乔思佳，胡 冬

(航空机电系统综合航空科技重点实验室 航空工业南京机电液压工程研究中心，江苏 南京 211106)

0 引言

机械密封是旋转机械中常用的一种密封形式。它是由至少一对垂直于旋转轴线的端面在流体压力和补偿机构弹力作用下保持贴合,并相对滑动而构成的防止流体泄漏的装置[1]，它主要由密封端盖、弹簧、静环、动环和O型密封圈组成。通过弹性元件和介质的压紧力保持端面贴合，并维持一层极薄的流体膜，进而达到密封的目的。

与其他密封方法相比，机械密封具有工作可靠、密封效果好且使用寿命长等特点[2]。据不完全统计，国内外在各种旋转类机械设备和仪器上常采用机械密封，采用这种密封方式的旋转设备高达95%左右[3]。但在如今的工业应用中，机械密封失效很普遍，且密封件失效后的维修工作较为繁琐，费用高昂，失效问题已成为影响产品性能和技术发展的瓶颈[4]。

1 失效模式分析

机械密封通常是整个旋转机械的薄弱环节，其故障或失效往往是造成设备维修的主要原因。据统计，在旋转设备发生的故障中，因机械密封失效而维修的占维修设备总量的50%左右[5]。

机械密封失效的主要表现形式就是泄漏，图1为端面动密封结构简图。图1中，h为端面高度；d1为端面内径；d2为端面外径；db为平衡直径。其主要有以下5处泄漏点：①摩擦副端面之间；②静环(补偿环)处的辅助密封圈；③密封腔与端盖之间的结合面；④动环与转轴之间的接触面；⑤静环(石墨环)本身可能存在的泄漏孔隙。

图1 端面动密封结构图

以下对各泄漏点的具体情况进行分析。

1.1 摩擦副端面之间的泄漏

端面之间的泄漏原因包括零件超差、安装等因素。

(1) 零件超差一般包括弹性元件弹力不足和端面表面质量不足，前者可重新设计或更换弹簧，端面表面质量不足通常是平面度、粗糙度达不到密封要求，解决方法一般是重新研磨抛光达到密封技术要求，或者直接更换密封环。

(2) 装配问题也是端面泄漏失效的重要因素，未严格按照工艺规程进行安装时，可能导致安装尺寸偏差较大，从而导致端面泄漏失效。因此，必须仔细阅读安装说明书及附图。

1.2 补偿环辅助密封圈处的泄漏

(1) 设计缺陷。主要体现为辅助密封圈的选型不合理和材料不相容，密封圈的压缩率偏小或偏大都有可能造成失效泄漏。对此，应重新选用适宜的密封圈型式和材料。

(2) 工艺问题。表现为加工出的轴存在较大的尺寸公差和粗糙度，导致与密封圈无法紧密贴合，发生泄漏失效。对此，应修正零件尺寸和粗糙度，或直接用合格品替换。

1.3 密封端盖与腔体结合面之间的泄漏

端盖与腔体结合面的泄漏主要原因在于配合端面存在缺陷。针对凹坑、划痕等缺陷，可涂布密封胶进行应急处理；对于端面间的异物，需要拆卸清理，必要时更换受损密封垫片；对于端面压紧力过大、过小或受力不均的问题，应重新调整螺栓力。

1.4 动环与轴之间的泄漏

由于动环通常处于密封腔内部，拆卸和检查都较为麻烦，因此动环和轴之间的泄漏往往被忽略或误判，结果延误了采取准确措施的时机。为此，可以试着观察泄漏量的变化。一般来说，其他泄漏点的泄漏量往往不稳定，如端面不平造成的泄漏，有可能经过磨合泄漏量逐渐减小；而动环与轴之间的泄漏，一般源于安装不当或损伤，泄漏量较为稳定。

1.5 石墨环本身的孔隙泄漏

由于碳石墨制品本身含有孔隙，因此容易发生泄漏。通常石墨环需要经过浸渍与固化处理，方能投入使用。如果浸渍或固化未达到要求，或处理后又经过切削等加工，加工余量过大就会产生泄漏失效。为此，应对机械加工的最终成品再一次进行浸渍处理。

2 故障分析

通过失效分析，并采取一定的改进措施，可以提高机械密封的技术水平。

2.1 失效分析方法

对发生失效的机械密封进行详细调查是失效分析的首要环节。一般失效调查内容如下：

(1) 设备停车前检查，包括：设备进出口压力检查；设备运行历史检查；产品和密封腔的温度测量；泄漏点检查；泄漏类型判断，如产品泄漏、闪蒸或急冷泄漏；噪声或振动强度。

(2) 设备拆卸后的调查，包括：设备结构分析;轴承状态检查；安装调整状况检查；密封腔、沉积物和磨损状况检查。

(3) 机械密封零件调查，包括：密封件运行历史调查；密封件污染、结垢、腐蚀状况；密封件表面磨损状况；机械密封泄漏点分析；机械密封泄漏机理分析。

本文采用上述分析方法，对某型涡轮起动机机械密封漏油故障进行失效分析。

2.2 故障概述与设备停车前检查

2019年6月11日，某型涡轮起动机(以下简称“产品”)在使用时发生漏油故障，由于使用现场不支持故障复现和相关参数测量，于2019年7月12日安排返厂检查，按照“设备停车前检查”要求进行相关故障分析工作。检查内容包括噪声或振动强度、设备运行历史、设备进气压力和温度、泄漏点检查以及泄漏类型判断。

首先，在设备工作现场发现涡轮排气边处有滑油，底部有油滴，无噪声或振动异常。

调查设备运行历史，发现该产品累计工作121 h。

产品返厂后，依据验收试验大纲进行了4次性能复试，试验条件见表1，未出现滑油挂滴。

表1 复试项目及试验条件

为模拟起动机随发动机的工作状态，增加1.5 h的反带试验，并设置4个滑油检测点，检查机械密封漏油情况。试验完成后排气通道底部出现滑油挂滴，故障复现。

通过观察4个滑油监测点，排除了滑油来自于通气螺塞喷油滴落、转速传感器处滑油渗漏和接合面渗漏的可能性，确定涡轮排气通道下方挂滴的油液来自于涡轮端机械密封结构处。

2.3 设备拆卸后的调查

按照“设备拆卸后的调查” 要求对产品进行分解，主要进行设备结构分析、轴承状态检查、安装调整状况检查、密封腔、沉积物和磨损状况检查。

首先进行结构分析，涡轮端机械密封结构如图2所示，1、2处贴合面均涂乐泰620粘接，3、4处采用胶圈密封。

图2 涡轮端机械密封结构图

接着检查轴承状态和安装调整状况，经过观察，起动机的整体结构、涡轮轴状态完好，安装状况正常，各处密封胶完好。

最后，对密封腔体、介质状态等进行检查，未见异物及异常磨损。

综上所述，可将问题定位到涡轮端机械密封失效。

2.4 机械密封拆卸后的调查

对机械密封进行拆解，按照“机械密封拆卸后的调查”要求进行相关检查。主要内容包括密封件的运行历史、密封件表面磨损状况以及污染、结垢、腐蚀状况等，在此基础上分析确定机械密封泄漏点。

首先，机械密封运行历史与起动机一致。下面直接以“机械密封泄漏”为顶事件，分析机械密封零部件，确定泄漏点，如图3所示。

图3 机械密封泄漏定位分析故障树

通过检查发现：石墨密封端盖与涡轮壳体或密封腔体之间的密封胶完好，可排除密封端盖与腔体结合面之间的泄漏；石墨密封环内的胶圈完好无破损，弹性良好，无变硬、鼓泡等现象，校核该胶圈的实际压缩率为19.34%，符合标准要求，排除补偿环辅助密封圈处的泄漏；同时，考虑到性能复试时没有出现泄漏，简单检查机械密封的轴承，并未发现安装问题，基本可排除动环与轴之间的泄漏和石墨环本身的孔隙泄漏。因此，可将问题定位在摩擦副端面之间的泄漏。

接着，以“摩擦副端面泄漏”为顶事件，列出如图4所示故障树，进行排查工作。

图4 摩擦副端面泄漏故障树

首先检查机械密封装配状况和端面表面状况，未发现安装问题和表面异物，可排除这两个底事件。

石墨密封组件主要由密封壳体、石墨静环、动环、波浪圈构成，零件尺寸超差会导致机械密封实际工况与设计不符，可能会引起漏油。复测相关零件尺寸，均符合图纸要求，该底事件可以排除。

对石墨密封组件内波浪圈进行弹力复测，结果见表2，弹力合格，该底事件可排除。

表2 波浪圈弹力复测

从本次返厂后的性能复试来看，该产品符合试验大纲要求标准。这说明该产品在符合原先的密封性设计要求下仍然在外场发生了漏油故障，因此原有的设计要求不满足外场实际使用需求，该底事件不可排除。

2.5 设计改进

对机械密封端面重新进行计算，过程如下：

根据经验，该机械密封端面比压在(0.133～0.137) MPa范围内时，工作状态较为理想。端面比压pr由式(1)计算可得：

pr=ps+(B-λ)Δp.

(1)

其中：ps为弹簧比压；B为平衡系数；λ为介质反压系数，取经验值1/3；Δp为端面的外压差，为0.13 MPa。

平衡系数B由下式计算：

(2)

其中：Ae为有效作用面积；A为端面面积；d2=38.2 mm;db=31.8 mm;d1=32.4 mm。

将相关数据代入式(2)计算得B≈1.094。

将上述参数代入式(1)，计算得弹簧比压ps推荐值为(0.034～0.038) MPa。

计算端面面积A为：

因此，波形弹簧弹力Fs可表示为：

Fs=ps·A≈(10.9～12.3) N.

即弹簧需在安装高度下提供(10.9～12.3) N的弹力才能使整个机械密封结构处于理想的工作状态，实测该波浪圈的安装高度为1.81 mm，在该高度下，波浪圈的弹力为9.3 N，低于计算要求。

因此，可在原有的技术条件基础上，在安装工艺中增加对波浪圈的筛选要求，复测波浪圈的实际安装高度与波浪圈在该高度下的弹力，使其在(10.9～12.3) N的范围内，以达到良好的密封效果。

2019年9月3日，对故障件仅更换弹力合格的波浪圈，经4次性能试验和1.5 h反带试验后，没有发生涡轮排气通道滑油渗漏情况，故障排除。

落实上述措施后，共交付38台新品，未接到涡轮排气通道滑油挂滴的故障反馈，措施有效。

3 结论

本文简单介绍了机械密封基本原理，对其常见失效机理进行分析，并通过实例介绍了机械密封的故障分析方法。通过上述分析可知，针对机械密封失效问题，合理的排故措施尤为重要。机械密封设计中，端面比压和弹簧压力的计算选用直接关系到端面密封效果。