冶金业机械密封失效分析

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1冶金工业泵用机械密封腐蚀

常用的冶金工业泵用机械密封的腐蚀，按腐蚀的过程分为化学腐蚀和电化学腐蚀;按金属腐蚀破坏的形态和腐蚀区域分布来分，主要有全面腐蚀和局部腐蚀。

1．1化学腐蚀与电化学腐蚀

化学腐蚀是由于金属与腐蚀性介质发生化学作用而产生的破坏，从而引起金属化学腐蚀的介质不能导电，进而在腐蚀过程中无电流发生。冶金工业泵用机械密封的化学腐蚀主要体现在密封元件非电解质溶液中的腐蚀。电化学腐蚀是金属在电解质溶液中发生电化学作用而引起的破坏，在腐蚀过程中有电流产生，引发电化学腐蚀的介质都能导电。电化学腐蚀与化学腐蚀的不同点在于腐蚀过程有电流产生。电化学腐蚀一般可分为大气腐蚀、在电解质溶液中的腐蚀和土壤腐蚀三种情况。电解质溶液腐蚀是化工用泵机械密封腐蚀的主要腐蚀形式。

1．2全面腐蚀和局部腐蚀

全面腐蚀，即零件所接触的介质表现产生均匀腐蚀，整个金属的表面腐蚀。全面腐蚀有各处腐蚀程度相同的均匀腐蚀，也有不同腐蚀区域程度不同的非均匀腐蚀。全面腐蚀的特征是零件的重量减轻，甚至会全部腐蚀，因而失去原有机械强度，降低材料的硬度。不锈钢在强酸和强碱中可能呈现全面腐蚀。如机械密封用1Cr18Ni9Ti不锈钢制作的多弹簧，用于稀硫酸介质时就会出现这种情况。局部腐蚀，即腐蚀主要集中在金属表面的某些区域，可以简单地用零件上的蚀斑、蚀孔来加以判明。尽管此种腐蚀的腐蚀量不大，但是由于其局部腐蚀速度很快，可造成机械密封的严重破坏。局部腐蚀使零件表面层变得松软多孔，易于脱落，失去耐磨硬度。究其原因，局部腐蚀是多相合金中的某一相或单相固溶体的某一元素，被介质选择性溶解的腐蚀形态。例如钴基硬质合金用于高温强碱中时，粘结相金属钴易被腐蚀，硬质相碳化钨骨架失去强度，在机械力的作用下产生晶粒剥落，又如，反应烧结碳化硅，因游离硅被腐蚀而表面呈现斑点。

2不同类型腐蚀对密封元件的破坏

2．1应力腐蚀

应力腐蚀是金属材料在承受应力状态下且处于腐蚀介质环境中所产生的腐蚀现象，其腐蚀机理是阳极溶解，不论是在外部载荷或残余应力作用下，腐蚀都会加剧。在泵用机械密封中容易产生应力腐蚀的材料是奥氏体不锈钢、铜合金等。应力腐蚀的过程一般是在金属表面上形成选择性的腐蚀沟槽，再继续产生局部腐蚀，最后在应力的作用下，腐蚀不断向深处发展，从沟槽底部产生裂纹，同时不断向深处发展，由于裂纹尖端处的应力很高，因此腐蚀裂纹扩展速度很快。例如典型的实例是内装单端而单弹簧非平衡型机械密封，它靠传动套传动。传动套的材料一般为1Cr18Ni9Ti，当用于洗涤水泵上时，传动套的传动耳环最容易出现应力腐蚀裂纹，使耳环损坏。为此，将其凹形耳环改为实心凸环，即可防止这种应力腐蚀的发生。

2．2腐蚀

机械密封件与流体介质间的高速运动，致使接触面上发生细微的凹凸不平。当流体为腐蚀性介质时，将加快密封接触表面的化学反应，这种反应的结果在接触面形成一种致密的氧化层时，能抑制腐蚀的进程，这是有利的一面。如果所形成的氧化层被破坏，即出现腐蚀。磨损和腐蚀交替作用而造成机械密封材料的破坏即为磨蚀。通常情况磨蚀对机械密封的非主要元件如弹簧座、推环、环座等所带来的危害，虽然不致于迅速地反映出密封性能的变化，但却是摩擦副失效的主要形态之一，尤其在密封端面，由于摩擦使腐蚀生成物被破坏，此种现象周期性循环所产生的磨蚀，其磨蚀速度约为无摩擦作用表面的腐蚀率的10～50倍。为此，在强腐蚀性介质中，摩擦副应采用耐腐蚀性能好的材料，如采用高纯氧化铝陶瓷，聚四氟乙烯或不含游离硅的热压烧结碳化硅等。

2．3间隙腐蚀

当泵输送介质处于金属与金属或非金属元件之间，存在很小的缝隙时，由于介质长期滞留在缝隙内，会引起缝隙内金属的腐蚀加速，这种腐蚀形态即为间隙腐蚀。间隙腐蚀是局部腐蚀的一种形式，例如机械密封弹簧座与轴之间，补偿环辅助密封圈与轴之间(当然此处还存在着微动磨损)出现的沟槽或蚀点即是典型的例子。其原因是由于缝内介质处于滞留状态，使得参加腐蚀反应的物质难以向缝内补充，而缝内的腐蚀产物又难以向外扩散，于是造成缝内介质随着腐蚀的进行，在组成的浓度、PH值等方面越来越和整体介质产生很大差异，使缝内金属与缝外金属构成短路原电池，其结果便导致缝内金属表面发生强烈的局部腐蚀。间隙腐蚀对机械密封性能的危害很大，密封圈与对隅轴处产生沟槽，将导致补偿环不能作轴向位移，失去追随性，使密封端面分离而泄漏。对于间隙腐蚀，通常可以通过正常选材和合理的结构设计予以减轻。如选用具有良好的抗间隙腐蚀性能的材料;在结构设计上应尽可能避免形成缝隙和积液死区，或者采用自冲洗方式进行循环，使密封腔内的介质处于不断更换和流动状态，防止介质组分浓度的变化。对于长期停用的机泵，应将泵内积液及时排空等等。在结构上要完成消除间隙是不可能的，为减缓间隙腐蚀，一般采用保持性的轴套，在其密封圈安装部位喷涂耐腐蚀材料等措施加以防止。

2．4电化学腐蚀

电化学腐蚀实质是金属与电解质因发生电化学反应而产生的破坏。产生电化学腐蚀的必要条件是:阳极、阴极、电介质、电流回路，除去或改变其中任何一个条件即可阻止或减缓腐蚀的进行。实际上，机械密封的各种腐蚀形式，大都同电化学腐蚀有关。对于机械密封摩擦副来说，经常会受到电化学腐蚀的危害，因为摩擦副组对常用不同种材料，当它们处于电解质溶液中，由于材料本身固有的腐蚀电位不同，接触时应会出现不同材料之间的电偶效应，即一种材料的腐蚀会受到促进，而另一种材料的腐蚀会受到抑制。例如铜与镍铬钢组对，用于氧化性介质中时，镍铬钢发生电离分解，盐水、海水、稀盐酸、稀硫酸等都是典型的电解质溶液，密封件在这种的介质中极易于产生电化学腐蚀。电化学防腐最佳途径是选择电位相近的材料或陶瓷与填充玻璃纤维聚四氟乙烯组对。

3提高泵用机械密封抗腐蚀措施

提高冶金工业泵用机械密封抗腐蚀性能，总体上是解决材料和结构两大问题。因此，为了确保“安全、稳顺、长期、满意、优质”地生产，必须正确选择密封材料及合理进行结构设计。

3．1正确与合理选择材质

在材质选择上，密封材料主要是根据被密封介质的性质、工况和用途来选择的，密封材料凡是与输送介质相接触的零件，原则上要求比输送该介质用泵的过流部件的材质提高一级。由于密封件尺寸比机泵其他零件小，而且加工、装配更精密，通常要选用比机泵更耐腐蚀的材料。同时根据所输送介质的类别合理选择材质搭配。如摩擦副组对材料为硬对硬，能适应于各种结晶性强腐蚀流体;由耐腐蚀硬质合金组对，能适用于强碱盐介质环境;选用氮化硅与碳化硅组对，则适用于强酸，尤其是有结晶的盐酸介质环境。在选材时注意的是，对于直接与介质接触的密封件，虽然可参阅有关腐蚀手册中的数据选择适宜的材料，但这些数据未必与机械密封系统中的使用条件相符，因为它们大多是静态条件下测得的腐蚀数据，而工艺中输送的介质存在杂质或呈二次化合物。经验表明，压力、温度和滑动速度都能使腐蚀加速，密封件的腐蚀率随温升事指数规律增加，因此还应综合考虑冶金工业泵工作的工艺条件进行选材。

3．2结构优化设计

当输送强腐蚀流体时，从结构上可设法与腐蚀介质接触，可采用外装式波纹管结构、弹簧不与介质接触的内装式密封、或双端面密封结构和引入阻塞流体来保护，可以最大限度地减轻腐蚀对密封件的影响，因为它不直接接触工艺流体介质或与介质相接触的零件数最少，这也是在强腐蚀条件下，选择密封结构所要遵循的一条最重要的原则。对于毒性高，腐蚀性强的介质，可以引入隔离液进行保持，隔离流体起到安全屏障的功能。

3．3金属保护层

采用防护层的方法来防止机械密封金属腐蚀是日前应用较多的一种方法，常用的保护层有金属保护层、化学保护层、非金属保护层三种。金属保护层是用具有阴极或阳极保护作用的金属或合金，通过电镀、喷镀、化学镀、热镀和渗镀等方法，在需要防护的密封金属零件表面形成金属保护层(膜)来隔离金属与输送介质的接触，或利用电化学的保护作用使金属得到保护，从而防止了腐蚀。

4结语

虽然冶金工业泵用机械密封腐蚀有其内在的规律性，但造成冶金工业泵用机械密封腐蚀的原因错综复杂。必须掌握各种输送介质下密封件腐蚀的机理，认真分析该泵的工作环境，掌控其发生的外部条件，通过有针对性的选材和采用合理结构形式，加上其他保护措施，泵用机械密封腐蚀是可以得到有效抑制和缓解的。