機械密封的腐蝕與防護
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σc, a小于臨界裂紋ac,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=ac及K1=K1c時,斷裂就發(fā)生了,只有當(dāng)原始裂紋a足夠小,以致于K1<K1c(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σ2c,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, K1c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)K1c,且隨材料強度級別的提高,K1(應(yīng)力腐蝕破裂)/K1c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,如外裝上噴涂保護層、加保護套等。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。