天然气化工设备机械密封失效的改进研究

薛永攀

（合肥万豪能源设备有限责任公司，安徽合肥 230023）

摘 要：确保天然气化工设备具有较好的机械密封性能，对保证天然气化工设备安全高效运行，降低事故率起着重要作用。为此，通过对机械密封失效类型和原因的分析，对天然气化工设备的机械密封选型、改造设计能够使天然气化工设备机械具有更高的密封性能和使用寿命，使用成本低，达到预期效果，对天然气化工设备密封升级具有重要的指导作用。

关键词：天然气化工装置；机械密封；失效原因；选型改进

1.机械密封特点分析

机械密封较为常见的是化工设备的轴密封装置，通过在压力和补偿机构的弹性力的作用下保持一对或几对相对滑动端面垂直，从而对防漏功能进行实现。机械密封的效果很大程度上依赖于密封材料的满足与实现，不同的密封介质最终达到的密封效果也是千差万别，另外根据天然气化工设备的不同功能及不同安装和使用形式，其机械密封的要求和密封材质的选择也不尽相同，其特点也有大大不同，同时在天然气化工设备机械密封的适应性要求也不同，一般来说天然气化工设备对密封材料的要求更好，不仅要求密封材料的质量，更要求以不泄漏介质为主，同时在机械强度和硬度上也有一定的要求，有的天然气化工设备机械密封不仅要求压缩性和回弹性更好，永久变形小，同时更要求在高温下不软化，不分解，在低温下不硬化，不脆裂等。

2.机械密封失效的检查及主要失效形式

通过对失效原因的分析，可以提高机械密封应用的技术水平。机械密封失效的检查首先要找出损坏的密封件对密封性能的影响，然后仔细检查密封圈、传动部件、加载弹性元件、辅助密封圈、防旋转机构、紧固螺钉等附件的磨损痕迹，密封腔和密封系统也应进行全面检查。此外，还需要了解设备的操作条件和以前的密封故障。在此基础上，进行综合分析，找出故障的根本原因。通过检查分析可知，机械密封常见的失效形式有腐蚀失效、热损失效应和磨损失效。

3.机械密封失效原因分析

3.1腐蚀失效。机械密封腐蚀引起的故障有很多，如表面发生穿孔多是由于腐蚀引起，在化工设备中的弹簧零件中表现更加明显。机械密封失效还表现在点腐蚀上，即密封套中会出现某一点或大面积点发生腐蚀导致穿孔。机械密封还会发生晶间腐蚀，是指碳化钨环不锈钢环底座采用钎焊连接而引起的腐蚀失效。还有当天然气化工设备中的机械密封采用金属焊接波纹管、弹簧等的情况时，在应力和介质腐蚀的共同作用下会导致应力腐蚀破裂，同样属于腐蚀失效的一种。对于机械密封的腐蚀失效一般采用涂上粘结剂，以减少间隙的腐蚀。另一种电化学腐蚀是指不同的金属经常在介质中引起电化学腐蚀，这会使插入环松动并影响密封，通常通过施加粘合剂来克服。

3.2热损失效。天然气化工设备的机械密封出现表面干摩擦、冷却突然中断、杂质进入密封表面、退出等现象，即是机械密封出现了热损失效，热损失效会导致化工设备的机械密封环表面出现径向裂纹，从而产生机械密封端面静环的急剧磨损，从而导致天然气化工设备的机械密封表面泄漏发生，且快速增加。还有发泡和碳化的形式，主要是由于石墨环等的使用超过了允许的使用温度，表面会析出树脂，树脂在摩擦面附近会碳化，当有粘结剂时会发泡软化，使密封面泄漏增加，密封失效。此外，老化、开裂和膨胀的形式主要是因为橡胶在允许的温度之外继续使用，会迅速老化、开裂、硬化并失去弹性。如果有机介质会膨胀并失去弹性，则会导致密封失效。如果密封失效是由热损失引起的，关键是要尽量减少摩擦热，提高散热性能，使密封面不发生温度突变。

3.3磨损失效。主要原因是摩擦副如果材料耐磨性差，摩擦系数大，端面比压过大，导致部分固体颗粒进入密封面，从而加剧天然气化工设备的机械密封面的磨损，从而发生天然气化工设备的机械密封失效，导致设备故障。对于此类的机械失效一般采用在安装过程中采用降低磨擦阻力的方式，同时选择耐磨材料来降低和减少磨损失效。

4.以天然气化工设备端面密封为例的改进设计

机械密封结构多种多样，最常用的机械密封结构是端部密封。端密封的静环和动环形成一对摩擦副，摩擦副的作用是避免泄漏天然气化工设备中使用的介质。为此，密封表面需要良好的加工质量，以确保密封对具有良好的粘合性能。机械密封的基本部件有静环、动环、压盖、推环、弹簧、定位环、衬套、动环密封环、静环密封环衬套密封环等。所以在机械密封的结构设计改进时，要从弹性部件入手，比如弹簧、波纹管的位置设计安装，使其在机械密封中的预紧、补偿和缓冲达到最佳的效果和最优的作用，从而确保端部密封副与从动环的良好配合，另外，还要改进材料的选择和选择的型号，一般要求材料要具有更高质量的耐腐蚀性和抗疲劳性。图1为天然气化工设备端面密封结构示意图。

辅助密封（0型环、V型环、U型环、楔环、异形环等）主要起静环和动环的密封作用，也起浮动和缓冲作用。静环的密封元件需要保证静环与压盖之间的密封，静环具有一定的浮力，动环的密封件可以保证动环与轴或套筒之间的密封以及动环的浮力。这种材料应该是耐热的。在改进设计时，应优化选择辅助密封材料。橡胶材料制成的O型环、垫圈和波纹管可用于一般介质。聚四氟乙烯制成的V形环、楔形环、垫圈和波纹管可用于腐蚀性介质；金属波纹管可以在高温和低温下使用。同时，应考虑材料的使用温度和耐腐蚀性。此外，还应改进选择，由于介质和工作条件的不同，机械密封往往在耐高温、耐高压和耐腐蚀方面具有相对较大的间隙。因此，在实际应用过程中，有必要根据实际应用情况做出合理选择。为了最大限度地提高机械密封的实际性能，应调查密封圈的工作条件，掌握工作压力、介质性能、温度等条件，进行合理选择。一旦选择不慎，很容易对密封圈的使用寿命产生非常大的影响，甚至可能造成永久性损坏。

综上所述，天然气化工设备的机械密封与事故故障密不可分，提升和改进天然气化工设备的机械密封效果，减少其失效，延长并提升机械密封的寿命及效果，对于天然气化工设备的正常工作以及天然气化工行业的安全稳定有着至关重要的作用，因为需要在加强天然气化工设备的日常检修和维护以外，在天然气化工设备机械密封的材料选择、密封选型以及结构设计上进行改进，能有效提升天然气化工设备的机械密封有效率。

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