机械密封失效问题研究
1.泄漏点种类
泵用机械密封种类繁多，型号各异，但泄漏点主要有五处：（l）轴套与轴间的密封；（2）动环与轴套间的密封；（3）动、静环间密封；（4）对静环与静环座间的密封；（5）密封端盖与泵体间的密封。
2.泄漏原因分析及判断
安装静试时泄漏。机械密封安装调试好后，一般要进行静试，观察泄漏量。如泄漏量较小，多为动环或静环密封圈存在问题；泄漏量较大时，则表明动、静环摩擦副间存在问题。在初步观察泄漏量、判断泄漏部位的基础上，再手动盘车观察，若泄漏量无明显变化则静、动环密封圈有问题；如盘车时泄漏量有明显变化则可断定是动、静环摩擦副存在问题；如泄漏介质沿轴向喷射，则动环密封圈存在问题居多，泄漏介质向四周喷射或从水冷却孔中漏出，则多为静环密封圈失效。此外，泄漏通道也可同时存在，但一般有主次区别，只要观察细致，熟悉结构，一定能正确判断。
试运转时出现的泄漏。泵用机械密封经过静试后，运转时高速旋转产生的离心力，会抑制介质的泄漏。因此，试运转时机械密封泄漏在排除轴间及端盖密封失效后，基本上都是由于动、静环摩擦副受破坏所致。引起摩擦副密封失效的因素主要有：（l）操作中，因抽空、气蚀、憋压等异常现象，引起较大的轴向力，使动、静环接触面分离；（对安装机械密封时压缩量过大，导致摩擦副端面严重磨损、擦伤；（3）动环密封圈过紧，弹簧无法调整动环的轴向浮动量；（4）静环密封圈过松，当动环轴向浮动时，静环脱离静环座；（5）工作介质中有颗粒状物质，运转中进人摩擦副，探伤动、静环密封端面；（6）设计选型有误，密封端面比压偏低或密封材质冷缩性较大等。上述现象在试运转中经常出现，有时可以通过适当调整静环座等予以消除，但多数需要重新拆装，更换密封。
由于两密封端面失去润滑膜而造成的失效：a）因端面密封载荷的存在，在密封腔缺乏液体时启动泵而发生干摩擦；b）介质的低于饱和蒸汽压力，使得端面液膜发生闪蒸，丧失润滑；c）如介质为易挥发性产品，在机械密封冷却系统出现结垢或阻塞时，由于端面摩擦及旋转元件搅拌液体产生热量而使介质的饱和蒸汽压上升，也造成介质压力低于其饱和蒸汽压的状况。
由于腐蚀而引起的机械密封失效：a）密封面点蚀，甚至穿透。b）由于碳化钨环与不锈钢座等焊接，使用中不锈钢座易产生晶间腐蚀；c）焊接金属波纹管、弹簧等在应力与介质腐蚀的共同作用下易发生破裂。
由于高温效应而产生的机械密封失效：a）热裂是高温油泵，如油渣泵、回炼油泵、常减压塔底泵等最常见的失效现象。在密封面处由于干摩擦、冷却水突然中断，杂质进入密封面、抽空等情况下，都会导致环面出现径向裂纹；b）石墨炭化是使用碳—石墨环时密封失效的主要原因之一。由于在使用中，如果石墨环一旦超过许用温度（一般在-105～250℃）时，其表面会析出树脂，摩擦面附近树脂会发生炭化，当有粘结剂时，会发泡软化，使密封面泄漏增加，密封失效；c）辅助密封件（如氟橡胶、乙丙橡胶、全橡胶）在超过许用温度后，将会迅速老化、龟裂、变硬失弹。现在所使用的柔性石墨耐高温、耐腐蚀性较好，但其回弹性差。而且易脆裂，安装时容易损坏。
由于密封端面的磨损而造成的密封失效：a）摩擦副所用的材料耐磨性差、摩擦系数大、端面比压（包括弹簧比压）过大等,都会缩短机械密封的使用寿命。对常用的材料，按耐磨性排列的次序为：碳化硅—碳石墨、硬质合金—碳石墨、陶瓷—碳石墨、喷涂陶瓷——碳石墨、氮化硅陶瓷——碳石墨、高速钢——碳石墨、堆焊硬质合金——碳石墨。b）对于含有固体颗粒介质，密封面进入固体颗粒是导致使密封失效的主要原因。固体颗粒进入摩擦副端面起研磨剂作用，使密封发生剧烈磨损而失效。密封面合理的间隙，以及机械密封的平衡程度，还有密封端面液膜的闪蒸等都是造成端面打开而使固体颗粒进入的主要原因。c）机械密封的平衡程度β也影响着密封的磨损。一般情况下，平衡程度β=75%左右最适宜。β﹤75%，磨损量虽然降低，但泄漏增加，密封面打开的可能性增大。对于高负荷（高PV值）的机械密封，由于端面摩擦热较大，β一般取65%～70%为宜，对低沸点的烃类介质等，由于温度对介质气化较敏感，为减少摩擦热的影响，β取80%～85%为好。
因安装、运转或设备本身所产生的误差而造成机械密封泄漏：
由于安装不良，造成机械密封泄漏。主要表现在以下几方面：1）动、静环接触表面不平，安装时碰伤、损坏；2）动、静环密封圈尺寸有误、损坏或未被压紧；3）动、静环表面有异物；4）动、静环V型密封圈方向装反，或安装时反边；5）轴套处泄漏，密封圈未装或压紧力不够；6）弹簧力不均匀，单弹簧不垂直，多弹簧长短不一；7）密封腔端面与轴垂直度不够；8）轴套上密封圈活动处有腐蚀点。
设备在运转中，机械密封发生泄漏的原因主要有：1）泵叶轮轴向窜动量超过标准，转轴发生周期性振动及工艺操作不稳定，密封腔内压力经常变化等均会导致密封周期性泄漏； 2）摩擦副损伤或变形而不能跑合引起泄漏；3）密封圈材料选择不当，溶胀失弹；4）大弹簧转向不对；5）设备运转时振动太大；6）动、静环与轴套间形成水垢使弹簧失弹而不能补偿密封面的磨损；7）密封环发生龟裂等。
泵在停一段时间后再启动时发生泄漏，这主要是因为摩擦副附近介质的凝固、结晶，摩擦副上有水垢、弹簧腐蚀、阻塞而失弹。
泵轴扰度太大。
3.影响泵用机械密封外部条件
3.1泵轴的轴向窜量大
机械密封的密封面要有一定的比压，这样才能起到密封作用，这就要求机械密封的弹簧要有一定的压缩量，给密封端面一个推力，旋转起来使密封面产生密封所要求的比压。为了保证这一个比压，机械密封要求泵轴不能有太大的窜量，一般要保证在0.5 mm以内。但在实际设计当中，由于设计的不合理，往往泵轴产生很大的窜量，对机械密封的使用是非常不利的。这种现象往往出现在多级离心泵中，尤其是在泵启动过程中，窜量比较大。
图2 为平衡盘方法平衡轴向力的工作原理。平衡盘工作时自动改变平衡盘与平衡环之间的轴向间隙b，从而改变平衡盘前后两侧的压差，产生一个与轴向力方向相反的作用力来平衡轴向力。由于转子窜动的惯性作用和瞬态泵工况的波动，运转的转子不会静止在某一轴向平衡位置。平衡盘始终处在左右窜动的状态。平衡盘在正常工作中的轴向窜量只有0105 ～011 mm，满足机械密封的允许轴向窜量015 mm的要求，但平衡盘在泵启动、停机、工况剧变时的轴向窜量可能大大超过机械密封允许的轴向窜量.
泵经过长时间运行后，平衡盘与平衡环摩擦磨损，间隙b随着增大，机械密封轴向窜量不断增加。由于轴向力的作用，吸入侧的密封面的压紧力增加，密封面磨损加剧，直至密封面损坏，失去密封作用。吐出侧的机械密封，随着平衡盘的磨损，转子部件的轴向窜量大于密封要求的轴向窜量，密封面的压紧力减小，达不到密封要求，最终使泵两侧的机械密封全部失去密封作用。
3.2轴向力偏大
机械密封在使用过程中是不能够承受轴向力的，若存在轴向力，对机械密封的影响是严重的。有时由于泵的轴向力平衡机构设计的不合理及制造、安装、使用等方面的原因，造成轴向力没有被平衡掉。机械密封承受一个轴向力，运转时密封压盖温度将偏高，对于聚丙烯类的介质，在高温下会被熔融，因此泵启动后很快就失去密封效果，泵静止时则密封端面出现间断的喷漏现象。
3.3泵轴的挠度偏大
机械密封又称端面密封，是一种旋转轴向的接触式动密封，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密贴合、相对旋转，从而达到密封效果，因此要求两个密封之间要受力均匀。但由于泵产品设计的不合理，泵轴运转时，在机械密封安装处产生的挠度较大，使密封面之间的受力不均匀，导致密封效果不好。
3.4没有辅助冲洗系统或辅助冲洗系统设置不合理
机械密封的辅助冲洗系统是非常重要的，它可以有效地保护密封面，起到冷却、润滑、冲走杂物等作用。有时设计员没有合理地配置辅助冲洗系统，达不到密封效果； 有时虽然设计人员设计了辅助系统，但由于冲洗液中有杂质，冲洗液的流量、压力不够，冲洗口位置设计不合理等原因，也同样达不到密封效果。
3.5振动偏大
机械密封振动偏大，最终导致失去密封效果。但机械密封振动偏大的原因往往不是机械密封本身的原因，泵的其它零部件是产生振动的根源，如泵轴设计不合理、加工的原因、轴承精度不够、联轴器的平行度差、径向力大等原因。
3.6泵汽蚀的原因
由于装置系统操作不合理以及泵进口汽蚀性能不好、泵的转速偏高，在泵的入口处发生局部汽蚀，汽蚀发生后，水中会有气泡，它一方面会冲击机械密封面的外表面，使其表面出现破损； 另一方面会使动静环的吻合面的流动膜中也含有气泡，不能形成稳定的流动膜，造成动静环的吻合面的干摩擦，使机械密封装置损坏。
3.7机械加工精度不够
机械加工精度不够，原因有很多，有的是机械密封本身的加工精度不够，这方面的原因容易引起人们的注意，也容易找到。但有时是泵其它部件的加工精度不够，这方面的原因，不容易引起人们的注意。例如：泵轴、轴套、泵体、密封腔体的加大精度不够等原因。这些原因的存在对机械密封的密封效果是非常不利的。
3.8应采取的措施
3.8.1消除泵轴窜量大的措施
合理地设计轴向力的平衡装置，消除轴向窜量。为了满足这一要求，对于多级离心泵，比较理想的设计方案有两个：一个是平衡盘加轴向止推轴承，由平衡盘平衡轴向力，由轴向止推轴承对泵轴进行轴向限位； 另一个是平衡鼓加轴向止推轴承，由平衡鼓平衡掉大部分轴向力，剩余的轴向力由止推轴承承担，同时轴向止推轴承对泵轴进行轴向限位。第二种方案的关键是合理地设计平衡鼓，使之能够真正平衡掉大部分轴向力。对于其它单级泵、中开泵等产品，在设计时采取一些措施保证泵轴的窜量在机械密封所要求的范围之内。
3.8.2消除轴向力偏大的措施
合理地设计轴向力平衡机构，使之能够真正充分地平衡掉轴向力，给机械密封创造一个良好的条件。对于一些电厂、石油、化工等领域应用的重要产品，在产品出厂之前，必须做到台台试验检测和发现问题和解决问题。有些重要的泵可以在转子上设计一个轴向测力环，对轴向力的大小进行随时监测，发现问题及时解决。
3.8.3消除泵轴挠度偏大的措施
这种现象大多存在卧式多级离心泵中，在设计时采取以下措施：
减少两端轴承之间的距离。泵叶轮的级数不要太多，在泵总扬程要求较高的情况下，尽量提高每级叶轮的扬程，减少级数。
增加泵轴的直径。在设计泵轴直径的时候，不要简单地仅考虑传递功率的大小，而要考虑机械密封、轴挠度、起动方法和有关惯性负荷、径向力等因素。很多设计员没有充分认识到这一点。
提高泵轴材料的等级。
泵轴设计完成后，对泵轴的挠度要进行校核检验计算
3.8.4增加辅助冲洗系统
在条件允许的情况下，尽量设计辅助冲洗系统。冲洗压力一般要求高于密封腔压力0107 ～011 MPa，如果输送介质属于易汽化的，则应高于汽化压力01175～012 MPa。密封腔压力要根据每种泵的结构型式、系统压力等因素来计算。轴封腔压力很高时或者压力几乎接近该密封使用最高极限时，也可由密封腔引液体至低压区，使轴封液体流动以带走摩擦热。推荐的冲洗量如表1所示。
根据每种泵的操作条件，合理地配置管路和附件。如冷却器、孔板、过滤器、阀门、流量指示器、压力表、温度等。实际上密封的可靠性和寿命，在很大程度上取决于密封辅助系统的配置。
3.8.5消除泵进口汽蚀的措施
提高泵的汽蚀性能水平，满足现场装置的汽蚀性能的要求。
现场试验装置的要求要与泵汽蚀性能水平匹配。
现场安装和工况调节要给泵创造有利的条件。
3.8.6消除泵振动的措施
泵产品在设计过程中，要充分分析振动的来源，以消除振动源。
泵产品的制造装配过程中，严格按标准和操作规程去执行，消除振动源。
泵、电机、底座、现场管路等辅助设备在现场安装时，要严格把关，消除振动源。
现场生产、操作、维修、调节时，严格把关，消除振动源。
3.8.7严格执行设计标准
泵产品的设计和机械密封产品的设计要执行相关的国内外标准，在产品的设计过程中，设计员应认真执行标准，深刻理解标准每一条内容的具体意义，将标准内容的要求执行到产品设计过程中。到目前为止，有很多设计员还没有理解标准的实际含义，没有严格地去执行新标准，而是盲目地照搬照套老图纸和老设计员的经验。这种作法对提高我国产品技术水平和进入国际市场是非常不利的。提高标准化认识，是目前机械行业设计员迫切需要解决的问题。
5.8.9 结束语
在设计泵用机械密封时，不仅要考虑机械密封本身的影响因素，而且要考虑机械密封外部的各种影响因素。在实际工作中要注意以下几个问题：
在泵产品的设计过程中要充分考虑到泵其它零部件以及现场其它设备对机械密封的使用效果的影响，为机械密封创造一个良好的外部条件。
增加对机械密封辅助系统的重要作用的认识，尽可能配备完善的机械密封辅助系统，以提高密封效果。
对重要泵产品的机械密封，要增加保护措施，提高密封质量，减少密封质量事故。
分析机械密封的质量事故的原因时，要充分考虑到泵的其它零部件对机械密封运行的影响，采取措施不断提高机械密封的效果。
4.机械密封泄漏常见的原因及处理措施
机械密封发生振动、发热、发烟、泄出、磨损、生成物。
端面宽度过大：减小端面宽度、降低弹簧压力
端面比压过大：降低端面比压
动静环面粗糙：提高端面光洁度
摩擦副配对不当：更换动静环、合理配对
冷却效果不好、润滑恶化：加强冷却措施、改善润滑条件
端面耐腐蚀、耐高温不良：更换耐腐蚀、耐高温的动静环
间歇性泄漏
转子轴向窜动量太大、动环来不及补偿位移：调整轴向窜动量
泵本身操作不平稳、压力变动：稳定泵的操作压力
经常性泄漏
泵轴振动严重：停车检修，解决轴的窜动问题
密封定位不准、摩擦副未贴紧：调整定位
摩擦表面损伤或摩擦面不平：更换或研磨摩擦面
密封圈与动环未贴紧：检查或更换密封面
弹簧力不够或弹簧力偏心：调整或更换弹簧
端盖固定不正、产生偏移：调整端盖紧固螺钉与轴垂直
严重泄漏
摩擦副损坏断裂：检查更换动、静环
固定环发生转动：更换密封圈固定静环
动环不能沿轴向浮动：检查弹簧力和止推环是否卡住
弹簧断掉：换弹簧
防转销断掉或失去作用：换防转销
停用后重新开动时泄漏
摩擦面有结焦或水垢产生：清洗密封件
弹簧间有结晶或固体粒子
动环或止推环卡住
摩擦副表面磨损过快
弹簧力过大端面比压过大：更换弹簧
密封介质不清洁：加过滤装置
弹簧压缩量过大：调整弹簧
操作中密封发出爆裂声（端面爆裂声）
密封液在密封界面汽化：加强密封面的冷却，与密封生产商一起检查密封平衡，增加旁路冲洗管线（如果没有的话）扩大旁路冲洗管线和/或压盖上的开孔。
密封连续滴漏
表面不平：检查不正确的安装尺寸
石墨密封面起泡：检查是否采用了不合适的材料和密封类型
密封面产生热变形：改进冲洗冷却管线，检查是否出现压盖螺栓扭矩过大导致压盖变形，检查压盖垫片的比压是否合适，检查密封面间有无其他固体颗粒，如需要时对密封面重新抛光。检查密封面处的裂纹，更换主、配合密封环
在安装过程中，辅助密封被划伤：更换辅助密封，检查内倒角是否合适、毛刺等
O形圈老化，由于压缩形变辅助密封变硬变脆：确定合适的密封类型
由于化学作用辅助密封变软变粘：与密封生产商一起确定合适的材质
弹簧失效：更换零部件
由于腐蚀作用，金属附件损坏，传动机构被腐蚀：与密封生产商一起确定其他材质
操作过程中，密封发出尖啸声
密封处的润滑液量不足：增加旁路冲洗管线或扩大旁路冲洗管线和/或压盖上的开孔
在压盖环外侧有碳粒聚积
密封面处的润滑液量不足：增加旁路冲洗管线或扩大旁路冲洗管线和/或压盖上的开孔
密封面处的液膜蒸发：如果填料函中的压力过高，确定合适的密封结构
密封泄露
没有发现原因：参考“密封连续滴漏”改正措施，检查填料函与轴的垂直度，将轴、叶轮、轴承对中，防止轴的振动及压盖和/或配合密封环的变形
密封寿命短
腐蚀性介质：防止腐蚀性介质在密封面处堆积增加旁路冲洗管线（如果没有的话）使用腐蚀介质分离器或过滤器
密封运转过热：增加密封面的冷却，扩大旁路冲洗管线的流量，检查冲洗管线受堵塞部位
设备没对中：对中，检查轴上密封的磨损。
