机械密封的腐蚀与防护方法
机械密封出现故障的机会较多,比例较大,常见的损坏形式可分为腐蚀损坏、热损坏和机械损坏三种,由于机械密封特殊的结构形式和千差万别的工作环境,其腐蚀形态也存在多样性的特点。
1.金属环腐蚀
(1)表面均匀腐蚀
如果金属环表面接触腐蚀介质,而金属本身又不耐腐蚀,就会产生表面腐蚀,其现象是泄漏、早期磨损、破坏、发声等。金属表面均匀腐蚀有成膜和无膜两种形态,无膜的金属腐蚀很危险,腐蚀过程以一定的速度进行,这主要是选材错误造成的。成膜的腐蚀,其钝化膜通常具有保护作用的特性,但金属密封环所用材料,如不锈钢、钴、铬合金等其表面的钝化膜在端面摩擦中破坏,在缺氧条件下新膜很难生成,使电偶腐蚀加剧。
(2)应力腐蚀破裂
金属在腐蚀和拉应力的同时作用下,首先在薄弱区产生裂缝,进而向纵深发展,产生破裂,称为应力腐蚀破裂。选用堆焊硬质合金及铸铁、碳化钨、碳化钛等密封环,*出现应力腐蚀破裂。密封环裂纹一般是径向发散型的,可以是一条或多条。这些裂缝沟通了整个密封端面,加速了端面的磨损,使泄漏量增加。
根据断裂力学的观念,材料内部原始裂纹的应力场强因子K1=yσ1a(y—系数)。在开始时由于应力σ1小于临界应力σc,a小于临界裂纹ac,所以腐蚀作用时,由于原始裂纹a的腐蚀扩展,导致K1的增大。当经过一段时间后a=ac及K1=K1c时,断裂就发生了,只有当原始裂纹a足够小,以致于K1<K1c(应力腐蚀破裂)时,材料不会发生应力腐蚀破裂。
①应力的存在。如果堆焊或加工中,残余应力、旋转离心力、摩擦热应力,引起金属环应力σ1大于σ2c,应力破坏就很难避免。②材料。金属密封环材料强度、硬度指标越高,K1c 越低,材料内气孔、夹渣、裂纹越多越长,越易发生应力腐蚀破裂。一般K1(应力腐蚀破裂)=(1/2-1/5)K1c,且随材料强度级别的提高,K1(应力腐蚀破裂)/K1c的比值下降。③磨损。构件表面越光,应力腐蚀破裂敏感性越低。端面磨损使金属表面钝化膜破坏,光洁度降低,促使应力腐蚀破裂的发生。④介质。应力腐蚀破裂,只发生于一些特定的“材料—环境”体系。例如“奥氏体不锈钢—cl”、“碳钢—NO3”。⑤温度。温度越高,氢扩散越快,应力腐蚀破裂加快。密封环端面剧烈摩擦,如果端面比压过大,表面光洁度低,冷却不够,表面润滑不好,摩擦热则加速应力腐蚀破裂的进行。
非金属环腐蚀
(1)石墨环的腐蚀用树脂浸渍的不透性石墨环,它的腐蚀有三个原因:一是当端面过热,温度>180℃时,浸渍的树脂要析离石墨环,使环耐磨性下降;二是浸渍的树脂若选择不当,就会在介质中发生化学变化,也使耐磨性下降;三是树脂浸渍深度不够,当磨去浸渍层后,耐磨性下降。所以密封冷却系统的建立,选择耐蚀的浸渍树脂,采用高压浸渍,增加浸渍深度是非常必要的。
(2)石墨环的氧化在氧化性的介质中,端面在干摩擦或冷却不良时,产生350-400℃的温度能使石墨环与氧发生反应,产生CO2气体,可使端面变粗糙,甚至破裂。非金属环在化学介质和应力的同时作用下,也会破裂。
(3)聚四氟乙烯(F4)密封环的腐蚀F4填充如玻璃纤维、石墨粉、金属粉等以提高其耐温性、耐磨性。填充F4环的腐蚀主要是指填充物的选择性腐蚀、溶出或变质破坏。例如在氢氟酸中,玻璃纤维分子热腐蚀,所以填充何物应视具体情况而定。
3.辅助密封圈及其接触部位的腐蚀
(1)辅助密封圈的腐蚀
橡胶种类不同,其耐蚀性亦不同。由于橡胶的腐蚀、老化,其失效的橡胶遭腐蚀后表面变粗糙且失去弹性,*断裂。橡胶耐油性因品种而异,不耐油的橡胶易胀大、摩擦力增大,浮动性不好,使密封失效。橡胶与F4耐温性差,硅橡胶耐温性,可在200℃使用。
(2)与辅助密封圈接触部位的腐蚀
机械密封动环、轴套、静环、静环座,与橡胶或F4辅助密封圈接触处没有大的相对运动,该处液相对静止易形成死角,给与之接触的金属轴套、动环、静环座及密封体等造成了特种腐蚀,主要有缝隙腐蚀、摩振腐蚀、接触腐蚀,三种腐蚀同时存在,交替进行,所以腐蚀面较宽、较深。观察其表面深度在1-1.5倍密封圈直径,蚀度不小于0.01mm时,密封泄漏就严重了。
机械密封失效分析与故障分析。
腐蚀失效
机械密封因腐蚀引起的失效为数不少,常见的腐蚀类型有如下几种。
(1)表面腐蚀
由于腐蚀介质的侵蚀作用,机械密封件会发生表面腐蚀,严重时也可发生腐蚀穿孔,弹簧件更为明显,采用不锈钢材料,可减轻表面腐蚀。
(2)点腐蚀
弹簧套常出现大面积点蚀或区域性点蚀,有的导致穿孔,此类局部腐蚀对密封使用尚不会造成很严重的后果,不过大修时也应予更换。
(3)晶间腐蚀
碳化钨环不锈钢环座以铜焊连接,使用中不锈钢座易发生晶间腐蚀,为克服敏化的影响,不锈钢应进行固溶处理。
(4)应力腐蚀破裂
金属焊接波纹管、弹簧等在应力与介质腐蚀的共同作用下,往往会发生断裂,由于弹簧的突然断裂而使密封失效,一般采用加大弹簧丝径加以解决。
(5)缝隙腐蚀
动环的内孔与轴套表面之间、螺钉与螺孔之间,O形环与轴套之间,由于间隙内外介质浓度之差而导致缝隙腐蚀,此外陶瓷镶环与金属环座间也会发生缝隙腐蚀,一般在轴套表面喷涂陶瓷,镶环处表面涂以黏结剂以减轻缝隙腐蚀。
(6)电化学腐蚀
异种金属在介质中往往引起电化学腐蚀,它使镶环松动,影响密封,一般亦采取在镶接处涂黏结剂的办法予以克服。
2。热损失效
(1)热裂
如密封面处于干摩擦、冷却突然中断、杂质进入密封面、抽空等,会导致环表面出现径向裂纹,从而使对偶环急剧磨损,密封面泄漏*增加。碳化钨环热裂现象较常见。(2)发泡、炭化
使用中如石墨环**过许用温度,则其表面会析出树脂,摩擦面附近树脂会发生炭化,当有黏结剂时,又会发泡软化,使密封面泄漏量增加,密封失效。
(3)老化、龟裂、溶胀
橡胶**过许用温度继续使用,将*老化、龟裂、变硬失弹。如是**介质则溶胀失弹,这些均导致密封失效。
凡因热损引起密封失效,关键在于尽量降低摩擦热,改善散热,使密封面处不发生温度剧变。
3。磨损失效
摩擦副若用材耐磨性差、摩擦因数大、端面比压(包括弹簧比压)过大、密封面进入固体颗粒等均会使密封面磨损过快而引起密封失效。采用平衡型机械密封以减少端面比压及
安装中适当减少弹簧压力,有利克服因磨损引起的失效,此外,选用良好的摩擦副材料可以减轻磨损。按耐磨次序材料排列为碳化钨-碳石墨、硬质合金-碳石墨、陶瓷(氧化铝)-碳石墨、喷涂陶瓷-碳石墨、氧化硅陶瓷-碳石墨、高速钢-碳石墨、堆焊硬质合金-碳石墨。
机械密封的故障表现
(1)密封端面的故障:磨损、热裂、变形、破损(尤其是非金属密封端面)。
(2)弹簧的故障:松弛、断裂和腐蚀。
(3)辅助密封圈的故障:装配性的故障有掉块、裂口、碰伤、卷边和扭曲;非装配性的故障有变形、硬化、破裂和变质。
机械密封的故障在运行中集中表现为振动、发热、磨损,终以介质向外泄漏的形式出现。