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油田泵類設(shè)備機(jī)械密封腐蝕失效分析

2018-10-30

蔣超
（蘭州蘭石石油裝備工程有限公司）

　　摘　要：泵類設(shè)備在油田廣泛使用，其結(jié)構(gòu)設(shè)計常采用機(jī)械密封。在使用過程中，如果機(jī)械密封失效，輕則泄漏，重則設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)率急劇下降或造成設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)故障，嚴(yán)重的還會造成設(shè)備事故。分析了泵類設(shè)備機(jī)械密封腐蝕失效的原因和特征，對密封件腐蝕失效進(jìn)行了分類，并列舉了一些工程腐蝕失效實(shí)例，提出了泵類設(shè)備機(jī)械密封抗腐蝕的具體技術(shù)措施。

　　關(guān)鍵詞：機(jī)械密封；腐蝕失效；技術(shù)措施
　　機(jī)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(bǔ)償機(jī)構(gòu)的彈力（或磁力）作用下保持接合并配以輔助密封而達(dá)到阻漏的軸封裝置^[1]。因此近年來被廣泛應(yīng)用于油田各種泵類設(shè)備的軸封^[2]。但是，泵類設(shè)備在使用過程中，如果機(jī)械密封失效，輕則泄漏，重則設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)率急劇下降或造成設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)故障，嚴(yán)重的還會造成設(shè)備事故。據(jù)統(tǒng)計，機(jī)械密封引起的故障占所有泵類設(shè)備全部故障的40%，而腐蝕失效是機(jī)械密封失效的主要因素，因此正確分析泵類設(shè)備機(jī)械密封腐蝕失效原因，采取有效措施預(yù)防，對泵類設(shè)備機(jī)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(dāng)泵輸送介質(zhì)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(zhì)長期滯留在縫隙內(nèi)而產(chǎn)生的一種局部腐蝕，它會使縫隙內(nèi)金屬的腐蝕加速。比如機(jī)械密封彈簧座與軸之間、補(bǔ)償環(huán)輔助密封圈與軸之間出現(xiàn)的溝槽或蝕點(diǎn)；動環(huán)的內(nèi)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(zhì)間處于高速運(yùn)動中，零件密封接觸面在摩擦力和腐蝕介質(zhì)共同作用下產(chǎn)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(jī)械密封材料的破壞。通常磨耗腐蝕對機(jī)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(yīng)力腐蝕失效
　　由于泵類設(shè)備機(jī)械密封零件處于高速運(yùn)動中，這樣密封零件在工作時就會受到應(yīng)力（殘余應(yīng)力、熱應(yīng)力、工作應(yīng)力等）的作用，同時由于腐蝕介質(zhì)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(jī)械密封的各種腐蝕形式或多或少都同接觸腐蝕有關(guān)，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(zhì)溶液中存在電位差。不同的金屬在電解質(zhì)溶液中接觸時，由于各自的電位不同，必然產(chǎn)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(jī)械密封摩擦副而言，接觸腐蝕是普遍存在的。機(jī)械密封件在稀鹽酸、稀硫酸等電解質(zhì)溶液中易產(chǎn)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(jī)械中的泵、閥及離心機(jī)等零部件Z嚴(yán)重的腐蝕形態(tài)。其發(fā)生機(jī)理是由于在某些腐蝕介質(zhì)中，晶粒間界可能優(yōu)先發(fā)生腐蝕，使晶粒間的結(jié)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(zhì)溶液中構(gòu)成了電化學(xué)腐蝕條件，從而造成嚴(yán)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(jī)械密封抗腐蝕的措施
　　2.1 材料選擇
　　據(jù)統(tǒng)計，機(jī)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(zhì)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(yīng)具備機(jī)械強(qiáng)度高、具有耐干磨性、配對材料耐磨性好、導(dǎo)熱性和散熱性好、耐腐蝕性強(qiáng)、能耐熱變形和尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。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(jīng)驗、工藝性能及經(jīng)濟(jì)因素等進(jìn)行選用。

　　2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計^[4-5]
　　在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，減小應(yīng)力集中及殘余應(yīng)力有助于防止或減輕應(yīng)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(dāng)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(qiáng)腐蝕流體時，可采用外裝式或雙端面密封結(jié)構(gòu)，從而減輕腐蝕對密封件的影響；對于毒性高、腐蝕性強(qiáng)的介質(zhì)，可以引入隔離液進(jìn)行保護(hù)，隔離流體起到安全屏蔽的作用。

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

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

　　3　結(jié)語
　　對于各種輸送介質(zhì)下密封件的腐蝕機(jī)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(chǔ)上，通過采取有針對性的措施來抑制和緩解泵類設(shè)備的機(jī)械密封腐蝕。同時也要切記，腐蝕和防護(hù)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，過分強(qiáng)調(diào)某一方面的因素是不恰當(dāng)?shù)?，甚至一些在其他場合被證明是行之有效的腐蝕防護(hù)措施，在某些環(huán)境下并不一定有效。

　　參考文獻(xiàn)
　　[1] 孫智，江利，應(yīng)鵬展.失效分析-基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.
　　[2] 劉磊，劉立源，王華，等.內(nèi)流機(jī)械密封結(jié)構(gòu)及在螺桿泵驅(qū)動裝置上應(yīng)用[J].石油礦場機(jī)械，2013，42（10）：60-62.
　　[3] 彭德遲，余良旺.泵用機(jī)械密封腐蝕失效分析[J].水泵技術(shù)，2006（3）：27-29.
　　[4] 李希會.泵串聯(lián)機(jī)械密封及系統(tǒng)改造[J].石油礦場機(jī)械，2006，35（2）：93-94.
　　[5] 楊詩成.泵與風(fēng)機(jī)[M].北京：中國電力出版社，2007.

來源：《科技資訊》