第三章機械密封第四節機械密封的失效分析與故障診斷課程目標【知識目標】掌握機械密封失效的定義與外部特征；掌握機械密封的失效形式；熟悉機械密封失效的分析方法。【能力目標】能對機械密封進行失效診斷；能根據機械密封的失效提出解決措施。知識點0102目錄機械密封失效及外部特征機械密封的失效形式03機械密封的失效分析方法04機械密封失效的診斷檢查05機械密封失效案例分析一、機械密封失效及外部特征被密封的介質通過密封部件并造成下列情況之一者，則認為密封失效：從密封系統中泄漏出的介質量超標。密封系統的壓力降低的值超標。加入到密封系統的阻塞流體或緩沖流體（如雙端面機械密封的封液）的量超標。密封失效的定義一、機械密封失效及外部特征密封失效的外部癥狀密封持續泄漏工作時密封尖叫密封面外側有石墨粉塵積聚工作時密封發出爆鳴聲密封泄漏和密封環結冰泵和（或）軸振動密封壽命短泄漏點泄漏通道產生原因1密封端面問題①端面不平；②端面出現裂紋，破碎；③端面發生嚴重的熱變形或機械變形2輔助密封問題①安裝時輔助密封被壓傷或擦傷；②介質從軸套間隙中漏出；③O形圈老化；④輔助密封屈服變形（變硬或變脆）；⑤輔助密封圈出現化學腐蝕（變軟或變黏）3密封零件問題①彈簧失效‘②零件發生腐蝕破壞；③傳動機構發生腐蝕破壞機械密封出現持續泄漏的原因序號機械密封失效原因1密封與軸的直接摩擦設備整體布置不合理2密封端面的嚴重磨損密封介質中含有固體懸浮顆粒3機械密封過熱密封運行時介質溫度過高或潤滑不充分4機械密封與密封工況不匹配機械密封所選形式或密封材料與密封工況不相適應機械密封過早失效的原因二、機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

點蝕應力腐蝕晶間腐蝕縫隙腐蝕磨損腐蝕電化學腐蝕機械密封件因過熱而導致的失效，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。因端面、碳石墨環的長期磨損而失效。硬度越高越耐磨軟環材料均選擇硬質碳石墨在介質潤滑性能差、易產生干摩擦的場合，如輕烴介質，采用硬質碳石墨，會導致其磨損速率高。三、機械密封的失效分析方法通過對現場狀況的詢問、觀察、檢查及必要的測試，即收集現場資料的過程，還要注意資料的真實性和完整性。將調查所得的資料進行歸納整理，去粗取精，去偽存真，抓住主要問題加以綜合、分析和推論，排除那些數據不足的表面現象，抓住一個或兩個最符合實質的癥狀，作出初步診斷。從全面研究所得的資料出發，抓住各種故障現象的共性和特殊性進行歸納、分析，找出其相互間的內在聯系和發生、發展的規律，得出故障原因的分析結論。初步診斷要列舉已確定的故障部位和進行故障機理分析，包括對故障零件的材料、故障系統的診斷。對故障的認識，需要經過“實踐、認識、再實踐、再認識”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，如發現新的情況與初步診斷不符，應及時作出補充或更正，使診斷更符合于客觀實際。現場維修人員只有通過反復的維修實踐，在技術上精益求精，不斷地提高對故障的認識，才能盡快地排除故障，提高維修效率，更好地為企業生產服務。資料收集綜合分析初步診斷在維修實踐中驗證診斷對設備精度、性能或安全影響最大的故障，列在最前；主要故障在故障機理上與主要故障有密切關系的其他故障，列于主要故障之后，視生產形勢隨機排除；并發故障與主要故障無關而同時存在的其他故障，排列在最后，視生產情況隨機排除或列入計劃排除。伴發故障四、機械密封失效的診斷檢查機械密封在拆卸過程中，能夠檢查出可能出現的某些失效癥狀。為了保證密封性能和機械密封的使用壽命，在拆卸過程中建議采用下列步驟進行檢查：①觀察密封失效的外部癥狀；②進行拆卸前檢查；③進行拆卸中檢查；④密封的直觀檢查，包括對密封端面、輔助密封和密封零件的檢查。四、機械密封失效的診斷檢查拆卸前檢查四、機械密封失效的診斷檢查拆卸中檢查四、機械密封失效的診斷檢查拆卸中檢查四、機械密封失效的診斷檢查拆卸中檢查五、機械密封失效案例分析核電廠主給水泵機械密封失效分析及改進某核電廠每臺機組配備3臺50％×2的主給水泵（APA），每臺主給水泵均由一臺前置泵及壓力級泵組成，結構均為單級雙吸泵。其壓力級泵的設計工況點為：額定揚程574.7m，額定流量3620.4m3/h，額定轉速4805r/min。主給水泵作為核電站常規島最為重要的泵組，承擔著一回路與二回路熱量轉換的重要功能。每臺APA泵組壓力級泵的驅動端與非驅動端機械密封均為德國伯格曼供貨，型號為SAFV1

/147-E1-A1。密封動環設置了螺旋泵送環結構，在密封旋轉時，可以實現冷卻液內部循環，結構如圖所示，通過熱交換器將機封密封腔內的熱量傳遞給閉式冷卻水，達到密封端面降溫的目的。設置兩路過濾器將介質中的雜質進行過濾，對密封起到保護作用。五、機械密封失效案例分析核電廠主給水泵機械密封失效分析及改進4APA102PO壓力級泵非驅動端機械密封腔室溫度穩定在59.9℃，在隨后的1min內，該溫度陡升至73.1℃，隨后17min內溫度降低并在50～60℃之間波動；12min后，機組溫度突然升高至91.3℃，現場檢查機封泄漏量交替出現滴漏及滿管流情況；2min后溫度降低到60～70℃之間波動，機封泄漏量為噴射狀態，隨著泵腔內的水注入機械密封腔室，最終機組溫度為156.4℃。故障描述五、機械密封失效案例分析核電廠主給水泵機械密封失效分析及改進對磨損的機封解體檢查，主要異常有：

（1）動環（石墨環）已完全磨平，磨損高度超過3mm（新動環部件的密封高度標準3.1～3.2mm），密封寬度由標準的6.5mm增加至磨平后的15.2mm；（2）浮動環（靜環）輔助密封圈（EPDM）有溶脹現象，由原始標準尺寸164.4mm×5.33mm脹大至175mm

×5.6mm；（3）密封軸套、靜環座及彈簧座上均有油類物質，經過化驗為礦物油；（4）靜環座與輔助密封圈接觸位置存在磨痕。調取該機封失效前半年的運行溫度參數進行分析，發現在機封失效前兩個月已經開始頻繁出現機封溫度高的情況，且機封泄漏液伴有黑色物質流出，但因機組狀態限制，僅通過定期清洗機封冷卻水管路上的磁性過濾器進行緩解。五、機械密封失效案例分析核電廠主給水泵機械密封失效分析及改進（1）機封冷卻水設計流量不足，導致密封端面液膜汽化；（2）機封冷卻水過濾器堵塞，導致冷卻水流量降低；（3）換熱器的安裝高度異常，影響冷卻水的換熱效率；（4）轉子的軸向定位異常，導致機封過壓縮被磨損；（5）靜環座Ｏ形圈溶脹，阻礙靜環座的軸向微動補償原因分析五、機械密封失效案例分析核電廠主給水泵機械密封失效分析及改進（1）機封冷卻水設計流量分析平衡系數：

端面比壓：彈簧比壓：

端面摩擦功率：

密封面的平均轉速：

介質導熱功率：

五、機械密封失效案例分析核電廠主給水泵機械密封失效分析及改進（1）機封冷卻水設計流量分析機封所需冷卻水量：

機封動環座上的螺旋槽結構主要起泵效輪的功能，是機封冷卻水循環系統的動力。通過實際試驗驗證，該型機封的泵效輪流量與轉速的關系如圖所示。將曲線進行線性二次擬合后得出該泵效輪轉速與實際流量的關系為：轉速為4500r/min時，Ｑ實際＝35.66L/min，與機封密封腔冷卻所需流量相比，在理論上機封冷卻水量能夠滿足需求。五、機械密封失效案例分析核電廠主給水泵機械密封失效分析及改進（2）機封冷卻水過濾器堵塞分析經過測量，過濾器入口管道直徑為14mm；過濾器進口面積為153.89mm2。過濾器有效過濾面積應為中間有網孔的部分，其面積約為3640mm2。濾網有效表面為164.23mm2。過濾器通流面積＝濾網有效表面積／過濾器入口面積＝1.07，低于SH/T3411－1999要求（大于1.5）由于二回路中介質隨著溶氧量發生變化，極易造成碳鋼管道被腐蝕產生四氧化三鐵的浮銹物質，造成過濾器堵。五、機械密封失效案例分析核電廠主給水泵機械密封失效分析及改進（2）機封冷卻水過濾器堵塞分析在濾網堵塞面積為0時，根據試驗數據，冷卻水流量為35.66L/min；根據工程經驗，濾網堵塞時，其流量與濾網通透率呈正比例關系，因此該過濾器的流量與濾網通透率的關系如圖所示。故當濾網堵塞面積達到71.51%時，實際流量將至10.16L/min的設計值。當濾網堵塞面積繼續增加時，冷卻水溫度將無法維持在60℃以內。五、機械密封失效案例分析核電廠主給水泵機械密封失效分析及改進（3）機封冷卻器安裝高度該泵機械密封使用API

682的PLAN

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

23沖洗方案規定冷卻器安裝高度要高于泵軸中心線450～600mm，但現場實際安裝的冷卻器高度比泵軸中心線低了約1100mm，不滿足標準要求。將冷卻器安裝位置設置在高于泵軸中心線以上，主要是利用熱虹吸效應提高換熱速率，但該速率對備用泵機封溫度的影響較大。當泵運行后，在泵效輪作用下，冷卻介質強制循環，換熱器的安裝高度對于泵腔的溫度影響較小。五、機械密封失效案例分析核電廠主給水泵機械密封失效分析及改進（4）轉子定位檢查當轉子定位異常時，特別是轉子向非驅動端移動時會使機封壓縮量過大導致磨損失效。檢查機封失效前軸位移趨勢平穩無異常突變。同時檢查油封間隙、推力間隙、轉子竄量，數據如表所示。根據檢查數據判定轉子的軸向定位無異常。五、機械密封失效案例分析核電廠主給水泵機械密封失效分析及改進（5）靜環座輔助密封圈影響分析經過檢查，發現靜環座輔助密封圈存在較為明顯的變形，且該密封圈與靜環座接觸的位置存磨痕。產生磨痕的主要原因為機械密封在安裝過程中很難保證密封端面與主軸絕對垂直，而是會與主軸形成一個微量傾角。正常情況下，輔助密封圈的極限壓縮量為0.12mm，即初始壓縮率為2.25%，與傳統輔助密封圈初始壓縮量控制在3%～7%之間的結論基本吻合。但該處的輔助密封圈接觸礦物油溶脹后絲徑變為5.6mm，壓縮量增加了0.27mm，總壓縮率約為7%，此時輔助密封圈接觸應力增加，軸向接觸摩擦力增加。五、機械密封失效案例分析核電廠主給水泵機械密封失效分析及改進（5）靜環座輔助密封圈影響分析若輔助密封圈在軸向微動的某一瞬間“掛”在靜環座上，此時彈簧力無法克服摩擦力使靜環進行有效的補償，靜環與動環分開，泄漏量增大，造成密封端面壓力降低，介質壓力與彈簧力共同作用下恢復靜環的補償功能，密封面貼合，密封泄漏量減小，但摩擦加劇；如此反復的過程最終使機封磨損失效。五、機械密封失效案例分析核電廠主給水泵機械密封失效分析及改進結論通過上述分析，引起此次機封失效的主要原因為：

1）該機封前期因濾網頻繁被堵塞，機封冷卻水流量降低，機封密封端面溫度升高，密封端面摩擦狀態改變而緩慢磨損；2）由于靜環座輔助密封圈溶脹，造成其軸向微動摩擦力增加，加劇密封端面磨損，導致機封使用壽命大幅降低五、機械密封失效案例分析核電廠主給水泵機械密封失效分析及改進改進措施驗證對該過濾器進行換型。換型后濾網的入口面積不變仍為153.89mm2，但將網板的平均面積由原來的3640mm2增大到6175mm2，沖孔水阻系數不變仍為37.6％，濾布目數增加到350目，濾布水阻系數變為11%，從而有流通面積為1.66>1.5，滿足要求。該改型濾網已實際應用于現場，根據當前使用情況來看，該濾網與舊濾網相比，不容易被堵塞，且運行時機封溫度也相較于舊濾網降低了7℃左右。機封冷卻水過濾器優化五、機械密封失效案例分析核電廠主給水泵機械密封失效分析及改進改進措施驗證靜環座輔助密封圈改進此次失效的機封靜環座輔助密封圈的材質為三元乙丙橡膠，其特點是耐高溫，但不耐礦物油，在礦物油環境中極易發生溶脹現象。通過分析壓力級泵非驅動端結構發現，非驅動端軸承室所散發出的油霧進入機封所在腔室后無法向外擴散，進而向機封靜環座擴散，在輔助密封圈位置處以及彈簧座孔內冷凝成油滴，導致密封圈溶脹，油霧擴散如圖所示。為了疏通非驅動端軸承室產生的油霧，在非驅動端泵蓋上鉆排氣孔，讓泵蓋密閉腔室內的油霧能夠及時排出，避免油霧在靜環座位置處冷凝形成油滴。五、機械密封失效案例分析核電廠主給水泵機械密封失效分析及改進改進措施驗證