第三章機(jī)械密封第四節(jié)機(jī)械密封的失效分析與故障診斷

第三章機(jī)械密封第四節(jié)機(jī)械密封的失效分析與故障診斷課程目標(biāo)【知識(shí)目標(biāo)】掌握機(jī)械密封失效的定義與外部特征；掌握機(jī)械密封的失效形式；熟悉機(jī)械密封失效的分析方法?！灸芰δ繕?biāo)】能對(duì)機(jī)械密封進(jìn)行失效診斷；能根據(jù)機(jī)械密封的失效提出解決措施。知識(shí)點(diǎn)0102目錄機(jī)械密封失效及外部特征機(jī)械密封的失效形式03機(jī)械密封的失效分析方法04機(jī)械密封失效的診斷檢查05機(jī)械密封失效案例分析一、機(jī)械密封失效及外部特征被密封的介質(zhì)通過密封部件并造成下列情況之一者，則認(rèn)為密封失效：從密封系統(tǒng)中泄漏出的介質(zhì)量超標(biāo)。密封系統(tǒng)的壓力降低的值超標(biāo)。加入到密封系統(tǒng)的阻塞流體或緩沖流體（如雙端面機(jī)械密封的封液）的量超標(biāo)。密封失效的定義一、機(jī)械密封失效及外部特征密封失效的外部癥狀密封持續(xù)泄漏工作時(shí)密封尖叫密封面外側(cè)有石墨粉塵積聚工作時(shí)密封發(fā)出爆鳴聲密封泄漏和密封環(huán)結(jié)冰泵和（或）軸振動(dòng)密封壽命短泄漏點(diǎn)泄漏通道產(chǎn)生原因1密封端面問題①端面不平；②端面出現(xiàn)裂紋，破碎；③端面發(fā)生嚴(yán)重的熱變形或機(jī)械變形2輔助密封問題①安裝時(shí)輔助密封被壓傷或擦傷；②介質(zhì)從軸套間隙中漏出；③O形圈老化；④輔助密封屈服變形（變硬或變脆）；⑤輔助密封圈出現(xiàn)化學(xué)腐蝕（變軟或變黏）3密封零件問題①彈簧失效‘②零件發(fā)生腐蝕破壞；③傳動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)生腐蝕破壞機(jī)械密封出現(xiàn)持續(xù)泄漏的原因序號(hào)機(jī)械密封失效原因1密封與軸的直接摩擦設(shè)備整體布置不合理2密封端面的嚴(yán)重磨損密封介質(zhì)中含有固體懸浮顆粒3機(jī)械密封過熱密封運(yùn)行時(shí)介質(zhì)溫度過高或潤滑不充分4機(jī)械密封與密封工況不匹配機(jī)械密封所選形式或密封材料與密封工況不相適應(yīng)機(jī)械密封過早失效的原因二、機(jī)械密封的失效形式失效形式腐蝕失效熱損傷失效磨損失效因腐蝕引起的失效：表面腐蝕

點(diǎn)蝕應(yīng)力腐蝕晶間腐蝕縫隙腐蝕磨損腐蝕電化學(xué)腐蝕機(jī)械密封件因過熱而導(dǎo)致的失效，即為熱損傷失效，最常見的熱損傷失效有端面熱變形、熱裂、皰疤、炭化、彈性元件的失彈，橡膠件的老化、永久變形、龜裂等。由于選材不當(dāng)。因端面、碳石墨環(huán)的長期磨損而失效。硬度越高越耐磨軟環(huán)材料均選擇硬質(zhì)碳石墨在介質(zhì)潤滑性能差、易產(chǎn)生干摩擦的場(chǎng)合，如輕烴介質(zhì)，采用硬質(zhì)碳石墨，會(huì)導(dǎo)致其磨損速率高。三、機(jī)械密封的失效分析方法通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)狀況的詢問、觀察、檢查及必要的測(cè)試，即收集現(xiàn)場(chǎng)資料的過程，還要注意資料的真實(shí)性和完整性。將調(diào)查所得的資料進(jìn)行歸納整理，去粗取精，去偽存真，抓住主要問題加以綜合、分析和推論，排除那些數(shù)據(jù)不足的表面現(xiàn)象，抓住一個(gè)或兩個(gè)最符合實(shí)質(zhì)的癥狀，作出初步診斷。從全面研究所得的資料出發(fā)，抓住各種故障現(xiàn)象的共性和特殊性進(jìn)行歸納、分析，找出其相互間的內(nèi)在聯(lián)系和發(fā)生、發(fā)展的規(guī)律，得出故障原因的分析結(jié)論。初步診斷要列舉已確定的故障部位和進(jìn)行故障機(jī)理分析，包括對(duì)故障零件的材料、故障系統(tǒng)的診斷。對(duì)故障的認(rèn)識(shí)，需要經(jīng)過“實(shí)踐、認(rèn)識(shí)、再實(shí)踐、再認(rèn)識(shí)”的過程。作出初步診斷以后，在修理過程中還需注意故障的變化和其波及面的演變，如發(fā)現(xiàn)新的情況與初步診斷不符，應(yīng)及時(shí)作出補(bǔ)充或更正，使診斷更符合于客觀實(shí)際。現(xiàn)場(chǎng)維修人員只有通過反復(fù)的維修實(shí)踐，在技術(shù)上精益求精，不斷地提高對(duì)故障的認(rèn)識(shí)，才能盡快地排除故障，提高維修效率，更好地為企業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。資料收集綜合分析初步診斷在維修實(shí)踐中驗(yàn)證診斷對(duì)設(shè)備精度、性能或安全影響最大的故障，列在最前；主要故障在故障機(jī)理上與主要故障有密切關(guān)系的其他故障，列于主要故障之后，視生產(chǎn)形勢(shì)隨機(jī)排除；并發(fā)故障與主要故障無關(guān)而同時(shí)存在的其他故障，排列在最后，視生產(chǎn)情況隨機(jī)排除或列入計(jì)劃排除。伴發(fā)故障四、機(jī)械密封失效的診斷檢查機(jī)械密封在拆卸過程中，能夠檢查出可能出現(xiàn)的某些失效癥狀。為了保證密封性能和機(jī)械密封的使用壽命，在拆卸過程中建議采用下列步驟進(jìn)行檢查：①觀察密封失效的外部癥狀；②進(jìn)行拆卸前檢查；③進(jìn)行拆卸中檢查；④密封的直觀檢查，包括對(duì)密封端面、輔助密封和密封零件的檢查。四、機(jī)械密封失效的診斷檢查拆卸前檢查四、機(jī)械密封失效的診斷檢查拆卸中檢查四、機(jī)械密封失效的診斷檢查拆卸中檢查四、機(jī)械密封失效的診斷檢查拆卸中檢查五、機(jī)械密封失效案例分析核電廠主給水泵機(jī)械密封失效分析及改進(jìn)某核電廠每臺(tái)機(jī)組配備3臺(tái)50％×2的主給水泵（APA），每臺(tái)主給水泵均由一臺(tái)前置泵及壓力級(jí)泵組成，結(jié)構(gòu)均為單級(jí)雙吸泵。其壓力級(jí)泵的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)為：額定揚(yáng)程574.7m，額定流量3620.4m3/h，額定轉(zhuǎn)速4805r/min。主給水泵作為核電站常規(guī)島最為重要的泵組，承擔(dān)著一回路與二回路熱量轉(zhuǎn)換的重要功能。每臺(tái)APA泵組壓力級(jí)泵的驅(qū)動(dòng)端與非驅(qū)動(dòng)端機(jī)械密封均為德國伯格曼供貨，型號(hào)為SAFV1

/147-E1-A1。密封動(dòng)環(huán)設(shè)置了螺旋泵送環(huán)結(jié)構(gòu)，在密封旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)冷卻液內(nèi)部循環(huán)，結(jié)構(gòu)如圖所示，通過熱交換器將機(jī)封密封腔內(nèi)的熱量傳遞給閉式冷卻水，達(dá)到密封端面降溫的目的。設(shè)置兩路過濾器將介質(zhì)中的雜質(zhì)進(jìn)行過濾，對(duì)密封起到保護(hù)作用。五、機(jī)械密封失效案例分析核電廠主給水泵機(jī)械密封失效分析及改進(jìn)4APA102PO壓力級(jí)泵非驅(qū)動(dòng)端機(jī)械密封腔室溫度穩(wěn)定在59.9℃，在隨后的1min內(nèi)，該溫度陡升至73.1℃，隨后17min內(nèi)溫度降低并在50～60℃之間波動(dòng)；12min后，機(jī)組溫度突然升高至91.3℃，現(xiàn)場(chǎng)檢查機(jī)封泄漏量交替出現(xiàn)滴漏及滿管流情況；2min后溫度降低到60～70℃之間波動(dòng)，機(jī)封泄漏量為噴射狀態(tài)，隨著泵腔內(nèi)的水注入機(jī)械密封腔室，最終機(jī)組溫度為156.4℃。故障描述五、機(jī)械密封失效案例分析核電廠主給水泵機(jī)械密封失效分析及改進(jìn)對(duì)磨損的機(jī)封解體檢查，主要異常有：

（1）動(dòng)環(huán)（石墨環(huán)）已完全磨平，磨損高度超過3mm（新動(dòng)環(huán)部件的密封高度標(biāo)準(zhǔn)3.1～3.2mm），密封寬度由標(biāo)準(zhǔn)的6.5mm增加至磨平后的15.2mm；（2）浮動(dòng)環(huán)（靜環(huán)）輔助密封圈（EPDM）有溶脹現(xiàn)象，由原始標(biāo)準(zhǔn)尺寸164.4mm×5.33mm脹大至175mm

×5.6mm；（3）密封軸套、靜環(huán)座及彈簧座上均有油類物質(zhì)，經(jīng)過化驗(yàn)為礦物油；（4）靜環(huán)座與輔助密封圈接觸位置存在磨痕。調(diào)取該機(jī)封失效前半年的運(yùn)行溫度參數(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在機(jī)封失效前兩個(gè)月已經(jīng)開始頻繁出現(xiàn)機(jī)封溫度高的情況，且機(jī)封泄漏液伴有黑色物質(zhì)流出，但因機(jī)組狀態(tài)限制，僅通過定期清洗機(jī)封冷卻水管路上的磁性過濾器進(jìn)行緩解。五、機(jī)械密封失效案例分析核電廠主給水泵機(jī)械密封失效分析及改進(jìn)（1）機(jī)封冷卻水設(shè)計(jì)流量不足，導(dǎo)致密封端面液膜汽化；（2）機(jī)封冷卻水過濾器堵塞，導(dǎo)致冷卻水流量降低；（3）換熱器的安裝高度異常，影響冷卻水的換熱效率；（4）轉(zhuǎn)子的軸向定位異常，導(dǎo)致機(jī)封過壓縮被磨損；（5）靜環(huán)座Ｏ形圈溶脹，阻礙靜環(huán)座的軸向微動(dòng)補(bǔ)償原因分析五、機(jī)械密封失效案例分析核電廠主給水泵機(jī)械密封失效分析及改進(jìn)（1）機(jī)封冷卻水設(shè)計(jì)流量分析平衡系數(shù)：

端面比壓：彈簧比壓：

端面摩擦功率：

密封面的平均轉(zhuǎn)速：

介質(zhì)導(dǎo)熱功率：

五、機(jī)械密封失效案例分析核電廠主給水泵機(jī)械密封失效分析及改進(jìn)（1）機(jī)封冷卻水設(shè)計(jì)流量分析機(jī)封所需冷卻水量：

機(jī)封動(dòng)環(huán)座上的螺旋槽結(jié)構(gòu)主要起泵效輪的功能，是機(jī)封冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)力。通過實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證，該型機(jī)封的泵效輪流量與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖所示。將曲線進(jìn)行線性二次擬合后得出該泵效輪轉(zhuǎn)速與實(shí)際流量的關(guān)系為：轉(zhuǎn)速為4500r/min時(shí)，Ｑ實(shí)際＝35.66L/min，與機(jī)封密封腔冷卻所需流量相比，在理論上機(jī)封冷卻水量能夠滿足需求。五、機(jī)械密封失效案例分析核電廠主給水泵機(jī)械密封失效分析及改進(jìn)（2）機(jī)封冷卻水過濾器堵塞分析經(jīng)過測(cè)量，過濾器入口管道直徑為14mm；過濾器進(jìn)口面積為153.89mm2。過濾器有效過濾面積應(yīng)為中間有網(wǎng)孔的部分，其面積約為3640mm2。濾網(wǎng)有效表面為164.23mm2。過濾器通流面積＝濾網(wǎng)有效表面積／過濾器入口面積＝1.07，低于SH/T3411－1999要求（大于1.5）由于二回路中介質(zhì)隨著溶氧量發(fā)生變化，極易造成碳鋼管道被腐蝕產(chǎn)生四氧化三鐵的浮銹物質(zhì)，造成過濾器堵。五、機(jī)械密封失效案例分析核電廠主給水泵機(jī)械密封失效分析及改進(jìn)（2）機(jī)封冷卻水過濾器堵塞分析在濾網(wǎng)堵塞面積為0時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，冷卻水流量為35.66L/min；根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，濾網(wǎng)堵塞時(shí)，其流量與濾網(wǎng)通透率呈正比例關(guān)系，因此該過濾器的流量與濾網(wǎng)通透率的關(guān)系如圖所示。故當(dāng)濾網(wǎng)堵塞面積達(dá)到71.51%時(shí)，實(shí)際流量將至10.16L/min的設(shè)計(jì)值。當(dāng)濾網(wǎng)堵塞面積繼續(xù)增加時(shí)，冷卻水溫度將無法維持在60℃以內(nèi)。五、機(jī)械密封失效案例分析核電廠主給水泵機(jī)械密封失效分析及改進(jìn)（3）機(jī)封冷卻器安裝高度該泵機(jī)械密封使用API

682的PLAN

23沖洗方案，為了增強(qiáng)密封冷卻水的循環(huán)能力，利用冷卻器安裝高度，使冷卻器進(jìn)出口管路中具有虹吸功能，PLAN

23沖洗方案規(guī)定冷卻器安裝高度要高于泵軸中心線450～600mm，但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝的冷卻器高度比泵軸中心線低了約1100mm，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。將冷卻器安裝位置設(shè)置在高于泵軸中心線以上，主要是利用熱虹吸效應(yīng)提高換熱速率，但該速率對(duì)備用泵機(jī)封溫度的影響較大。當(dāng)泵運(yùn)行后，在泵效輪作用下，冷卻介質(zhì)強(qiáng)制循環(huán)，換熱器的安裝高度對(duì)于泵腔的溫度影響較小。五、機(jī)械密封失效案例分析核電廠主給水泵機(jī)械密封失效分析及改進(jìn)（4）轉(zhuǎn)子定位檢查當(dāng)轉(zhuǎn)子定位異常時(shí)，特別是轉(zhuǎn)子向非驅(qū)動(dòng)端移動(dòng)時(shí)會(huì)使機(jī)封壓縮量過大導(dǎo)致磨損失效。檢查機(jī)封失效前軸位移趨勢(shì)平穩(wěn)無異常突變。同時(shí)檢查油封間隙、推力間隙、轉(zhuǎn)子竄量，數(shù)據(jù)如表所示。根據(jù)檢查數(shù)據(jù)判定轉(zhuǎn)子的軸向定位無異常。五、機(jī)械密封失效案例分析核電廠主給水泵機(jī)械密封失效分析及改進(jìn)（5）靜環(huán)座輔助密封圈影響分析經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)靜環(huán)座輔助密封圈存在較為明顯的變形，且該密封圈與靜環(huán)座接觸的位置存磨痕。產(chǎn)生磨痕的主要原因?yàn)闄C(jī)械密封在安裝過程中很難保證密封端面與主軸絕對(duì)垂直，而是會(huì)與主軸形成一個(gè)微量傾角。正常情況下，輔助密封圈的極限壓縮量為0.12mm，即初始?jí)嚎s率為2.25%，與傳統(tǒng)輔助密封圈初始?jí)嚎s量控制在3%～7%之間的結(jié)論基本吻合。但該處的輔助密封圈接觸礦物油溶脹后絲徑變?yōu)?.6mm，壓縮量增加了0.27mm，總壓縮率約為7%，此時(shí)輔助密封圈接觸應(yīng)力增加，軸向接觸摩擦力增加。五、機(jī)械密封失效案例分析核電廠主給水泵機(jī)械密封失效分析及改進(jìn)（5）靜環(huán)座輔助密封圈影響分析若輔助密封圈在軸向微動(dòng)的某一瞬間“掛”在靜環(huán)座上，此時(shí)彈簧力無法克服摩擦力使靜環(huán)進(jìn)行有效的補(bǔ)償，靜環(huán)與動(dòng)環(huán)分開，泄漏量增大，造成密封端面壓力降低，介質(zhì)壓力與彈簧力共同作用下恢復(fù)靜環(huán)的補(bǔ)償功能，密封面貼合，密封泄漏量減小，但摩擦加劇；如此反復(fù)的過程最終使機(jī)封磨損失效。五、機(jī)械密封失效案例分析核電廠主給水泵機(jī)械密封失效分析及改進(jìn)結(jié)論通過上述分析，引起此次機(jī)封失效的主要原因?yàn)椋?/p>

1）該機(jī)封前期因?yàn)V網(wǎng)頻繁被堵塞，機(jī)封冷卻水流量降低，機(jī)封密封端面溫度升高，密封端面摩擦狀態(tài)改變而緩慢磨損；2）由于靜環(huán)座輔助密封圈溶脹，造成其軸向微動(dòng)摩擦力增加，加劇密封端面磨損，導(dǎo)致機(jī)封使用壽命大幅降低五、機(jī)械密封失效案例分析核電廠主給水泵機(jī)械密封失效分析及改進(jìn)改進(jìn)措施驗(yàn)證對(duì)該過濾器進(jìn)行換型。換型后濾網(wǎng)的入口面積不變?nèi)詾?53.89mm2，但將網(wǎng)板的平均面積由原來的3640mm2增大到6175mm2，沖孔水阻系數(shù)不變?nèi)詾?7.6％，濾布目數(shù)增加到350目，濾布水阻系數(shù)變?yōu)?1%，從而有流通面積為1.66>1.5，滿足要求。該改型濾網(wǎng)已實(shí)際應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)當(dāng)前使用情況來看，該濾網(wǎng)與舊濾網(wǎng)相比，不容易被堵塞，且運(yùn)行時(shí)機(jī)封溫度也相較于舊濾網(wǎng)降低了7℃左右。機(jī)封冷卻水過濾器優(yōu)化五、機(jī)械密封失效案例分析核電廠主給水泵機(jī)械密封失效分析及改進(jìn)改進(jìn)措施驗(yàn)證靜環(huán)座輔助密封圈改進(jìn)此次失效的機(jī)封靜環(huán)座輔助密封圈的材質(zhì)為三元乙丙橡膠，其特點(diǎn)是耐高溫，但不耐礦物油，在礦物油環(huán)境中極易發(fā)生溶脹現(xiàn)象。通過分析壓力級(jí)泵非驅(qū)動(dòng)端結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，非驅(qū)動(dòng)端軸承室所散發(fā)出的油霧進(jìn)入機(jī)封所在腔室后無法向外擴(kuò)散，進(jìn)而向機(jī)封靜環(huán)座擴(kuò)散，在輔助密封圈位置處以及彈簧座孔內(nèi)冷凝成油滴，導(dǎo)致密封圈溶脹，油霧擴(kuò)散如圖所示。為了疏通非驅(qū)動(dòng)端軸承室產(chǎn)生的油霧，在非驅(qū)動(dòng)端泵蓋上鉆排氣孔，讓泵蓋密閉腔室內(nèi)的油霧能夠及時(shí)排出，避免油霧在靜環(huán)座位置處冷凝形成油滴。五、機(jī)械密封失效案例分析核電廠主給水泵機(jī)械密封失效分析及改進(jìn)改進(jìn)措施驗(yàn)證