈就会形成一道飞边嵌入间隙之中，导致O形圈的磨损或啃伤，使密封件过早失效，酿成介质从密封圈处泄漏。显然，造成挤出的原因主要与压力及密封部位的间隙有关 ， 与O形圈材料的硬度也有关。减小间隙虽然能防止挤出，但是会降低密封环的浮动追随特性。所以，在高压工况下。防止橡胶O形圈的挤出措施是在O形圈沟槽中安装挡圈。尤其对于小截面的O形圈一定要增设聚四氟乙烯或聚酰亚胺材质的挡圈。
六、密封驱动件的磨损、断裂或腐蚀
传动销 、传动螺钉、凸缘 、拨叉甚至单只的大弹簧都能用来传递转矩 ，驱动密封件旋转。振动或安装位置偏斜，不同心等，都会使传动件磨损，弯曲甚至损坏。机械密封使用的固定螺钉不能用硬化后的材料制作。检査磨损时，首先要检査传动连接点，可以在销子、槽口 、 凸缘 、 拔叉上寻找磨损痕迹。传动销或传动槽的磨损是由于粘合——滑动作用而引起的。如果两个端面在瞬时间粘合在一起， 这时由于旋转环不平滑旋转，旋转时会产生跳动，传动销将承受很大的应力。开停车频繁或受力过大时，传动销也容易折断，使密封突然失效。润滑不良也会产生粘合——滑动作用。
产生传动销折断的其它原因还有：弹簧力过大；介质压力高而采用了非平衡型密封或密封流体润滑性能很差，而使转矩大；传动销装配倾斜；单只受力；选择时只考虑了摩擦副材料的耐腐蚀性，而没有考虑组对性能；泵的气穴现象等.
七、 摩擦热损伤
非正常的摩擦热损伤也是机械密封失效的原因之一。轴 （ 或轴套）、压盖、密封腔和密封件都会因非正常的过热而损伤。摩擦热损伤可以从摩擦痕迹和颜色来判断。随着温升金属要改变颜色，例如不锈钢的颜色：淡黄色约 370°C 蓝色约 590°C 墨色约 648°C 在一些泵中，出现非正常的过热原因有：轴的偏斜过大使泵的喉口与轴产生摩擦，无定位导向的压盖与泵轴（ 或轴套）相摩擦，固定螺钉松脱与密封腔摩擦，压盖垫片滑移接触旋转环等。
非正常的摩擦所产生大量热完全能熔融聚四氟乙烯 V 形圈或使橡胶O形圈焦化。
造成非正常的摩擦发热的原因还有：无定位导向的压盖与泵轴（ 或轴套） 相碰；静止环发生旋转；密封腔内聚结污垢；密封腔与轴不同心等。
八、弹簧或波纹管的失效
在使用中，机械密封的弹簧或金属波纹管的失效形式有：永久变形、断裂、腐蚀、蠕变或松弛等。其中，以金属波纹管产生永久变形和断裂失效的影响因素最为复杂。机械密封的加载弹性元件大都采用圆柱压缩螺旋弹簧。所以，这里主要是对圆柱压缩螺旋弹簧的失效进行分析，原则上也适用于其它弹簧或金属波纹管。
1、永久变形
弹簧永久变形是弹簧失效的主要原因之一，弹簧产生永久变形，超过允许范围便将影响密封的正常工作。
弹簧的永久变形，即弹簧自由高度减小，在工作高度一定的情况下，工作载荷就会减小。永久变形的原因是弹簧的设计不合理和制造工艺不完善而出现的失效现象。它与下列因素有关。
① 在给定的条件下，影响弹簧永久变形的主要因素是工作应力。在不同的工作载荷条件下，弹簧的永久变形也不同。国外资料认为，弹簧的工作应力不应超过其材料的 0.3δb(抗拉强度)。
② 弹簧的永久变形与其直径有关。密封设计者往往注意调整弹簧直径， 以满足负荷要求，很少注意弹簧直径对永久变形的影响，其结果很可能顾此失彼。减小弹簧直径，可以减小永久变形。
③ 设计弹簧的自由高度越小，相对的永久变形越大。试验表明，通过增加弹簧的自由高度，可减小弹簧的永久变形。但也应注意，过大的自由髙度，也可能产生弯曲而失稳（小直径弹簧） 。
④ 弹簧的永久变形与节距有关。当弹簧的自由高度不变，增加弹簧的节距，减少工作圈数，则容易产生弹簧的永久变形。
⑤ 弹簧的永久变形与弹簧的材料性能 、制造工艺，选择热处理方法等因素有关。对弹簧厂来说，必须加强对材料性能及加工质量的管理。首先是加强进厂材料的质量检测和妥善管理，严禁不合格的材料进人生产现场。选择弹簧的加工及热处理工艺时，不仅要遵循一般的原则，还要考虑永久变形的影响，以提高机械密封弹簧的质量。
弹簧及金属波纹管的永久变形除上述因素外，还与使用温度有关，使用温度必须在材料规定的温度以内。
2、断裂
弹簧断裂也是弹簧失效的主要形式之一。根据弹簧的载荷性质、工作环境、其断裂形式有疲劳断裂、应力腐蚀断裂及过载断裂等。
弹簧或金属波纹管疲劳断裂的原因，多数属于设计不当、材料缺陷、制造不良及工作条件恶劣等因素导致疲劳裂纹的扩展而造成的。疲劳裂纹往往起源于高应力区。如压缩弹簧的内表面出现了断口，常与弹簧材料轴线成 45°角方向扩展到外表面而断裂，金属波纹管的断裂常出现在波纹管的波谷处。
焊接金属波纹管，如果由于制造上的缺陷，如波片间距不等，因而会存在某些波片中产生较大的应力，从而使这些波片产生早期破裂。所谓制造上的缺陷，是指波片间距不匀，波的深度不等以及片厚不一等等。安装静止型金属波纹管机械密封时，有可能由于压盖与支承点连接时呈倾斜状态面产生缺陷。这种缺陷亦会在波片内产生应力 ， 从而出现断裂。
在许多情况下，焊接金属波纹管周期伸缩运动的频率和密封装置的固有频率相等时则可能发生共振，产生较大的应力而导致早期疲劳断裂。在焊接金属波纹管密封装置内可能产生两种形式的振动，轴向振动和扭转振动。轴向振动是由轴的轴向窜动产生的，扭转振动通常是由摩擦副之间的摩擦力产生的。摩擦力趋向于绕紧波纹管，直至摩擦力小于波纹管内的绕紧力为止。此后，该力自身释放。如此重复自行循环。这种扭转振动自行转变成轴向振动 ，当两邻近的波片焊球相互碰撞时，振动减弱，振幅减小，如此重复自行循环。
为了防止产生共振，密封的固有频率应设计得比主振动频率大一些（通过改变材料、片厚、片数、间距、安装长度），或利用不对称型波形以及采用拨叉来传递转矩。此外，采用各种阻尼方法也可消除振动，如使用一阻尼片装在波纹管的周围，产生轻微的弹性载荷，从而保证与波纹管相接触，在振幅形成前就减弱振动，减振片就把波纹管的动能导出。
在介质侵蚀和材料应力的作用下，弹簧和金属波纹管会发生断裂现象， 称为应力腐蚀断裂。奥氏体钢弹簧在交变应力作用下易受氧化物的应力腐蚀， 对此，推荐使用哈氏合金。
在腐蚀性介质中工作的弹簧和波纹管，在其截面的应力区域，由于腐蚀与应力共同作用在元件的某些薄弱处，首先被腐蚀，形成裂纹核心，随着承载时间的延长，裂纹缓慢地向亚临界扩展。当裂纹达到临界尺寸时，其弹性元件便突然断裂。应力腐蚀断裂与工作介质有着密切的关系，如介质中含有氯 、溴或氟时，金属弹性元件易发生应力腐蚀断裂。应力腐蚀断裂，从机理上来讲是阳极反应，而氢脆断裂则主要是阴极反应。在多数情况下，弹簧的氢脆断裂，即氢原子渗入弹簧材料的晶界，并结合成氢分子，从而产生很大的应力，结果导致弹簧在低应力载荷下发生脆性断裂。氢脆断裂通常发生在45°~90°的弯曲角度的范围内。如将已变脆的弹簧圈夹在虎钳上，用钳子夹紧外伸部分并用力弯曲，即可轻易地将弹簧折断成二或三段。若是其它原因引起的断裂，则会发现，弹簧材料仍保持足够的韧性。在海水、硫化物、硫酸 、硫酸盐、苛性碱 、液氨以及含氢气的介质中，由于化学反应所产生的氢气为弹簧材料所吸收，从而造成的脆性断裂。
弹簧或波纹管的断裂破坏除上述因素外，还有以下原因。
① 热处理缺陷。由于热处理工艺不当而使材料隐含内部缺陷。如热处理造成弹簧材质的晶粒粗大，尽管得到了需要的硬度，但在使用中很快发生变形最终断裂。
② 工具造成的伤痕。弹簧制造过程中，特别是带钩弹簧的弯钩，往往由于制造工艺不当造成伤痕而出现应力集中区，致使弯钩断裂。
由此可见，防止断裂破坏的措施，除了在设计时根据弹簧的工作条件，选择适宜的材料，确定恰当的应力值外，在制造过程中采取合适的加工工艺方法，也是十分必要的。
