【康沃真空網】前言
企業在購買新的泵、攪拌器或其它類型的旋轉設備時，經常會問：“在必須拆卸維修之前，我的設備能夠運行多長時間？”在某些情況下，可以考慮升級其現有泵，以提高其可靠性、生產量和效率，或使其符合聯邦或地方排放法規。問題通常是相同的。
在許多工業泵應用中，密封是最關鍵的部件。由于泄漏量不可接受，或者在某些情況下，液位或壓力報警，密封通常會迫使泵停止運行。雖然密封經常被認為是設備故障的原因，但真正的原因通常出在泵的運行和機械條件或密封的環境控制系統。
已成功實施提高平均維修間隔時間（MTBR）計劃的公司，實現了三年或更長的平均密封壽命，從而降低了泵組的生命周期成本（LCC）。泵應用的LCC預測可能因密封MTBR的不同而不同。在故障風險較高的情況下，謹慎的做法是尋求專家建議，因為壽命估計中的錯誤可能會產生代價高昂的后果。
任何密封MTBR預測的關鍵是了解最可能影響密封性能的因素。機械密封的關鍵性能指標通常是泄漏量和功耗。
預測一下機封壽命？
預測機械密封的使用壽命不是一項容易的事情，因為宏觀上的密封性能受到微觀層面許多現象的影響。
密封的可靠性，在很大程度上取決于其在配合面之間的間隙中保持穩定液膜的能力，同時最大限度地減小這些面的摩擦區域機械接觸的持續時間和程度。接觸過多可能會使材料過熱；接觸不足可能導致高泄漏量。
關鍵零部件
機械密封面的工作原理與軸承非常相似。主要區別在于，潤滑劑通常是泵送液體本身，在壓力下、有時在高溫下可能是臟的、易揮發的、粘性的、有毒的或爆炸性的。
顯然，密封面是任何機械密封中最脆弱的部件，但其它部件，如輔助密封元件（O形環、波紋管）或金屬部件，如彈簧、驅動銷或固定螺釘，在過度移動或高溫高壓下也可能影響密封的壽命。本文重點討論影響密封面壽命的因素。
為了對端面密封的預期壽命進行合理評估，需要了解有關機械密封功能的一些基本知識。記住五個關鍵性能因素可以指導確定機械密封的最佳更換周期。
密封面磨損
首先，必須知道密封很少出現過度泄漏，除非密封面已經完全磨損。如果發生這種情況，兩個面中較窄的面將磨損到失去接觸的程度，并為流程液體泄漏到大氣中形成泄漏路徑。事實上，密封面的正常磨損率極低，因此不是過度泄漏的典型原因。
在高壓應用和引起密封面材料磨蝕磨損的流體中，可能會發現磨損的密封件。在大多數需要對密封組件進行解體檢查的情況下，密封面確實顯示出損壞的跡象。在這些情況下，較窄的密封面的磨損仍有足夠的材料，但表面的摩擦區域受到損壞，導致泄漏量達到不可接受的程度。這些損壞癥狀可能會有所不同 - 從肉眼幾乎看不見到嚴重的損傷，如密封面破裂。
常見的損傷癥狀是點蝕、起泡、碎裂、劃痕和熱沖擊裂紋。機械密封的正常更換是例外情況，因為在這種情況下，設備很可能因與密封無關的其它原因或僅僅是出于預防性維護原因而停止使用。機械密封出現過度泄漏的癥狀，是設備、流程或控制系統中存在更深層問題的明顯證據。
密封失效的類型
根據MTBR，密封失效可分為初期型、磨損型或隨機型。從統計學來講，隨機失效（也稱為偶然失效或壽命中期失效）是主要類型。初期故障通常是由不正確的密封選擇、安裝或啟動引起的，并且隨著集裝式設計的機械密封的廣泛應用，初期故障實際上已基本消除。
在運行相當長的時間后，隨機故障往往會意外發生，其典型特征是密封的泄漏行為從正常到過度的快速變化。在運行工況下，這可能表現為在高壓或高速應用中從不可見的泄漏量變化為滴流，或從穩定滴流變化為少量泄漏。
隨機故障很難預測，因為它們通常是工藝操作或設備引起的瞬態的結果，而這是密封面材料無法容忍的。瞬態運行工況可能是有意引起的，也可能是泵中部件故障或意外工藝偏差的結果。驗證密封是否能夠處理預期的瞬態是使用壽命評估中的關鍵步驟，因為瞬態工況很可能對密封面產生破壞性影響。
與循環（非穩定工況）應用相比，本質上連續、穩態的應用相對容易。事實上，可以安全地假設，如果密封面處的潤滑膜始終保持穩定，則密封面幾乎將永久保持完好無損，因此密封將不會成為設備使用壽命的驅動因素。
在估算機械密封的壽命時，還必須考慮應用限制、最小泄漏要求和密封環境。在離心泵基礎 - 機械密封能使用多長時間（下）中，將討論影響密封壽命和后續更換需求的其它三個關鍵因素。
在許多工業泵應用中，密封是最關鍵的部件。由于泄漏量不可接受，或者在某些情況下，液位或壓力報警，密封通常會迫使泵停止運行。雖然密封經常被認為是設備故障的原因，但真正的原因通常出在泵的運行和機械條件或密封的環境控制系統。五個性能因素會影響機械密封的使用壽命，并指導確定該密封的最佳更換周期。它們還可以提高密封使用壽命和平均維修間隔時間（MTBR），從而降低泵的生命周期成本（LCC）。
密封應用限制
第三個因素是發布機械密封的應用限制，通常由壓力、速度和溫度定義，容易被誤解。
大多數密封制造商表示，在其中一個限制工況下運行密封將導致最短使用壽命可能低于兩年，而一些密封類型（如API 682標準中規定的密封類型）使用壽命至少為三年。發布的限制雖然對于穩態運行可靠，但對于循環（非穩態）運行來說可能被夸大或不可靠。API 682密封可能是一個例外，它通過包括一系列循環測試來確定特定密封類型適用于一系列服務，從而專門解決了這一缺點。
通常，對于密封可以承受多少特定的瞬態壓力、速度、溫度、氣體或固體滯留或振動，沒有固定的準則。在這方面需要專家的建議。
密封面偏轉
密封面在瞬態期間的偏轉量取決于幾個因素，包括瞬態的規模和速度，以及密封面的堅固性或強度。最重要的是，隨著運行工況的變化，密封面會發生變形，可能會改善或降低密封面的潤滑。可靠的密封是對預期或意外瞬變的敏感度較低的密封。密封的靈敏度可以通過其在所有可能的瞬態期間保持或多或少平行密封面的能力來確定。
靈敏度也可以通過正確選擇材料和環境控制系統來控制。例如，具有硬面/硬面組合的密封，如碳化鎢（WC）和碳化硅（SiC），是臟的流體或在某些情況下高壓應用的首選，它們非常容易受到液膜完全或部分損失的影響。當這些材料相互碰撞時，任何類型的損壞通常都是不可恢復的，并且隨著時間的推移只會變得更糟。
新的密封面材料和處理技術，如金剛石涂層，有望在這一領域取得重大進展。另一方面，以碳石墨為耐磨材料的硬面/軟面組合具有獨特的優勢，它們可以承受更高的載荷，承受更長的潤滑不足時間。最重要的是，在碳石墨表面損壞后更容易恢復。
碳化硅相對于硬碳-石墨通常被認為是現有材料中負載能力極限最高的之一，最能耐受干運行，因此是許多應用的首選材料組合。
應用限制
毫無疑問，當使用更粗的軸直徑、更快的速度以及更高的溫度、壓力和固體含量時，應用變得更加困難和危險。必須相應地優化密封面的堅固性及其有效散熱的能力。
在許多苛刻的應用中，明智的做法是考慮定制工程機械密封，這些機械密封專門設計用于處理設備的異常事件或預定義的運行模式。可以選擇不同的密封面設計和潤滑技術，以延長其密封面的使用壽命。
對于大多數應用，密封壽命可能超過三年。API 682和水力學會出版物《泵的機械密封：應用指南》為指定工程密封提供了良好的規則。
泄漏要求
第四個因素是所有端面密封必須具有少量泄漏，以在所有運行模式下保持足夠的潤滑膜。
由于密封在這些有利的潤滑狀態下運行，因此能耗降至最低，從而使密封運行更加經濟。泄漏量通常為每天幾毫升或更少，并且不可見。對于涉及高壓、高速或大軸直徑的特殊應用，這一數字可能要高得多。有關預期泄漏量的計算，請咨詢密封供應商。
機械密封在絕大多數應用中都能滿足當今的排放限制。預測任何給定應用的泄漏和摩擦行為都可能具有很高的準確性，這有助于為密封的正常、可疑和故障行為設定操作員指南。
當壓力、溫度或速度等運行工況改變時，泄漏量會增加或減少。這意味著泄漏量取決于泵的運行方式以及密封面對任何瞬態運行工況的響應程度。低且一致的泄漏模式的關鍵是保持密封面平整度。密封的關鍵性能指標（KPI）可能因使用的密封（端）面技術和材料而異。
任何給定的應用通常都有幾種解決方案，這些解決方案在成本和收益方面差異很大。密封供應商通常推廣獨特的功能，以增強或優化密封面的潤滑。一些OEM提倡高壓應用的硬面/硬面組合，而其他OEM則堅持硬面/軟面組合。每個人應對異常事件的能力各不相同，最佳選擇并不總是顯而易見的。
密封環境
最后，密封的可靠性取決于其運行環境。
通過從多種方法中選擇和應用合適的系統，可以操縱或控制運行環境 - 這幾乎與密封本身一樣重要。大多數密封需要一個沖洗系統來排出密封產生的熱量。如果該系統發生故障，可能會導致問題。“涼爽的密封就是快樂的密封” 對于大多數應用來說都是正確的。
有些流體可能會隨著壓力或溫度的變化而改變狀態。如果在選擇密封和控制系統時不加以解決，可能會給密封帶來麻煩。
環境控制系統可用于防止或最小化某些瞬變的負面影響，消除密封面的摩擦熱，減少沖洗液中固體的存在，改善工況以防止流體蒸發或凍結。最重要的是，它們最大限度地減少了故障對周圍環境的影響。
ANSI、API和ISO標準中包含了多種沖洗方案。密封類型和材料的多樣性，加上各種沖洗方案，使密封選擇變得非常具有挑戰性。可以在www.fluidsealing.com上找到有用的提示和工具，如FSA密封壽命周期成本估算器。該工具可以比較各種密封類型和系統，以幫助有效地選擇密封系統。
選擇“最有效的密封技術”需要對驅動密封性能的因素有充分的了解……不僅在正常運行工況下，而且更重要的是在異常工況下。
