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机械密封的腐蚀与防护

2009-03-25郑圣奎

商情 2009年11期
关键词:机械密封腐蚀防护

郑圣奎

【摘 要】机械密封经常出现故障,其损坏形式可分为腐蚀损坏、热损坏和机械损坏三种,其腐蚀形态也存在多样性的特点。

【关键词】机械密封 腐蚀 防护

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,容易出现应力腐蚀破裂。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,材料内部原始裂纹尖端的应力场强因子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σc,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=σc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a2c,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。

2 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,容易断裂。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,硅橡胶耐温性最好,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。

4 防护方法

(1)选材。环境不同,选材不同,既要照顾选材的一致性,又要照顾环境腐蚀差异;温度、浓度、压力不同,选材不同;同一介质温度,浓度、压力不同,腐蚀情况各异,要对腐蚀性有所了解,酌情选材;腐蚀形式不同,选材不同。

(2)结构设计。①避免与介质接触的设计。采用内装式、外装式、隔离液等机械密封,涂层、保护套也可起到与介质隔离的作用。②端面设计。采用镶嵌结构,端面为压应力,可避免应力腐蚀破裂。③弹簧防腐设计。从结构上使弹簧不与介质接触是较好的方法,如外装上喷涂保护层、加保护套等。改旋转型为静止结构。④辅助密封圈。只要缝隙足够小,所有材料都可能产生缝隙腐蚀。波纹管与轴套接触面宽且取消辅助密封圈,是一种好的密封。

(3)维护与使用。建立封液及冷却系统,并经常更换封液及冷却液,加强对端面冷却。检修与安装时,严禁敲击密封件,以防止局部相变而为腐蚀提供条件。密封件安装前,应严格地清洗干净。

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