通過對失效原因的分析，可以提高應用機械密封的技術水平。結構設計上的改進，在很大程度上是源于故障分析。對分析故障要做到盡可能確切，有時需要花費時間，甚至需要使用專門的測試技術。

一、密封失效分析的原則和方法

對每一套機械密封，無論以何種原因失效，都應進行詳細的分析研究，并記錄有關數據。密封件損壞后，不能局限于從被損件上查找失效原因。還應將拆卸下來的機械密封妥善地收集，清洗干凈；按靜止和轉動兩部分分別放置，貼上標簽，以備檢查和記錄。

檢查程序是；首先，弄清受損傷的密封件對密封性能的影響，然后依次對密封環、傳動件、加載彈性元件、輔助密封圈、防轉機構、緊固螺釘等仔細檢查磨損痕跡。對附屬件、如壓蓋、軸套、密封腔體以及密封系統等也應進行全面的檢查。此外，還要了解設備的操作條件，以及以往密封失效的情況。在此基礎上，進行綜合分析，就會找出產生失效的根本原因。

二、根據磨損痕跡分析故障原因

磨損痕跡可以反映運動件的運動情況和磨損情況。每一個磨損痕跡都可以為故障分析提供有用線索。例如，摩擦副磨損痕跡均勻正常，各零件的配合良好，這就說明機器具有良好的同軸度。如果密封端面仍發生泄漏，就可能不是由密封本身問題引起的。例如，金屬波紋管機械密封的端面磨損痕跡均勻正常，泄漏量為常數，這就意味著泄漏不是發生在兩端面之間，有可能發生在其它部位上，如固定波紋管的靜密封處等。

當端面出現過寬的磨損，表明機器的同軸度很差。轉軸每轉一圈密封件都要作軸向位移和徑向擺動，顯然在每一次轉動中，密封端面都趨向于產生輕微的分離和泄漏。以離心泵為例，造成過寬的磨損的原因大致有：聯軸器不對中、泵軸彎曲、泵軸偏斜、軸的精度低、管線張力過大、振動等。

引起振動的原因還有氣穴、喘振、水錘沖擊、介質流動不平衡等。但以聯軸器對中不良，軸承運轉精度差引起振動的情況居多。

安裝聯軸器時，應測量兩軸中心線位置精度，通常是用百分表和塞尺進行測量，兩聯軸器外圓的偏差和端面間隙的偏差測量數值需控制在表12-1所示的范圍內。

表12-1  聯軸器安裝允差（mm）

對于水力特性所引起的震動，其有效的補救措施是控制泵的排量在設計值以下，減輕泵的氣穴現象。

對出現的磨損痕跡寬度小于窄環環面寬度時，這就意味著密封受到過大的壓力，使密封面呈現變形。對此，應從密封結構設讓上加以解決，采用能承受高壓的密封結構。

機械密封運轉一段時間后，若摩擦端面沒有磨損痕跡，表明密封開始使用時就泄漏，泄漏介質被氧化并沉積在補償環密封圈附近，阻礙了補償環作補償位移。這種情況是產生泄漏的原因。粘度較高的高溫流體，若不斷地泄漏，易于出現這種情況。

對橡膠波紋管式密封件，若摩擦副端面沒有磨損痕跡，這表明密封端面可能已經壓合在一起，摩擦副間無相對轉動，而是橡膠波紋管相對于軸旋轉。如果出現這種情況，彈簧就會磨損，還會磨損固定部件和轉動部件。

有時，旋轉環相對于靜止環不旋轉，而相對于靜環壓蓋旋轉，這種情況下摩擦副端面也不會產生磨損痕跡。其原因可能是防轉銷折斷了，或是靜環壓蓋的孔徑小于密封件的外徑而安裝不到位所致。

在密封端面上有光點而沒有磨痕，這表明端面已產生較大的翹曲變形。這是由于流體壓力過大，密封環剛度差，以及安裝不良等原因所至。外裝式機械密封，若夾固式非補償環僅用兩個螺栓固定而靜環壓蓋沒有足夠的厚度，或定位端面不平整，也會出現這種現象。

硬質環端面出現較深的溝槽（環狀紋路，形如密紋唱片）。其原因主要是泵的聯軸器對中不良，或密封的追隨性不好。當振動引起密封端面分離時，兩者之間有較大顆粒物質入侵，假如顆粒嵌入較軟的碳石墨密封環端面內，軟質環就象砂輪一樣磨削硬質端面，造成硬質端面的過度磨損。若是由振動引起端面分離，那么傳動銷釘之類的傳動件必然也會出現不正常的磨損痕跡。

在顆粒介質中工作的機械密封，組對材料均采用硬質端面，這是解決密封端面出現深溝槽的一種有效辦法。例如，硬質合金與硬質合金或與碳化硅組對為最佳。因為顆粒無法嵌入任何一個端面，而是被磨碎后從兩端面之間通過。

金屬軸套外圓表面的磨痕，可能是進入套內的固體微粒造成的，它干擾密封的追隨能力；也可能是軸偏斜，軸與密封腔的同軸度偏差大造成的。

三、熱負荷對端面材料的損傷

在一個或兩個端面上出現缺口，這種現象說明兩個端面分開的距離太大，而當兩個端面用力合緊時，就會產生缺口。造成端面分離的常見原因是介質急驟蒸發。例如：水，特別是在熱水系統或是含凝結水的液體中，水蒸發時膨脹，因而將兩端面分開。泵的氣穴現象加上密封件的阻塞也可能是使密封端面產生缺口的原因。在這種情況下，不是由于振動和聯軸器不對中引起的，因為這不足以使端面產生缺口。

降低端面溫度是防止介質急劇蒸發造成端面損壞的常用方法。同時，采用導熱性好的材料組對也是有利的，如用鎳基硬質合金與浸銅石墨組對。此外，采用平衡型機械密封，或利用特種壓蓋從外部注液冷卻，或直接冷卻腔內的密封，等等，對降低密封端面的溫度都十分有效。

失效的機械密封，摩擦副端面常會留下很細的徑向裂紋，或者是徑向裂紋兼有水泡痕，甚至龜裂。這是由于密封過熱引起的，特別是陶瓷、硬質合金密封面容易產生這類損傷。介質潤滑性差、過載、操作溫度高、線速度高、配對材料組合不當等，其中任何一種因素，或者是幾種因素的疊加，都可以產生過大的摩擦熱，若摩擦熱不能及時散發，就會產生熱裂紋。這些細裂紋猶如切削刃一樣，切削碳石墨或其它對偶件材料，從而出現過度磨損和高泄漏。解決密封過熱問題，除改變端面平衡系數，減少載荷外，還可采用靜止型密封并加導流套強制將冷卻循環流體導向密封面，或在密封端面上開流體動力槽來加以解決。

摩擦端面上有許多細小的熱斑點和孤立的變色區，這說明密封件在高壓和熱影響下變形扭曲。對于端面的熱變形，應采用有限元法計算分析，改進密封環的設計。

表面噴涂硬質材料的密封環，無論是噴涂陶瓷還是硬質合金，在熱負荷下其面層都有可能在基材上起鱗片或剝落。出現這種現象，說明密封出現過干摩擦。為消除這一現象，首先應檢查密封的潤滑、冷卻是否充分、冷卻系統有無堵塞現象，操作是否得當，根據實際情況采取相應的對策。

四、腐蝕對密封件的危害

化學腐蝕和電化學腐蝕對于機械密封的使用壽命是一個嚴重威脅。構成腐蝕的原因錯綜復雜，這里僅就機械密封件最常見的腐蝕形態以及影響最大的因素進行分析。

1.全面腐蝕與局部腐蝕  全面腐蝕，即零件接觸介質的表面產生均勻腐蝕，其特征是零件的重量減輕.甚至會全部被腐蝕、失去強度、降低硬度。如用1Cr18Ni9Ti不銹鋼制作的多彈簧，用于稀硫酸時就會出現這種情況。局部腐蝕，可以簡單地用零件上的蝕斑，蝕孔來判明。局部腐蝕是零件表面層變得松軟多孔、易于脫落、失去耐磨強度。局部腐蝕是多相合金中的某一相或單相固溶體的某一元素，被介質選擇性溶解的腐蝕形態。例如，鈷基硬質合金用于高溫強堿中時，粘結相金屬鈷易被腐蝕，硬質相碳化鎢骨架失去強度，在機械力的作用下產生晶粒剝落。又如，反應燒結碳化硅，因游離硅被腐蝕而表面呈現麻點( pH＞10時)。

腐蝕對密封件的性能影響很大。由于密封件比主機的零件小，而且更精密，通常要選用比主機更耐腐蝕的材料。對于直接與介質接觸的密封件，雖然可參閱有關腐蝕手冊中的數據選擇適宜的材料。但這些數據未必與機械密封系統中的使用條件相符，因為它們大多是靜態條件下單一種介質的腐蝕數據，而工藝流程中的介質是多種介質的混合物。經驗表明壓力、溫度和滑動速度都能使腐蝕加速。密封件的腐蝕率隨溫 升呈指數規律增加。

處理強腐蝕流體時，采用外裝式或雙端面密封，可以最大限度減輕腐蝕對密封件的影響，因為它與工藝流體相接觸的零件數最少。這也是在強腐蝕條件下，選擇密封結構的一條最重要的原則。

2.應力腐蝕，應力腐蝕是金屬材料在承受應力狀態下處于腐蝕環境中所產生的腐蝕現象。不論是外部載荷或殘余應力，腐蝕都會加劇。容易產生應力腐蝕的材料是奧氏體不銹鋼、銅合金等。應力腐蝕的過程一般是在金屬表面上形成選擇性的腐蝕溝槽，持續產生局部腐蝕，最后在應力的作用下，從溝槽底部產生裂紋。典型的實例是104型機械密封的傳動套，它的材料為1Cr18Ni9Ti，當用于氨水泵上時，傳動套的傳動耳環最容易出現應力腐蝕裂紋，使耳環損壞。為此，將其凹形耳環改為實心凸耳，即可防止產生這種應力腐蝕。

3.磨蝕  密封件與流體間的高速運動，致使接觸面上發生微觀凹凸不平。當流體為腐蝕性介質時，將加快密封接觸表面的化學反應，這種反應有時是有利的，有時是有害的。如果所形成的氧化層被破壞，即出現腐蝕。由磨損與磨蝕的交替作用而造成材料的破壞稱為磨蝕。通常磨蝕對機械密封的非主要元件如彈簧座、推環、環座等所帶來的危害還不致迅速地反應出密封性能的變化，但卻是摩擦副失效的主要形態之一。為此，在強腐蝕性介質中，摩擦副應采用耐腐蝕性能好的材料，如采用99.5%的高純氧化鋁陶瓷，或不含游離硅的熱壓燒結碳化硅等。

4.間隙腐蝕  當介質處于金屬與金屬或非金屬元件之間，存在很小的縫隙時，由于介質呈滯流狀態，會引起縫隙內金屬的腐蝕加速，這種腐蝕形態稱為間隙腐蝕。例如機械密封彈簧座與軸之間，補償環輔助密封圈與軸之間（當然此處還存在微動磨損）出現的溝槽或蝕點即是典型的例子。究其原因，是由于縫內介質處于滯流狀態，使得參加腐蝕反應的物質難以向縫內補充，而縫內的腐蝕產物又難以向外擴散，于是造成縫內介質隨著腐蝕的進行，在組成的濃度、pH值等方面愈來愈和整體介質產生很大差異，結果便導致縫內金屬表面的腐蝕加劇。間隙腐蝕對密封性能的危害很大，密封圈與對隅軸處產生溝槽，將導致補償環不能作軸向位移，失去追隨性，使端面分離而泄漏。對于間隙腐蝕，通常可以通過正確選材和合理的結構設計予以減輕。如選用具有良好的抗間隙腐蝕性能的材料，在結構設計上應盡可能避免形成縫隙和積液死區；采用自沖洗方式進行循環，使密封腔內的介質處于不斷更換和流動狀態，防止介質組分的濃度變化，長期停用的機泵，應將積液及時排空等等。在結構上要消除間隙是不可能的，因此，一般采用保護性的軸套，在其密封圈安裝部位可噴涂耐腐蝕材料加以防止。

5．電化學腐蝕  實際上，機械密封的各種腐蝕形態，或多或少都同電化學腐蝕有關。就機械密封摩擦副而育，常常會受到電化學腐蝕的危害，因為摩擦副組對常用不同種材料，當它們處于電解質溶液中，由于材料固有的腐蝕電位不同，接觸時就會出現不同材料之間的電偶效應，即一種材料的腐蝕會受到促進，另一種材料的腐蝕會受到抑制。例如銅與鎳鉻鋼組對，用于氧化性介質中時，鎳鉻鋼發生電離分解。鹽水，海水、，稀硫酸等都是典型電解質溶液．密封件易于產生電化學腐蝕，因而最好是選擇電位相近的材料或陶瓷與填充玻璃纖維聚四氟乙烯組對。

五、橡膠密封圈的失效

機械密封用輔助密封圈，以采用合成橡膠O形圈較多。機械密封失效中約有30%是因為O形圈失效而引起的。其失效表現如下：

1.老化  高溫及化學腐蝕通常是造成橡膠制品硬化、產生裂紋的主要原因。橡膠老化，表現為橡膠變硬，強度和彈性降低，嚴重時還會出現開裂，致使密封性能喪失。

橡膠在儲存保管中，長期曝露日照下，或接觸了臭氧，或儲存時間太長，都會發生老化，過熱會使橡膠組分分解，甚至碳化。在高溫流體中，橡膠有繼續硫化的危險，最終失去彈性而泄漏。所以有必要了解每一種合成橡膠的安全使用溫度。

2.yongjiu變形  橡膠密封件的yongjiu性變形通常比其它材料更嚴重。例如，橡膠O形圈使用中變成方形。密封圈長時間處于高溫之中，會變成與溝槽一樣的形狀，當溫度保持不變，還可起密封作用；但溫度降低后，密封圈便很快收縮，形成泄漏通道而產生泄漏。因此，應注意各種膠種的使用溫度極限，應避免長時期在極限溫度下使用。如果不能改變密封運轉條件，則要從結構上加以改進，以減輕溫度對橡膠材料的不良影響。例如，盡可能地選用截面較大的橡膠O形圈、O形圈要遠離摩擦副端面、適當提高O形圈的硬度、采用溝槽式的裝配結構（不用推環擠壓式結構，勿使彈簧力作用于O形圈上）等等。

3．溶脹變形  合成橡膠在某些介質中會發生膨脹、發粘或溶解等現象。因此，應根據工作介質的性質，利用有關資料的圖表選擇合適的材料。如果對所輸送的工作介質的組分不十分清楚，就應進行浸漬試驗，以指導合理選材。有些混合溶液可能會侵蝕各種合成橡膠，這時就需要選用聚四氟乙烯作密封圈。

4．扭曲及擠出損傷補償環矩形槽中的橡膠O形圈，在裝配或使用中產生扭轉扭扭曲。其原因有：O形圈的硬度低且截面直徑太小，或者是圓截面直徑不均，工作壓力波動，沖擊振動，以及內壓小且潤滑不良等都能使O形圈產生扭曲。發生扭曲的部位大多數在O形圈的中部。扭曲嚴重時，該處截面會變細，同時會出現泄漏量和摩擦力增大。防止O形圈扭曲的方法如下：

（1）O形圈在安裝前，應在槽內涂以潤滑脂，轉軸應光潔，保證O形圈滾動自如。

（2）壓縮量應盡量取適宜值，適當放寬槽的寬度使O形圈能在槽內滾動。

（3）在可選用幾種截面的情況下，應優先選用較大截面的O形圈。

（4）改用其它不發生扭曲的密封圈，如X形截面的密封圈。

橡膠O形圈在靜態和位移運動情況下，總是處于壓縮狀態，所以在高壓工況下存在擠入間隙的傾向。O形圈擠出，即受高壓作用的O形圈在間隙處會產生應力集中，當其應力達到一定程度時，O形圈就會形成一道飛邊嵌入間隙之中，導致O形圈的磨損或啃傷，使密封件過早失效，釀成介質從密封圈處泄漏，顯然，造成擠出的原因主要與壓力及密封部位妁間隙有關，與O形圈材料的硬度也有關。減小間隙雖然能防止擠出，但是會降低密封環的浮動追隨特性。所以，在高壓工況下。防止橡膠O形圈的擠出措施是在O形圈溝槽中安裝擋圈。尤其對于小截面的O形圈一定要增設聚四氟乙烯或聚酰亞胺材質的檔圈。

六、彈簧或波紋管的失效

2.斷裂  彈簧斷裂也是彈簧失效的主要形式之一。根據彈簧的載荷性質、工作環境、其斷裂形式有：疲勞斷裂，應力一腐蝕斷裂及過載斷裂等。

彈簧或金屬波紋管疲勞斷裂的原因，多數屬于設計不當、材料缺陷、制造不良及工作條件惡劣等因素導致疲勞裂紋的擴展而造成的。疲勞裂紋往往起源于高應力區。如壓縮彈簧的

內表面出現了斷口，常與彈簧材料軸線成45°角方向擴展到外表面而斷裂，金屬波紋管的斷裂常出現在波紋管的波谷處。

焊接金屬波紋管，如果由于制造上的缺陷，如波片間距不等，因而會存某些波片中產生較大的應力，從而使這些波片產生早期破裂。所謂制造上的缺陷，是指波片間距不勻，波的深度不等以及片厚不一等等。安裝靜止型金屬波紋管機械密封時，有可能由于壓蓋與支承點連接時呈傾斜狀態面產生缺陷。這種缺陷亦會在波片內產生應力，從而出現斷裂。

在許多情況下，焊接金屬波紋管周期伸縮運動的頻率和密封裝置的固有頻率相等時則可能發生共振，產生較大的應力而導致早期疲勞斷裂。在焊接金屬波紋管密封裝置內可能產生兩種形式的振動，軸向振動和扭轉振動。軸向振動是由軸的軸向竄動產生的，扭轉振動通常是由摩擦副之間的摩擦力產生的。摩擦力趨向于繞緊波紋管，直至摩擦力小于波紋管內的繞緊力為止。此后，該力自身釋放。如此重復自行循環。這種扭轉振動自行轉變成軸向振動，當兩鄰近的波片焊球相互碰撞時，振動減弱、振幅減小、如此重復自行循環。

為了防止產生共振，密封的固有頻率應設計得比主振動頻率大一些（通過改變材料、片厚、片數、間距、安裝長度），或利用不對稱型波形以及采用撥叉來傳遞轉矩。此外，采用各種阻尼方法也可消除振動，如使用一阻尼片裝在波紋管的周圍，產生輕微的彈性載荷，從而保證與波紋管相接觸，在振幅形成前就減弱振動，減振片就把波紋管的動能導出

在介質侵蝕和材料應力的作用下，彈簧和金屬波紋管會發生斷裂現象，稱為應力一腐蝕斷裂。奧氏體鋼彈簧在交變應力作用下易受氧化物的應力腐蝕，對此，推薦使用哈氏合金。

在腐蝕性介質中工作的彈簧和波紋管，在其截面的應力區域，由于腐蝕與應力共同作用在元件的某些薄弱處，首先被腐蝕，形成裂紋核心。隨著承載時間的延長，裂紋緩慢地向亞臨界擴展。當裂紋達到臨界尺寸時，其彈性元件便突然斷裂。應力一腐蝕斷裂與工作介質有著密切的關系，如介質中含有氯，溴或氟時，金屬彈性元件易發生應力一腐蝕斷裂。應力一腐蝕斷裂，從機理上來講是陽極反應，而氫脆斷裂則主要是陰極反應。在多數情況下，彈簧的氫脆斷裂，即氫原子滲入彈簧材料的晶界，并結合成氫分子，從而產生很大的應力，結果導致彈簧在低應力截荷下發生脆性斷裂。氫脆斷裂通常發生在45°～90°的彎曲角度的范圍內。如將已變脆的彈簧圈夾在虎鉗上，用鉗子夾緊外伸部分并用力彎曲，即可輕易地將彈簧折斷成二或三段。若是其它原因引起的斷裂，則會發現，彈簧材料仍保持足夠的韌性。在海水、硫化物、硫酸、硫酸鹽、苛性堿、液氨以及含氫氣的介質中，由于化學反應所產生的氫氣為彈簧材料所吸收，從而造成的脆性斷裂。

彈簧或波紋管的斷裂破壞除上述因素外，還有以下原因：

（1）熱處理缺陷  由于熱處理工藝不當而使材料隱含內部缺陷。如熱處理造成彈簧材質的晶粒粗大，盡管得到了需要的硬度，但在使用中很快發生變形最終斷裂。

（2）工具造成的傷痕  彈簧制造過程中，特別是帶鉤彈簧的彎鉤，往往由予制造工藝不當造成傷痕而出現應力集中區，致使彎鉤斷裂。

由此可見，防止斷裂破壞的措施，除了在設計時根據彈簧的工作條件，選擇適宜的材料，確定恰當的應力值外，在制造過程中采取合適的加工工藝方法，也是十分必要的。

七、密封驅動件的磨損、斷裂或腐蝕

傳動銷，傳動螺釘、凸緣，撥叉甚至單只的大彈簧都能用來傳遞轉矩，驅動密封件旋轉。振動或安裝位置偏斜，不同心等，都會使傳動件磨損，彎曲甚至損壞。機械密封使用的固定螺釘不能用硬化后的材料制作。檢查磨損時，首先要檢查傳動連接點，可以在銷子、槽口、凸緣、拔叉上尋找磨損痕跡。傳動銷或傳動槽的磨損是由于粘合——滑動作用而引起的。如果兩個端面在瞬時間粘合在一起，這時由于旋轉環不平滑旋轉，旋轉時會產生跳動，傳動銷將承受很大的應力。開停車頻繁或受力過大時，傳動銷也容易折斷，使密封突然失效。潤滑不良也會產生粘合一滑動作用。

產生傳動銷折斷的其它原因還有；彈簧力過大；介質壓力高而采用了非平衡型密封或密封流體潤滑性能很差，而使轉矩大；傳動銷裝配傾斜；單只受力；選擇時只考慮了摩擦副材料的耐腐蝕性，而沒有考慮組對性能；泵的氣穴現象等。

八、摩擦熱損傷

非正常的摩擦熱損傷也是機械密封失效的原因之一。軸（或軸套）、壓蓋、密封腔和密封件都會因非正常的過熱而損傷。摩擦熱損傷可以從摩擦痕跡和顏色來判斷。隨著溫升金屬要改變顏色，例如不銹鋼的顏色：淡黃色約370℃，蘭色約590℃，墨色約648℃。在一些泵中，出現非正常的過熱原因有；軸的偏斜過大使泵的喉口與軸產生摩擦，無定位導向的壓蓋與泵軸（或軸套）相摩擦；固定螺釘松脫與密封腔摩擦，壓蓋墊片滑移接觸旋轉環等。

非正常的摩擦所產生大量熱能熔融聚四氟乙烯V形圈或使橡膠O形圈焦化。

造成非正常的摩擦發熱的原因還有；無定位導向的壓蓋與泵軸（或軸套）相碰；靜止環發生旋轉；密封腔內聚結污垢；密封腔與軸不同心等。