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機械密封故障原因——摩擦副材料分析
2024-05-08
用作摩擦副的材料雖然很多，然而確定機械密封摩擦副合適的組對材料并非容易。從組對材料的相容性、耐磨蝕性等角度出發，往往要通過大量的臺架試驗，以及現場應用的經驗積累，才能確定磨擦副的優化組合。此外，還要通過合理的結構設計，才能充分發揮材料優異的性能。
一、碳石墨
碳石墨有幾十種可供選用，其性質各異。必須了解各種碳石墨的牌號、性能及供貨來源，合理選用。以下介紹一些失效形式及如何選用這類材料。
1、高磨損
目前，在選材時普遍存在著一種傾向，即無論何種工況一律采用硬質碳石墨，認為硬度越髙越耐磨。然而，在有些工況下卻并非如此。例如，對介質的潤滑性差，或無潤滑性，或易產生干摩擦的場合，如輕烴介質，使用硬質的 M106k磨損較大，而釆用軟質的高純電化石墨磨損小，這是因為軟質石墨具有優良的低摩擦性能，它是由于石墨晶體自潤滑性能好，運轉期間有一層極薄的石墨膜向對偶件表面轉移，使摩擦面得到潤滑，摩擦系數下降，磨損減小。當組對材料為噴涂陶瓷時，以選用中等硬度的石墨為宜。
若介質中固體顆粒含量超過5%時，碳石墨不宜作單端面機械密封的組對材料，也不宜作串聯布置中的主密封環。否則，密封件會出現高磨損。
2、泡疤
在熱油泵中，常會發現機械密封的碳石墨環端面上出現凹坑、疤塊。這是在選用碳石墨材料時，沒有充分研究浸漬物與碳石墨材料結合的溫度。由于浸漬物的不同，碳石墨密封件的適用溫度范圍也就不同。例如，浸酚醛樹脂石墨， 當摩擦副表面溫度超過180°C時，樹脂會在密封端面分解形成硬粒和析出揮發物，形成疤痕，從而極大地增加摩擦力，使表面損傷而出現泄漏。在條件允許的情況下，減小摩擦副的接觸寬度，對降低摩擦熱造成的溫升是有效的。所以，適當減小碳石墨環摩擦寬度，有利于防止泡疤的發生。質量較差的碳石墨環，因內部氣孔較多，使用時氣孔膨脹，將碳微粒及樹脂揮發物吹出而形成泡疤，而且將會引起密封端面黏著。因此，高溫工況推薦用浸銅或浸銻石墨。
3、咬合破裂
在高溫場合下， 選擇浸漬金屬碳石墨是有利的。因為無論是接觸端面溫度或導熱系數都要比浸漬樹脂的高許多。但是，在機械密封運行時，若出現干摩擦，密封更容易失效，端面瞬時高溫，金屬浸漬物會出現熔滴 ，造成端面咬焊而使密封件破裂。浸巴氏合金，銅合金或銻的碳石墨環，不宜用于高溫干摩擦工況。高溫干摩擦運轉應采用浸銀石墨。金屬銀具有良好的自潤滑性，可有效地防止咬合破裂現象發生。
4、斷裂
石墨的裂紋是由傳動件的振動、 密封圈的脹大以及石墨環本身界面的尖角處應力集中造成的。當碳石墨環用于高黏度流體中時， 特別是做浮裝式非補償環， 由于流體的黏性阻力， 使碳石墨密封環產生前后顛簸而碎裂。因此， 碳石墨密封環應使用流體黏度界限制在 30Pa.s 以下，對高黏度流體，可用銅合金環替代碳石墨環。
5、變形
浮裝式碳石墨非補償環，在高壓下容易產生變形，故高壓工況推薦用接觸式安裝。大軸徑的非補償環，更應注意其形狀及外形尺寸的設計，增大徑向及軸向尺寸以防變形。夾緊式結構的碳石墨環，當軸徑在100mm以上時，用聚四氟乙烯0形圈夾緊，容易造成碳石墨環變形，因此，推薦用橡膠O形圈。
二、工程陶瓷
工程陶瓷是耐腐蝕用機械密封不可缺少的摩擦副材料之一。若選用不當，也會出現很多問題。陶瓷是一種硬、 脆且對切口及熱沖擊敏感的材料。以下介紹使用工程陶瓷易出現的失效形式及選材方法。
1、斷裂
脆性是所有陶瓷共有的缺點。特別是棱角部位受沖擊載荷易裂。設計上盡量采用簡單的形狀，避免有尖角存在。安裝、拆卸、儲運過程中應極其小心， 不能有沖擊載荷。裝配過緊是陶瓷環破裂的主要原因（其強度為硬質合金的 1/4)。熱沖擊也是陶瓷環破裂的常見原因，密封裝置可能會暫時短時間地干運轉，因而溫度升髙，當液體突然進入密封界面，使瓷環驟然冷卻，于是產生了難以承受的熱應力而破壞。所以，無論哪種陶瓷都要考慮其耐溫度驟變的性能。髙溫工況下，若經常出現驟冷現象，好不采用氧化鋁陶瓷，可用其它材料替換。純度為 95%的氧化鋁陶瓷易于破裂。純度越髙、粒度越細的髙純氧化鋁瓷環卻不易破裂。
為彌補陶瓷強度低的缺點，可用鑲裝結構。為防止脫環，多采用鈦合金材料作環座，過盈量一般在0.05~0.08mm 范圍內選取。這樣，既避免瓷環碎或脫環，又可保持兩者材料在耐腐蝕方面的同一性。
陶瓷材料的機械強度雖然低，但要是結構設計合理，使用和操作得當，在給定工況條件下，使用壽命仍然較長。
2、組對性能
氮化硅陶瓷用作機械密封摩擦副材料具有選擇性。例如，在稀硫酸中氮化硅與填充玻璃纖維聚四氟乙烯組對時，氮化硅的磨耗大， 而與碳石墨組對時效果較好；用鉻鋼玉陶瓷與填充玻璃纖維聚四氟乙烯組對時，效果佳。氮化硅陶瓷相互組對不僅磨耗大，泄漏量也大，宜在低負荷條件下使用。碳化硅陶瓷與碳石墨組對可用于高負荷條件。
三、 硬質合金
盡管硬質合金的組對性能好，但隨使用工況不同，其組對性能也具有選擇性。
鈷基硬質合金彼此組對，在高溫場合端面容易產生熱裂紋；若用鎳基硬質合金與鈷基硬質合金組對則可得以改善。
硬質合金中的碳化物在室溫下一般能抗大多數酸堿的腐蝕。用鈷作為粘結劑的鈷基硬質合金，由于鈷易被氧化以及耐蝕性差，所以耐蝕性能不夠理想， 容易產生粘著、 腐蝕磨損。
熱水泵宜采用鎳基硬質合金，例如，用鎳基硬質合金與碳石墨組對比用鈷基硬質合金與碳石墨組對的壽命高一倍。當泵停用較長一段時間后，后者的起動轉矩約為前者的4倍。
(來源：機械密封)
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