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淺談機械密封的腐蝕類型與防護措施

2010-06-28

　　摘　要：簡述了機械密封腐蝕失效的形態，理論上分析了各種腐蝕的機理、原因、條件及特征，為解決機械密封腐蝕失效的問題提供了重要依據，并提出了抑制和減緩腐蝕發生的具體技術措施。
　　關鍵詞：機械密封；腐蝕失效；防護方法
　　機械密封是靠一對或數對垂直于軸作相對滑動的端面在流體壓力和補償機構的彈力（或磁力）作用下保持貼合并配以輔助密封而達到阻漏的軸封裝置。機械密封出現損壞的情況較多，常見的損壞形式主要有腐蝕損壞、熱損壞和機械損壞。其中腐蝕損壞危害性較大，由于機械密封特殊的結構形式及工作環境和條件不同，腐蝕損壞的形態也多種多樣。
　　1 機械密封的優缺點
　　機械密封又稱端面密封，是旋轉軸用動密封。因機械密封性能可靠，泄露量小，使用壽命長，功耗低，毋須經常維修，且能適應于生產過程自動化和高溫、低溫、高壓、真空、高速以及各種強腐蝕性介質、含固體顆粒介質等苛刻工況的密封要求，故機械密封在化工、石油化工、煉油、醫藥、國防等工業部門中以獲得廣泛的應用。
　　機械密封與軟填料密封比較，有如下優點：①機械密封可靠，在長周期的運行中，密封狀態很穩定，泄漏量很小，按粗略統計，其泄漏量一般僅為軟填料密封的1/100；②機械密封使用壽命長，在油、水類介質中一般可達1～2年或更長時間，在化工介質中機械密封通常也能達半年以上；③摩擦功率消耗小，機械密封的摩擦功率僅為軟填料密封的10%～50%；④軸或軸套基本上不受摩損；⑤維修周期長，端面磨損后可自動補償，一般情況下，毋需經常性的維修；⑥抗振性好，對旋轉軸的振動、偏擺以及軸對密封腔的偏斜不敏感；⑦適用范圍廣，機械密封能用于低溫、高溫、真空、高壓、不同轉速，以及各種腐蝕性介質和含磨粒介質等的密封。但其缺點有：①機械密封結構較復雜，對制造加工要求高；②機械密封安裝與更換比較麻煩，并要求工人有一定的安裝技術水平；③發生偶然性事故時，機械密封處理較困難；④機械密封一次性投資高。
　　2 機械密封的腐蝕類型
　　2.1金屬環腐蝕
　　，表面均勻腐蝕。如果金屬環表面接觸腐蝕介質，而金屬本身又不耐腐蝕，就會產生表面腐蝕，其現象是泄漏、早期磨損、破壞、發聲等。第二，應力腐蝕破裂。金屬在腐蝕和拉應力的同時作用下，首先在薄弱區產生裂縫，進而向縱深發展，產生破裂，稱為應力腐蝕破裂，選用堆焊硬質合金及鑄鐵、碳化鎢、碳化鈦等密封環，容易出現應力腐蝕破裂。密封環裂紋一般是徑向發散型的，可以是一條或多條。這些裂縫溝通了整個密封端面，加速了端面的磨損，使泄漏量增加。
　　2.2非金屬環腐蝕
　　，石墨環腐蝕。用樹脂浸漬的不透性石墨環，它的腐蝕有三個原因：一是當端面過熱，溫度大于180℃時，浸漬的樹脂要折離石墨環，使環耐磨性下降；二是浸漬的樹脂若選擇不當，就會在介質中發生化學變化，也使耐磨性下降；三是樹脂浸漬深度不夠，當磨去浸漬層后，耐磨性下降。所以密封冷卻系統的建立，選擇耐蝕的浸漬樹脂，采用高壓浸漬，增加浸漬深度是非常必要的。第二，石墨環的氧化。在氧化性的介質中，端面在干摩擦或冷卻不良時，產生350～40℃的溫度能使石墨環與氧發生反應，產生CO₂氣體，可使端面變粗糙，甚至破裂。非金屬環在化學介質和應力的同時作用下，也會破裂。第三，聚四氟乙烯（F4）密封環的腐蝕。F4填充如玻璃纖維、石墨粉、金屬粉等以提高其耐溫性、耐磨性。填充F4環的腐蝕主要是指填充的選擇性腐蝕、溶出或變質破壞。例如在氫氟酸中，玻璃纖維分子熱腐蝕，所以填充何物應視具體情況而定。
　　2.3 輔助密封圈及其接觸部位的腐蝕
　　（1）輔助密封圈的腐蝕。橡膠種類不同，其耐蝕性亦不同。由于橡膠的腐蝕、老化，其失效的橡膠遭腐蝕后表面變粗糙且失去彈性，容易斷裂。橡膠耐油性因品種而異，不耐油的橡膠易脹大、摩擦力增大，浮動性不好，使密封失效。橡膠與F4耐溫性差，硅橡膠耐溫性Z好，可在200℃使用。（2）與輔助密封圈接觸部位的腐蝕。機械密封動環、軸套、靜環、靜環座，與橡膠或F4輔助密封圈接觸處沒有大的相對運動，該處液相對靜止易形成死角，給與之接觸的金屬軸套、動環、靜環座及密封體等造成了特種腐蝕，主要有縫隙腐蝕、摩振腐蝕、接觸腐蝕，三種腐蝕同時存在，交替進行，所以腐蝕面較寬、較深。觀察其表面深度在1-1.5倍密封圈直徑，蝕度不小于0.01mm時，密封泄漏就嚴重了。
　　3 防護方法
　　3.1 選材
　　設計者Z清楚產品或零件的用途、位置及所處環境，因此設計者在進行結構設計時應選擇適合的材料，同時對產品或工件的表面涂層進行設計，在圖紙上提出相應的表面處理方法及技術要求。當然，這要求設計人員必須對不同材料或不同涂層、鍍層的防腐蝕性能、適用場合、工藝性及經濟性等熟悉。比如，容易發生點蝕的工件可選用耐點蝕的合金材料，或對表面進行鈍化處理，提高材料的穩定性；為防止縫隙腐蝕或電偶腐蝕的發生，可在接合面上涂上油漆，避免縫隙部位金屬裸露或避免不同金屬的直接接觸。過去推土機的管夾都是普通薄板制作，兩三年就可能嚴重銹蝕，對軟管失去固定作用，導致軟管與其它零件發生摩擦磨損，Z終導致液壓系統漏油。采用不銹鋼材料后，壽命增加，避免了類似問題的發生。
　　3.2 結構設計
　　工程機械產品在整體布置上要考慮防止腐蝕介質的積聚，盡量避免封閉區域，或保持封閉系統通風和排水良好，如考慮整車的通風、散熱，發動機尾氣排放要通過凈化、降溫等；在外形設計上注意防護，避免積存水汽和塵土。注意外露件的保護，電器件與接頭布置在內側，或加防護罩殼。整車外露易腐蝕和易進水的部位設防塵罩。零部件設計時考慮其均勻腐蝕，選擇一種或幾種組合防腐方式。
　　（1）在設計中盡量采用圓角或在可能時規定磨圓拐角，整個設計都應考慮到便于對拐角處的打磨。（2）由于表面灰塵會引起金屬的腐蝕，因此應避免裝配后工件表面積存灰塵。（3）對于外露面或可以進入風雨的部位，盡量不采用點焊，而應該采用連續焊，不僅美觀，而且防腐蝕效果好，能防止縫隙腐蝕的發生。而且，對于表面形狀來說，對接的防腐蝕性能比搭接要好。（4）焊縫經過打磨和清理，會大大改善表面狀態，提高防腐蝕能力。而且，對工件表面盡可能要求清理，使表面無焊渣、焊疤、焊瘤等表面缺陷。
　　 3.3 維護與使用
　　建立封液及冷卻系統，并經常更換封液及冷卻液，加強對端面冷卻。檢修與安裝時，嚴禁敲擊密封件，以防止局部相變而為腐蝕提供條件。密封件安裝前，應嚴格地清洗干凈。

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