船用機械密封常見故障形式及預防措施研究

[摘 要]船用機械密封作為船舶機械設(shè)備的重要組成部分，其穩(wěn)定運行直接關(guān)系到船舶的航行安全與經(jīng)濟效益。然而，在實際運行過程中，船用機械密封常因各種原因出現(xiàn)故障，導致設(shè)備性能下降，甚至引發(fā)安全事故，因此，做好船用機械密封常見故障的預防工作至關(guān)重要。文章通過深入分析船用機械密封常見故障形式，提出了有效的預防措施，可以確保機械密封裝置的長期穩(wěn)定運行，提高船舶機械設(shè)備的使用效率和安全性，為船舶的順利航行提供有力保障。

[關(guān)鍵詞]船用；機械密封；故障；預防措施

[中圖分類號]TP183 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）06–0086–03

Research on Common Fault Forms and Preventive Measures of Marine Mechanical Seals

ZHANG Zhao

[Abstract]Marine mechanical seals， as an important component of ship mechanical equipment， have a direct impact on the safety and economic benefits of ship navigation due to their stable operation. However， in actual operation， marine mechanical seals often fail due to various reasons， leading to decreased equipment performance and even causing safety accidents. Therefore， it is crucial to do a good job in preventing common faults in marine mechanical seals. The article analyzes the common forms of faults in marine mechanical seals in depth and proposes effective preventive measures to ensure the long-term stable operation of mechanical seal devices， improve the efficiency and safety of ship mechanical equipment， and provide strong guarantees for the smooth navigation of ships.

[Keywords]marine use； mechanical seal； fault； preventive measure

1 船用機械密封的特征

1.1 優(yōu)異的密封性能與低泄漏率

船用機械密封設(shè)計用于旋轉(zhuǎn)軸端面的密封，能有效阻止流體介質(zhì)（包括油、水、化學溶液等）沿軸向泄漏，保證設(shè)備內(nèi)部壓力穩(wěn)定和介質(zhì)純度，滿足船舶運行中對密封性能的高要求。相較于傳統(tǒng)的填料密封，機械密封的泄漏量極小，甚至可做到接近零泄漏，這對于減少資源浪費、避免環(huán)境污染（尤其是對于海洋環(huán)境敏感的船舶行業(yè)）及確保設(shè)備運行安全至關(guān)重要。

1.2 高可靠性與適應(yīng)性強

由于采用高質(zhì)量材料和精密制造工藝，船用機械密封具有耐磨損、耐腐蝕、抗高溫、抗高壓等特點，能在惡劣工況下長時間穩(wěn)定工作，大幅降低了維護頻次和更換成本，提高了設(shè)備運行的連續(xù)性和可靠性。同時，適用于各種船舶泵、壓縮機、攪拌器等設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸密封，能應(yīng)對船舶航行過程中可能遇到的大幅溫度變化、振動沖擊、海水侵蝕及介質(zhì)中含有固體顆粒等復雜工況，保持良好的密封性能。

1.3 精密性與規(guī)范性

機械密封通常包括動環(huán)、靜環(huán)、彈簧、輔助密封圈、傳動機構(gòu)（如推環(huán)、銷釘、螺栓等）及流體沖洗或冷卻系統(tǒng)等多個組件，各部分精密配合，確保密封面間的微小間隙得以精確控制，實現(xiàn)有效的端面密封。與此同時，船用機械密封遵循嚴格的行業(yè)標準和規(guī)范，如CB/T 3345—2008《船用泵軸機械密封裝置》、 CB 3346—1988《船用泵軸的變壓力機械密封》、HG/ T 2057—2011《搪玻璃攪拌容器用機械密封》、HG/T 2100—2020《液環(huán)式氯氣泵用機械密封》等，確保產(chǎn)品的設(shè)計、制造、檢驗和安裝均符合船舶應(yīng)用的特殊要求。

1.4 動態(tài)特性與維護要求較高

船用機械密封在設(shè)計時充分考慮其動態(tài)性能，如動靜環(huán)之間的摩擦力、熱變形、彈性補償、流體動力學效應(yīng)等，確保在高速旋轉(zhuǎn)條件下仍能保持良好的密封性和穩(wěn)定性。正是由于其精密性和復雜性，船用機械密封對安裝精度、對中、預緊力調(diào)節(jié)、介質(zhì)清潔度、潤滑狀態(tài)等有較高要求，正確安裝、操作及維護對延長其使用壽命至關(guān)重要。

2 船用機械密封常見故障形式

2.1 噪聲

2.1.1 爆裂聲

爆裂聲通常表現(xiàn)為突發(fā)性的、強烈的、短促的響聲，源自機械密封的密封面或周邊區(qū)域。從實際情況來看，這種聲響是由于密封面在某一瞬間承受的力分布不均勻，或是密封腔內(nèi)氣泡在高壓下突然破裂所致。爆裂聲的出現(xiàn)通常伴隨著密封面的局部損傷，如劃痕、凹陷、裂紋等，嚴重時導致密封面直接失效，無法有效阻止流體介質(zhì)的泄漏。引發(fā)爆裂聲的原因較多，與密封面材質(zhì)硬度不匹配、軸偏擺過大、介質(zhì)中存在大量氣體、安裝預緊力過大或過小、介質(zhì)壓力波動劇烈等因素有關(guān)。

2.1.2 尖叫聲

尖叫聲是一種持續(xù)、刺耳的高頻聲音，通常發(fā)生在機械密封運行過程中。尖叫聲由以下原因?qū)е拢孩俑赡Σ?。當密封面缺乏有效潤滑，直接接觸并相對運動時，會產(chǎn)生劇烈的摩擦熱和尖銳噪聲。干摩擦不僅會加速密封面的磨損，還會導致密封面燒傷，嚴重降低密封性能。②密封面過度磨損。長期運行或異常工況下，動靜環(huán)等密封元件的接觸面出現(xiàn)嚴重磨損，導致密封間隙增大，密封面之間產(chǎn)生劇烈摩擦，發(fā)出尖銳噪聲。③介質(zhì)中混入硬質(zhì)顆粒。如果流體介質(zhì)中含有砂礫、金屬屑等硬質(zhì)顆粒，這些顆粒在密封面間循環(huán)擠壓，會加劇密封面的磨損，同時產(chǎn)生刺耳的刮擦聲。④冷卻或潤滑不足，如冷卻液流量不足或潤滑劑失效，會導致密封面溫度升高，加劇密封面磨損，同時產(chǎn)生尖銳噪聲。

2.2 結(jié)焦與熱裂紋

2.2.1 結(jié)焦

結(jié)焦是指密封面或軸封區(qū)域的沉積物在高溫作用下硬化成炭狀物質(zhì)的現(xiàn)象，其發(fā)生原因主要有：①密封面溫度過高，超過密封材料的耐溫極限，導致密封材料熱分解、碳化，形成結(jié)焦。②某些特殊介質(zhì)在高溫下發(fā)生熱分解或與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，生成的產(chǎn)物在密封面沉積并硬化，形成結(jié)焦層。結(jié)焦不僅會改變密封面的表面性質(zhì)，降低其耐磨性和自潤滑性，還會阻礙密封面之間的有效貼合，導致密封性能下降。此外，結(jié)焦層的剝落也會加劇密封面的磨損。

2.2.2 熱裂紋

熱裂紋通常是指密封面或附近金屬部件表面因高溫作用產(chǎn)生的裂紋。例如，冷卻系統(tǒng)故障或冷卻液流量不足，導致密封面長時間處于高溫狀態(tài)，材料內(nèi)部熱應(yīng)力積累，最終引發(fā)裂紋。設(shè)備長時間超負荷運轉(zhuǎn)，使密封面承受過高的壓力和溫度，材料力學性能下降，易于產(chǎn)生裂紋。

2.3 沖擊碎裂

沖擊碎裂主要表現(xiàn)為密封組件因承受突然或劇烈的機械沖擊而發(fā)生破裂或碎裂的情況。這類故障通常由這些因素引發(fā)：①泵起停過程中產(chǎn)生的水錘效應(yīng)，即泵在啟停過程中，流體介質(zhì)的慣性導致管道內(nèi)壓力驟升驟降，產(chǎn)生強烈的水錘沖擊，對密封組件造成破壞。②異物撞擊，通常是流體介質(zhì)中夾帶的硬質(zhì)異物（如砂礫、金屬碎片等）在高速流動中撞擊密封面，導致密封元件破裂。③安裝過程中，如預緊力過大、對中不良、軸彎曲等，導致密封組件承受過大的機械應(yīng)力，在運行過程中發(fā)生碎裂。沖擊碎裂通常會導致密封組件立即失效，造成嚴重的介質(zhì)泄漏，對設(shè)備運行安全構(gòu)成威脅。

2.4 異常腐蝕

異常腐蝕通常由以下因素造成：①流體介質(zhì)本身具有較強的腐蝕性，或含有腐蝕性成分，如酸、堿、鹽、氧化劑等，對密封材料產(chǎn)生侵蝕。②選用的密封材料與實際工況下的介質(zhì)不兼容，易被介質(zhì)腐蝕。③密封件表面的防腐涂層因磨損、老化、開裂等原因失效，失去對基材的保護作用，導致基材暴露于腐蝕環(huán)境中。④外部環(huán)境中含有腐蝕性雜質(zhì)（如海水、濕氣、酸霧等）進入密封腔內(nèi)，對密封件產(chǎn)生腐蝕。異常腐蝕不僅會降低密封件的機械強度，導致其提前失效，還產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物，堵塞密封間隙，影響密封性能。

2.5 泄漏

泄漏出現(xiàn)在以下部位：①軸套與軸之間的徑向密封失效，導致介質(zhì)沿軸向泄漏。同時，動環(huán)與軸套之間的密封面磨損、劃傷或間隙過大，也會造成介質(zhì)泄漏。②動靜環(huán)之間的密封面磨損、劃傷、熱變形或間隙過大，那么介質(zhì)泄漏的可能性較大。③靜環(huán)與靜環(huán)座之間的密封面磨損、劃傷或固定不牢，進而造成介質(zhì)泄漏。④密封端蓋與泵體之間的連接面密封失效，如法蘭連接處的墊片破損、螺栓松動等，最終也會造成介質(zhì)泄漏的情況。泄漏量的大小可間接反映密封元件（如密封圈、摩擦副）的問題嚴重程度，輕微的泄漏僅需調(diào)整操作參數(shù)或修復密封面，嚴重的泄漏則需要更換密封組件或進行密封系統(tǒng)的大修。

2.6 安裝靜試時泄漏

新安裝或維修后的機械密封在靜止狀態(tài)下進行測試時即出現(xiàn)泄漏，表明密封系統(tǒng)存在制造缺陷、裝配誤差或設(shè)計不合理等問題。具體原因包括：①密封元件制造缺陷。如動靜環(huán)表面粗糙度不符合要求、密封圈尺寸偏差過大、彈簧彈性不足等，導致密封面貼合不良或預緊力不足，引發(fā)泄漏。②裝配誤差。如軸偏擺過大、密封面對中不良、密封件安裝方向錯誤、預緊力過大或過小等，導致密封面貼合不良，引發(fā)泄漏。③介質(zhì)壓力異常。常見的是靜試時介質(zhì)壓力過高，超過密封設(shè)計壓力，導致密封面被強行推開，引發(fā)泄漏。

2.7 其他故障

2.7.1 磨損過度

動靜環(huán)或輔助密封圈等因長期運行或異常工況導致過度磨損，失去密封效果。例如，密封元件在長期、高速、高壓的工況下，密封面逐漸磨損，導致密封間隙增大，密封性能下降。

2.7.2 彈簧失效

彈簧疲勞、斷裂或彈性喪失，無法提供穩(wěn)定的密封力。因為彈簧在長期交變載荷作用下，內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋并逐漸擴展，最終導致斷裂。同時，在特定介質(zhì)環(huán)境下發(fā)生腐蝕，導致彈簧強度降低、彈性喪失。特別是彈簧承受的荷載超過其設(shè)計極限，導致彈簧塑性變形或斷裂。一旦彈簧失效，便會影響密封面的貼合程度和預緊力，導致密封性能下降，嚴重時引發(fā)泄漏。

2.7.3 輔助系統(tǒng)故障

例如，沖洗、冷卻或潤滑系統(tǒng)的失效，導致密封面過熱、干摩擦或介質(zhì)污染。結(jié)合實際情況而言，當沖洗液流量不足、壓力過低、水質(zhì)差等，便會導致密封面不能得到有效沖洗，積聚污垢或腐蝕產(chǎn)物，影響密封性能。如果冷卻液流量不足、溫度過高、冷卻器效率低等，也會進一步導致密封面溫度升高，加劇磨損，引發(fā)結(jié)焦或熱裂紋。

3 預防措施

3.1 噪聲預防

定期對機械密封進行檢查，確保各部件無損傷、磨損，并保持良好的潤滑狀態(tài)。對于有噪聲跡象的密封，應(yīng)及時調(diào)整或更換。同時，還要根據(jù)工作介質(zhì)特性和工況條件選擇合適的密封類型、材質(zhì)及結(jié)構(gòu)，確保動靜環(huán)材質(zhì)匹配，減少因材質(zhì)硬度不均導致的爆裂聲。控制泵的起停過程平穩(wěn)，避免水錘效應(yīng)；合理設(shè)定運行壓力和轉(zhuǎn)速，避免因壓力波動或轉(zhuǎn)速過高引發(fā)噪聲，特別是要確保流體介質(zhì)中不含氣泡、硬質(zhì)顆粒等異物，必要時安裝過濾器；對含氣介質(zhì)進行脫氣處理。

3.2 結(jié)焦與熱裂紋預防

加強冷卻，主要是確保冷卻系統(tǒng)運行正常，冷卻液流量充足，溫度適中，有效帶走密封面熱量，防止過熱導致結(jié)焦或熱裂紋。選材與設(shè)計優(yōu)化，需要采用耐高溫、抗結(jié)焦、抗熱裂的密封材料和設(shè)計，如采用熱穩(wěn)定好的合金材料、優(yōu)化密封面形狀和冷卻結(jié)構(gòu)，減少熱應(yīng)力集中。落實監(jiān)測與預警，建議安裝溫度傳感器，實時監(jiān)控密封面溫度，一旦發(fā)現(xiàn)異常升溫，立即停機檢查，防止熱損傷進一步擴大。

3.3 沖擊碎裂預防

防異物進入，需要設(shè)置有效的過濾裝置，防止大顆粒異物進入泵內(nèi)；在起停泵和切換工況時，遵循操作規(guī)程，避免因操作不當導致沖擊。正確安裝與對中，建議嚴格按照廠家推薦的安裝步驟和對中要求進行密封安裝，確保軸的同軸度和垂直度符合標準，防止因安裝不當導致過應(yīng)力。做好防護措施，重點是對關(guān)鍵部位如泵入口、出口及密封區(qū)域加裝防護罩或緩沖裝置，減輕外來沖擊對密封的影響。

3.4 異常腐蝕預防

依據(jù)介質(zhì)特性選用耐腐蝕的密封材料，確保與介質(zhì)的化學兼容性；對易腐蝕部位使用防腐涂層或鍍層進行保護，特別是對于腐蝕性強的介質(zhì)需要進行預處理，如中和、脫鹽、除氧等，降低其腐蝕性；定期更換或再生冷卻、沖洗液，防止其成為腐蝕源，同時，確保密封腔內(nèi)充滿合適的隔離液或沖洗液，防止腐蝕性環(huán)境直接接觸密封面；定期檢查隔離液或沖洗液的品質(zhì)和流量。

3.5 泄漏預防

根據(jù)泵的工作壓力、溫度、轉(zhuǎn)速和介質(zhì)特性選擇適合的機械密封類型、材質(zhì)和結(jié)構(gòu)，確保密封設(shè)計合理、安裝正確。對密封元件制造過程進行嚴格質(zhì)量控制，確保尺寸精度、表面粗糙度等符合要求；出廠前進行密封性能試驗，剔除不合格產(chǎn)品。按照制造商提供的安裝手冊進行密封安裝，確保軸向竄動、徑向跳動等符合規(guī)定值；進行靜、動平衡試驗，確保軸系穩(wěn)定性。

3.6 安裝靜試時泄漏預防

對密封元件進行出廠前的全面質(zhì)量檢查，確保無制造缺陷；對供應(yīng)商進行資質(zhì)審查，確保其產(chǎn)品質(zhì)量可靠?；趯嶋H需求，建議培訓專業(yè)技術(shù)人員進行密封裝配，確保對中良好、預緊力適中；使用專用工具進行裝配，避免人為操作失誤。需注意，靜試前確保介質(zhì)壓力、溫度、純度符合要求，清除可能存在的空氣或其他非工作介質(zhì)；嚴格按流程進行充液、排氣，還要制訂嚴格的靜試驗收標準和程序，對靜試結(jié)果進行記錄和分析，確保密封在靜止狀態(tài)下無泄漏。

3.7 其他故障預防

對于磨損的預防，可以合理選擇摩擦副材料，提高耐磨性；定期檢查和更換磨損件，保證密封間隙在允許范圍內(nèi)；對含有顆粒的介質(zhì)進行過濾或預處理。對于彈簧預防而言，通常是選用優(yōu)質(zhì)彈簧材料，確保彈簧強度和彈性持久；定期檢查彈簧狀態(tài)，及時更換疲勞、腐蝕或變形的彈簧。關(guān)于輔助系統(tǒng)的預防，重點在于定期檢查沖洗、冷卻、潤滑系統(tǒng)的運行狀況，確保流量、壓力、溫度等參數(shù)符合要求；定期更換冷卻液、潤滑油，防止其變質(zhì)影響密封性能；定期清洗或更換過濾器，防止系統(tǒng)堵塞。

4 結(jié)束語

在實踐過程中，須熟知船用機械密封常見故障形式，然后通過上述預防措施的綜合運用，可以顯著降低船用機械密封各類故障的發(fā)生率，提高設(shè)備運行的安全性和可靠性。同時，建立健全設(shè)備維護保養(yǎng)制度，強化操作人員培訓，嚴格執(zhí)行設(shè)備操作規(guī)程，也是預防故障不可或缺的環(huán)節(jié)。

參考文獻

[1] 張玉超.船舶機械設(shè)備故障類型及維修策略[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2024，14（5）：133-136.