機械密封常用試驗測評方法與現(xiàn)場應(yīng)用分析

寧廣東

（艾志環(huán)保管接技術(shù)股份有限公司，江蘇南京 211100）

0 引言

機械密封又稱端面密封，是流體機械和動力機械的重要輔件，它對整體設(shè)備甚至整個工廠的安全生產(chǎn)影響都很大。機械密封廣泛應(yīng)用于廠礦企業(yè)、市政環(huán)保等各行業(yè)的泵類設(shè)備，因其具有使用壽命長、密封效果好等綜合優(yōu)勢（比如API STD 682—2014要求密封連續(xù)運行3 a且泄漏量＜1000 mL/m3EPA-21），在很多領(lǐng)域逐漸替代了填料密封。

機械密封結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜，有的采用多端面結(jié)構(gòu)或輔助裝置，而根據(jù)特殊需要的定制型密封更是形式各異、造價較高。另外，安裝機械密封通常需要對泵進行解體，對于大型設(shè)備很不方便。而且，這些設(shè)備作為生產(chǎn)線上的一個環(huán)節(jié)，如果等接通工藝流體后再進行密封測試，有可能導(dǎo)致反復(fù)拆裝、密封部件損壞以及影響正常生產(chǎn)計劃，甚至造成較大經(jīng)濟損失。因此，有必要在前端進行密封測試，盡可能在安裝前、運行前發(fā)現(xiàn)并解決問題。

1 零部件生產(chǎn)與裝配環(huán)節(jié)的檢測

機械密封零部件通常包括動環(huán)、靜環(huán)、O形圈、彈簧等，也可能有金屬波紋管或橡膠波紋管、磁力等結(jié)構(gòu)以及軸套、壓蓋及定位、鎖緊等部件。有些零部件有專門的行業(yè)標準，比如JB/T 6374—2006《機械密封用碳化硅密封環(huán)技術(shù)條件》JB/T 8872—2002《機械密封用碳石墨密封環(huán)技術(shù)條件》JB/T 11107—2011《機械密封用圓柱螺旋彈簧》等，而JB/T 4127.1—2013《機械密封技術(shù)條件》則是對于各部件和整機密封性的綜合要求，相應(yīng)有JB/T 4127.3—2011《機械密封產(chǎn)品驗收技術(shù)條件》規(guī)定了機械密封產(chǎn)品的驗收項目與規(guī)則、包裝、外觀質(zhì)量等方面。

零部件的設(shè)計要求和這些相關(guān)標準都是控制零部件質(zhì)量的重要依據(jù)，裝配后的成品則不方便進行零部件的質(zhì)量核實。一些要求較高的技術(shù)指標需要專門工具才能進行測試，比如研磨面的平面度要求達到0.000 9，粗糙度達到Ra0.2，橡膠件的硬度測定、彈簧力的測定等。零部件的裝配性能，比如與設(shè)備結(jié)合處尺寸控制，零部件之間的間隙設(shè)置，輔助密封安裝位設(shè)計，傳動與防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)等，需要設(shè)計、加工、檢驗等環(huán)節(jié)共同實現(xiàn)，因此，嚴格的質(zhì)量控制流程是機械密封產(chǎn)品質(zhì)量的根本性保證。

零部件加工完成后，按照工藝要求進行裝配。裝配環(huán)境應(yīng)保持干凈，零部件應(yīng)先清潔、烘干，裝配摩擦副、O形圈等部件前再次檢驗配合面完好、清潔，檢查銷釘、孔、基本裝配尺寸、數(shù)量等確認與圖紙要求一致；完成裝配則進入成品檢測。

2 機械密封成品檢測

2.1 國內(nèi)的參考規(guī)定

GB/T 14211—2010《機械密封試驗方法》規(guī)定了機械密封試驗分為型式試驗和出廠試驗：前者是判定機械密封是否滿足技術(shù)規(guī)范的全部性能要求，后者是對經(jīng)過型式試驗的機械密封在出廠時進行的試驗。該標準要求同一規(guī)格每批至少抽取一套進行出廠試驗。型式試驗和出廠試驗都包含靜圧試驗和運轉(zhuǎn)試驗：靜壓試驗保壓時間為15 min；運轉(zhuǎn)試驗對型式試驗要求≥100 h，對于出廠試驗要求≥5 h。靜壓試驗采用壓力為最高使用壓力的1.25倍，運轉(zhuǎn)試驗壓力為產(chǎn)品最高使用壓力，試驗流體為水，溫度（0～80）℃采用該試驗方法，參照JB/T 4127.1—2013《機械密封技術(shù)條件》要求的泄漏量情況（表1）。但是，對于特殊條件及被密封介質(zhì)為氣體時不受此限。

表1 不同工作壓力和軸（或軸套）外徑下的泄漏量mL/h

環(huán)磨損情況要求：滿足機械密封使用周期的要求，以清水為介質(zhì)的試驗運行100 h，軟質(zhì)材料的密封環(huán)磨損量≤0.02 mm。

關(guān)于密封壽命。JB/T4127.1—2013《機械密封技術(shù)條件》描述為“在選型合理、安裝正確的情況下，被密封介質(zhì)為清水、油類及類似介質(zhì)時，機械密封的使用壽命一般≥8000 h。被密封介質(zhì)為腐蝕性介質(zhì)時，機械密封的使用期一般為（4000～8000）h。使用條件苛刻時不受此限”。JB/T4127.3—2013《機械密封產(chǎn)品驗收技術(shù)條件》另有描述“使用條件苛刻，如高溫、低溫、高壓、高速、高黏度液體、強腐蝕介質(zhì)、顆粒介質(zhì)以及開停車頻繁的情況下，產(chǎn)品的使用周期和平均泄漏量應(yīng)由用戶和制造廠商定”。可見，密封壽命與選型安裝、使用條件等密切相關(guān)。

2.2 國外的參考規(guī)定

API 682—2014標準是石油、石化和天然氣工業(yè)中設(shè)計與使用機械密封的重要指導(dǎo)，對機械密封形式、材質(zhì)選擇、密封試驗以及輔助方案等做了較為全面的規(guī)定。這些規(guī)定已經(jīng)被更多行業(yè)的相關(guān)專業(yè)人員參考使用。API 682—2014第10章《檢驗、試驗和發(fā)貨準備》規(guī)定的密封檢測試驗包括5方面。

（1）密封認證試驗（10.3.2）：認證試驗的目的是為了讓密封終端用戶對產(chǎn)品持有高度的信賴，相信所提供的特定型號密封能符合該標準之要求；聲明遵守API 682—2014標準的機械密封應(yīng)符合該標準規(guī)定，并需要2種尺寸規(guī)格的密封在1種或多種認證流體進行認證試驗且符合規(guī)定要求。API682—2014在附錄Ⅰ中詳細說明了認證試驗?zāi)康摹⒎秶?、步驟、參數(shù)等。

（2）機械密封承壓元件及附件的水壓試驗（10.3.3）：密封承壓殼體元件承壓試驗壓力為最大允許工作壓力的1.5倍（且表壓≥140 kPa）。試驗時間≥30 min，密封腔無滲漏為合格。

（3）密封制造商對工作密封進行試驗（10.3.4）：機械密封最終裝配完成后，采用空氣對每個密封進行氣壓試驗。

（4）裝配完整性試驗（10.3.5）：為確認密封已經(jīng)正確裝配，每個新的或維修過的集裝密封都要采用空氣或氮氣進行氣壓試驗。這是一個驗收試驗，主要是避免部件缺漏或損傷，如端面變形、O圈損傷、墊片缺失等，因此，裝配完整性試驗結(jié)果并不代表密封在實際工況流體中的性能。氣壓試驗壓力為170 kPa，5 min內(nèi)壓力降≤14 kPa為合格。標準另說明，裝配完整性試驗不建議采用過高壓力，低壓試驗對密封是有利的。

（5）泵制造商對密封進行試驗（10.3.6）：為避免損壞工作密封，在進行泵的性能試驗時可采用泵制造商提供的試驗密封，當泵性能試驗完成后再安裝密封制造商提供的工作密封，再進行前述的氣壓試驗。為避免損壞工作密封，在泵性能試驗中工作密封可不運轉(zhuǎn)。也可把更換密封環(huán)并經(jīng)氣壓試驗合格的密封裝于泵上進行泵的性能試驗，完成后將工作密封環(huán)裝進密封內(nèi)并進行氣壓試驗?？傊?，泵性能試驗過程應(yīng)避免損壞機械密封。

3 標準方法檢測的局限和實際操作參考

國內(nèi)外的標準檢測方法規(guī)定已比較詳細了，但實際操作有很多不便之處。因為密封產(chǎn)品種類、形式以及裝配尺寸各不相同，即使只做靜壓測試，集裝式機封也通常需要加工相應(yīng)工裝，分離式機封就更麻煩一些。制造廠家對密封產(chǎn)品尤其是定制密封做測試是保證其可靠性的重要方法，根據(jù)密封結(jié)構(gòu)合理設(shè)計測試方法，可以降低成本提高效率。

（1）集裝式單端面機械密封通常采用壓縮氣體進行裝配完整性試驗。通常需要的工裝有芯棒、套筒和底板，組裝后進行保壓測試；必要時，可結(jié)合水箱判斷漏點。對于每套機封都進行測試，如有泄漏需要修整、調(diào)整，直到試驗合格方能發(fā)貨（圖1）。

（2）集裝式雙端面機械密封可以采用上面的類似工裝，對一側(cè)密封進行檢測；也可以在兩端面之間，從沖洗孔通入壓縮空氣測試。試驗參數(shù)參考裝配完整性測試的要求，泄漏率參考并考慮雙端面情況。需要說明的是，這種測試不宜采用過高的壓力以避免損壞機封。

（3）分離式機封，如果做氣壓試驗還要有工裝壓蓋等，并要準確設(shè)定動環(huán)部分在軸上的位置。實際通常以檢驗端面的平面度為分離式密封可靠性的參照，而O形圈、彈簧、傳動等部件被認為是不應(yīng)有問題的環(huán)節(jié)。

圖1 氣壓試驗方法示意

實際上，集裝式機封也有廠家僅做環(huán)的平面度檢測而不做靜壓試驗，他們認為其他零部件及裝配過程均是“不應(yīng)出現(xiàn)泄漏”的環(huán)節(jié)。

氣壓試驗因為相對容易實現(xiàn)、沒有液體殘留、不損壞密封等，被廣泛用于機械密封的裝配完整性測試，雖然不代表密封的最終使用性能，但可以避免將一些裝配、零部件缺失等問題帶到密封使用環(huán)節(jié)。

4 密封使用現(xiàn)場檢驗判斷

4.1 密封件的安裝前的檢驗與測試

新的機械密封安裝前，要核實密封形式，檢查基本裝配尺寸，彈簧應(yīng)有適當?shù)膲嚎s浮動空間，補償環(huán)順暢無卡阻，與腔端面、軸配合的靜密封完好，仔細閱讀廠家提供的安裝說明。分離式機封則需要在軸上合理設(shè)定安裝起始位置，裝完后動環(huán)在軸上可以順暢滑動。雙端面機封安裝完成后，可以在端面間通過氣壓或循環(huán)液進行密封檢測；單端面密封，可結(jié)合關(guān)閉泵的閥門形成封閉腔室進行密封測試?？傊?，盡可能將密封裝配問題或密封損壞等情況在正式運行前發(fā)現(xiàn)并解決。

4.2 密封件的更換和維修利用

機械密封是工廠的重要輔件，用戶要進行定期檢查和預(yù)防性維修更換，制定密封管理清單，結(jié)合需求量、交期等做好備件安排。如希望更換下來的密封舊件再次使用，建議將其返還生產(chǎn)廠家進行檢測、維修。如果不得已需要使用舊件密封，則要仔細檢查密封零部件完好情況，尤其是密封的核心部件，如動環(huán)、靜環(huán)、驅(qū)動件、補償件、彈簧等，基本判斷及參考建議見表2。

表2 使用舊件密封的基本判斷及參考建議

處理軟質(zhì)材料動靜環(huán)時，如果沒有平板或研磨機，可用玻璃做研磨平板，然后與對應(yīng)的硬質(zhì)材料對研，接觸閉合面積≥80%方可使用。使用一定時間后的O形圈，通常有溶脹或老化，維修時一般更換新件（滑動密封要求比靜止密封嚴格）；若僅為變形且在允許幅度內(nèi)，可繼續(xù)使用（部分數(shù)據(jù)摘自杜邦、信越、華爾卡公司測試數(shù)據(jù)）。

密封零部件維修后，重新裝配時，要保持零部件及操作區(qū)域清潔，采用兼容的潤滑劑輔助裝配O形圈，裝配后手動壓縮機封，應(yīng)有適當?shù)膹椈筛涌臻g。

圖2 崩邊（b/a≤1/5）

圖3 O形圈變形（（a-b）/a≤1/5）

5 結(jié)束語

機械密封是重要且較為復(fù)雜的密封件，在密封廠家、泵廠和最終用戶中，有很多環(huán)節(jié)會影響其使用性能。采用適當?shù)臋z測試驗方法排除密封可能存在的問題，有利于提高密封運行的可靠性，這也是密封設(shè)計、制造和相關(guān)標檢驗準制定的根本目的，而用戶現(xiàn)場良好的設(shè)備與備件維護管理也與此相輔相成。