機械密封的腐蝕與防護(hù)

鄭圣奎

【摘 要】機械密封經(jīng)常出現(xiàn)故障，其損壞形式可分為腐蝕損壞、熱損壞和機械損壞三種，其腐蝕形態(tài)也存在多樣性的特點。

【關(guān)鍵詞】機械密封 腐蝕 防護(hù)

機械密封出現(xiàn)故障的機會較多，比例較大，常見的損壞形式可分為腐蝕損壞、熱損壞和機械損壞三種，由于機械密封特殊的結(jié)構(gòu)形式和千差萬別的工作環(huán)境，其腐蝕形態(tài)也存在多樣性的特點。

1 金屬環(huán)腐蝕

(1)表面均勻腐蝕。如果金屬環(huán)表面接觸腐蝕介質(zhì)，而金屬本身又不耐腐蝕，就會產(chǎn)生表面腐蝕，其現(xiàn)象是泄漏、早期磨損、破壞、發(fā)聲等。金屬表面均勻腐蝕有成膜和無膜兩種形態(tài)，無膜的金屬腐蝕很危險，腐蝕過程以一定的速度進(jìn)行，這主要是選材錯誤造成的。成膜的腐蝕，其鈍化膜通常具有保護(hù)作用的特性，但金屬密封環(huán)所用材料，如不銹鋼、鈷、鉻合金等其表面的鈍化膜在端面摩擦中破壞，在缺氧條件下新膜很難生成，使電偶腐蝕加劇。

(2)應(yīng)力腐蝕破裂。金屬在腐蝕和拉應(yīng)力的同時作用下，首先在薄弱區(qū)產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而向縱深發(fā)展，產(chǎn)生破裂，稱為應(yīng)力腐蝕破裂。選用堆焊硬質(zhì)合金及鑄鐵、碳化鎢、碳化鈦等密封環(huán)，容易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕破裂。密封環(huán)裂紋一般是徑向發(fā)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。

根據(jù)斷裂力學(xué)的觀念，材料內(nèi)部原始裂紋尖端的應(yīng)力場強因子K₁=yσ₁a(y—系數(shù))。在開始時由于應(yīng)力σ₁小于臨界應(yīng)力σ_c， a小于臨界裂紋σ_c，所以腐蝕作用時，由于原始裂紋a的腐蝕擴展，導(dǎo)致K₁的增大。當(dāng)經(jīng)過一段時間后a=σ_c及K₁=K_1c時，斷裂就發(fā)生了，只有當(dāng)原始裂紋a足夠小，以致于K₁＜K_1c(應(yīng)力腐蝕破裂)時，材料不會發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂。①應(yīng)力的存在。如果堆焊或加工中，殘余應(yīng)力、旋轉(zhuǎn)離心力、摩擦熱應(yīng)力，引起金屬環(huán)應(yīng)力σ₁大于a_2c，應(yīng)力破壞就很難避免。②材料。金屬密封環(huán)材料強度、硬度指標(biāo)越高， K_1c越低，材料內(nèi)氣孔、夾渣、裂紋越多越長，越易發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂。一般K₁(應(yīng)力腐蝕破裂)=(1/2-1/5)K_1c，且隨材料強度級別的提高，K₁(應(yīng)力腐蝕破裂)/K_1c的比值下降。③磨損。構(gòu)件表面越光，應(yīng)力腐蝕破裂敏感性越低。端面磨損使金屬表面鈍化膜破壞，光潔度降低，促使應(yīng)力腐蝕破裂的發(fā)生。④介質(zhì)。應(yīng)力腐蝕破裂，只發(fā)生于一些特定的“材料—環(huán)境”體系。例如“奧氏體不銹鋼—cl”、“碳鋼—NO₃”。⑤溫度。溫度越高，氫擴散越快，應(yīng)力腐蝕破裂加快。密封環(huán)端面劇烈摩擦，如果端面比壓過大，表面光潔度低，冷卻不夠，表面潤滑不好，摩擦熱則加速應(yīng)力腐蝕破裂的進(jìn)行。

2 非金屬環(huán)腐蝕

(1)石墨環(huán)的腐蝕用樹脂浸漬的不透性石墨環(huán)，它的腐蝕有三個原因：一是當(dāng)端面過熱，溫度＞180℃時，浸漬的樹脂要析離石墨環(huán)，使環(huán)耐磨性下降；二是浸漬的樹脂若選擇不當(dāng)，就會在介質(zhì)中發(fā)生化學(xué)變化，也使耐磨性下降；三是樹脂浸漬深度不夠，當(dāng)磨去浸漬層后，耐磨性下降。所以密封冷卻系統(tǒng)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。

(2)石墨環(huán)的氧化在氧化性的介質(zhì)中，端面在干摩擦或冷卻不良時，產(chǎn)生350-400℃的溫度能使石墨環(huán)與氧發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生CO₂氣體，可使端面變粗糙，甚至破裂。非金屬環(huán)在化學(xué)介質(zhì)和應(yīng)力的同時作用下，也會破裂。

(3)聚四氟乙烯(F₄)密封環(huán)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(huán)的腐蝕主要是指填充物的選擇性腐蝕、溶出或變質(zhì)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(yīng)視具體情況而定。

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，硅橡膠耐溫性最好，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(huán)、軸套、靜環(huán)、靜環(huán)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(huán)、靜環(huán)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(jìn)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(yán)重了。

4 防護(hù)方法

(1)選材。環(huán)境不同，選材不同，既要照顧選材的一致性，又要照顧環(huán)境腐蝕差異；溫度、濃度、壓力不同，選材不同；同一介質(zhì)溫度，濃度、壓力不同，腐蝕情況各異，要對腐蝕性有所了解，酌情選材；腐蝕形式不同，選材不同。

(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計。①避免與介質(zhì)接觸的設(shè)計。采用內(nèi)裝式、外裝式、隔離液等機械密封，涂層、保護(hù)套也可起到與介質(zhì)隔離的作用。②端面設(shè)計。采用鑲嵌結(jié)構(gòu)，端面為壓應(yīng)力，可避免應(yīng)力腐蝕破裂。③彈簧防腐設(shè)計。從結(jié)構(gòu)上使彈簧不與介質(zhì)接觸是較好的方法，如外裝上噴涂保護(hù)層、加保護(hù)套等。改旋轉(zhuǎn)型為靜止結(jié)構(gòu)。④輔助密封圈。只要縫隙足夠小，所有材料都可能產(chǎn)生縫隙腐蝕。波紋管與軸套接觸面寬且取消輔助密封圈，是一種好的密封。

(3)維護(hù)與使用。建立封液及冷卻系統(tǒng)，并經(jīng)常更換封液及冷卻液，加強對端面冷卻。檢修與安裝時，嚴(yán)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(yīng)嚴(yán)格地清洗干凈。