油田泵類設備機械密封腐蝕失效分析

蔣超

摘 要：泵類設備在油田廣泛使用，其結構設計常采用機械密封。在使用過程中，如果機械密封失效，輕則泄漏，重則設備的運轉率急劇下降或造成設備的運轉故障，嚴重的還會造成設備事故。分析了泵類設備機械密封腐蝕失效的原因和特征，對密封件腐蝕失效進行了分類，并列舉了一些工程腐蝕失效實例，提出了泵類設備機械密封抗腐蝕的具體技術措施。

關鍵詞：機械密封 腐蝕失效 技術措施

中圖分類號：TM358 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（b）-0050-01

機械密封（Mechanical Seal）又稱端面密封，是靠一對或幾對垂直于軸作相對滑動的端面在流體壓力和補償機構的彈力（或磁力）作用下保持接合并配以輔助密封而達到阻漏的軸封裝置[1]。因此近年來被廣泛應用于油田各種泵類設備的軸封[2]。但是，泵類設備在使用過程中，如果機械密封失效，輕則泄漏，重則設備的運轉率急劇下降或造成設備的運轉故障，嚴重的還會造成設備事故。據(jù)統(tǒng)計，機械密封引起的故障占所有泵類設備全部故障的40%，而腐蝕失效是機械密封失效的主要因素，因此正確分析泵類設備機械密封腐蝕失效原因，采取有效措施預防，對泵類設備機械密封的使用是非常重要的。

1 密封元件腐蝕失效的基本類型[3]

1.1 縫隙腐蝕失效

當泵輸送介質處于金屬與金屬或金屬與非金屬表面之間狹窄的縫隙時，由于介質長期滯留在縫隙內而產生的一種局部腐蝕，它會使縫隙內金屬的腐蝕加速。比如機械密封彈簧座與軸之間、補償環(huán)輔助密封圈與軸之間出現(xiàn)的溝槽或蝕點；動環(huán)的內孔與軸套表面之間、螺釘與螺孔之間、O形環(huán)與軸套之間、陶瓷鑲環(huán)與金屬環(huán)座間也會發(fā)生縫隙腐蝕。

1.2 磨耗腐蝕失效

由于密封件與流體介質間處于高速運動中，零件密封接觸面在摩擦力和腐蝕介質共同作用下產生腐蝕加速破壞的現(xiàn)象，磨損和腐蝕交替作用從而造成機械密封材料的破壞。通常磨耗腐蝕對機械密封的彈簧座、推環(huán)、環(huán)座等危害較大。比如在密封端面，由于摩擦使腐蝕生成物被破壞，其磨耗腐蝕速度為無摩擦作用表面腐蝕率的10～50倍。

1.3 應力腐蝕失效

由于泵類設備機械密封零件處于高速運動中，這樣密封零件在工作時就會受到應力（殘余應力、熱應力、工作應力等）的作用，同時由于腐蝕介質環(huán)境的影響，從而發(fā)生腐蝕破壞現(xiàn)象。

1.4 接觸腐蝕失效

從理論上講，機械密封的各種腐蝕形式或多或少都同接觸腐蝕有關，因為發(fā)生接觸腐蝕的基本條件是兩種或兩種以上金屬在電解質溶液中存在電位差。不同的金屬在電解質溶液中接觸時，由于各自的電位不同，必然產生宏觀的電位差，同一金屬材料由于種種原因也可以出現(xiàn)不同的電極電位。因此，就機械密封摩擦副而言，接觸腐蝕是普遍存在的。機械密封件在稀鹽酸、稀硫酸等電解質溶液中易產生接觸腐蝕。

1.5 晶間腐蝕失效

不銹鋼的晶間腐蝕曾是化工機械中的泵、閥及離心機等零部件最嚴重的腐蝕形態(tài)。其發(fā)生機理是由于在某些腐蝕介質中，晶粒間界可能優(yōu)先發(fā)生腐蝕，使晶粒間的結合力減弱，由此而引起的局部破壞。比如不銹鋼的晶粒間界，由于碳化鎢的析出，使附近地區(qū)的金屬中貧鉻而成為小陽極，而含鉻較高的晶粒本體成為大陰極，在電解質溶液中構成了電化學腐蝕條件，從而造成嚴重的晶間腐蝕現(xiàn)象。碳化鎢環(huán)和不銹鋼環(huán)座以銅焊連接，使用中不銹鋼座易發(fā)生晶間腐蝕。

2 提高機械密封抗腐蝕的措施

2.1 材料選擇

據(jù)統(tǒng)計，機械密封的泄露大約有80%～95%是由于密封端面和摩擦副造成的。除了要保持密封面平行之外，主要是摩擦副的材料問題。因此，在腐蝕介質是工況所要求的場合下，正確地選擇金屬材料是十分重要的。摩擦副材料應具備機械強度高、具有耐干磨性、配對材料耐磨性好、導熱性和散熱性好、耐腐蝕性強、能耐熱變形和尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點。耐腐蝕金屬材料通常分為耐蝕鑄鐵、不銹鋼、鎳基合金、銅合金、鋁合金及鈦合金等六大類，可以根據(jù)對金屬材料的耐蝕要求、使用經驗、工藝性能及經濟因素等進行選用。

2.2 結構設計[4-5]

在結構設計方面，減小應力集中及殘余應力有助于防止或減輕應力腐蝕失效；避免異類金屬的接觸或采用絕緣材料將其隔開，有助于減輕或杜絕縫隙腐蝕失效和接觸腐蝕失效；降低流速、減少湍流及適當加厚易損部位的幾何尺寸可以減輕磨耗腐蝕失效；減小流體停滯和聚集現(xiàn)象可以降低多種類型的腐蝕速度；比如避免形成縫隙或使縫隙盡可能地保持敞開；盡可能不采用金屬和非金屬材料的連接件；輸送強腐蝕流體時，可采用外裝式或雙端面密封結構，從而減輕腐蝕對密封件的影響；對于毒性高、腐蝕性強的介質，可以引入隔離液進行保護，隔離流體起到安全屏蔽的作用。

2.3 去除腐蝕介質

查明外來腐蝕介質的性質并將其去除，常用的辦法是向介質中加入緩蝕劑和去除介質中的有害成分。比如鍋爐用水中的氧氣導致的高溫氧化，可以對其進行去氧處理予以解決；對于鍋爐加熱管壁向火側發(fā)生的煤灰腐蝕，可以利用提高煤的質量予以減少；加入適當?shù)木徫g劑，可使電化學腐蝕過程減慢。

2.4 隔離腐蝕介質

在零件表面上涂覆防護層，用于隔絕介質的腐蝕作用是廣泛應用的防腐措施。常用的保護層有金屬保護層、化學保護層和非金屬保護層三種。如涂覆油脂、油漆；通過電鍍、噴鍍、化學鍍、熱鍍和滲鍍等方法隔離金屬與輸送介質的接觸；利用電化學保護措施防止金屬腐蝕等。

3 結語

對于各種輸送介質下密封件的腐蝕機理，要通過腐蝕失效分析，正確地確定腐蝕發(fā)生的原因和腐蝕模式。在此基礎上，通過采取有針對性的措施來抑制和緩解泵類設備的機械密封腐蝕。同時也要切記，腐蝕和防護是一個復雜的系統(tǒng)工程，過分強調某一方面的因素是不恰當?shù)?，甚至一些在其他場合被證明是行之有效的腐蝕防護措施，在某些環(huán)境下并不一定有效。

參考文獻

[1] 孫智，江利，應鵬展.失效分析-基礎與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[2] 劉磊，劉立源，王華，等.內流機械密封結構及在螺桿泵驅動裝置上應用[J].石油礦場機械，2013，42（10）：60-62.

[3] 彭德遲，余良旺.泵用機械密封腐蝕失效分析[J].水泵技術，2006（3）：27-29.

[4] 李希會.泵串聯(lián)機械密封及系統(tǒng)改造[J].石油礦場機械，2006，35（2）：93-94.

[5] 楊詩成.泵與風機[M].北京：中國電力出版社，2007.endprint