现代密封技术应用 ——使用、维修方法与案例(十五)

知为材料
2022-05-18

【接上篇 现代密封技术应用 ——使用、维修方法与案例(十四)】


现代密封技术应用

——使用、维修方法与案例(十五)


3.2.4 机械密封使用维修中的注意事项

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3.2.5 机械密封的腐蚀与防护

机械密封特殊的结构形式和不同的工作环境,使其腐蚀形态具有多样性的特点。

1. 金属环腐蚀

(1)表面均匀腐蚀及由此产生的其他腐蚀

如果金属环表面接触腐蚀介质,而金属本身又不腐蚀,就会产生表面腐蚀,其现象是泄漏、早期磨损、破坏、发声等。

金属表面均匀腐蚀分为成膜和无膜腐蚀两种形态。无膜的全面腐蚀很危险,除非选材发生严重错误,否则一般不会遇到这种情况;成膜的腐蚀,及时是极薄的钝化膜,也具有非常优越的保护性。但在机械密封中由于金属密封环,例如不锈钢、钴、铬、钨合金等易钝化的金属环,其表面的钝化膜在端面摩擦中破坏,端面在缺氧条件下又很难生成新膜,因而金属裸露、电位增高、电位差加大,使电偶腐蚀加剧。同时因金属裸露,其他腐蚀也会相继发生。

腐蚀使金属以溶解的离子状态,脱离金属密封环表面;或是生成固态的腐蚀产物,在机械冲刷作用下脱离表面,使密封面产生颗粒磨损。颗粒磨损与磨蚀磨损,均使端面出现沟纹,并显示一定方向性。因此,从外形上很难把这两种磨损截然分开,往往在实践中把磨蚀磨损误认为颗粒磨损,影响了分析与防护。

(2)金属环的应力腐蚀破裂

金属和合金在腐蚀和拉应力的同时作用下,首先在一个微区产生裂缝源,由于某种机理,裂缝向纵深发展并发生破裂,称为应力腐蚀破裂(SCC)。选用堆焊硬质合金,以及采用铸铁、碳化钨、碳化钛等的密封环,容易出现应力腐蚀破裂。密封环裂纹一般是径向发散形的,可以是一条或多条。这些裂纹沟通了整个密封端面,加强了端面的磨损,使泄漏量大大增加。

应力磨蚀破裂的机理人们还没有完全搞清楚。但可以将裂缝的发生和发展区分三个阶段:第一阶段为金属表面生成钝化膜或保护膜;第二阶段为膜局部破裂,形成蚀孔或裂缝源;第三阶段为裂缝向纵深发展。

前两个阶段与孔蚀和缝隙腐蚀相同,腐蚀都是在一个对流不畅、闭塞的微区内进行,通称为闭塞电池腐蚀。第三阶段,由于金属内部存在一条狭窄的活性通路,在拉应力的作用下,活性通路前端的膜反复地、间歇地破裂,腐蚀沿着与拉应力垂直的通路前进。在闭塞区(裂缝尖端)产生了氢,一部分氢可能扩散到裂缝尖端的金属内部,引起脆化;在拉应力作用下又能发生脆性断裂,裂缝在腐蚀和脆性的反复作用下,迅速扩展。

根据断裂力学的观点,材料内部原始裂纹尖端的应力场强度因子K1=yδ2a1/2(y为系数),在开始时由于应力δ1小于临界应力δc,裂纹宽度a小于临时界裂纹ac,所以K1小于临界应力场强度因子K1c,裂纹不会失稳扩展,在有应力腐蚀作用下,由于原始裂纹a的腐蚀扩展,导致K1增大。经过一段时间后,a=ac及K1=K1c时,断裂就发生了。只有当原始裂纹a和(密封环)内应力δ1足够小,以至于K1小于材料在特定介质中的应力腐蚀临界应力场强度因子K1scc时,材料才不会发生应力腐蚀破裂。

在下列因素的影响下,机械密封金属密封环也容易发生应力腐蚀破裂:

1)应力的存在。堆焊或加工中,残余应力、旋转离心力、摩擦热应力,引起金属环应力,且δ1大于δ2c,应力腐蚀破裂就很难避免。

2)材料。金属密封环材料强度、硬度指标越高,K1c就越低,材料内气孔、夹渣、裂纹越多,越长越易发生应力腐蚀破裂。一般K1scc=(1/2~1/5)K1c,且随材料强度级别的提高,K1scc/K1c的比值下降。

3)磨损。构件表面越光,应力腐蚀破裂敏感性越低。端面磨损使金属表面钝化膜破坏,表面粗糙度值越高,越促使应力腐蚀破裂的发生。

4)介质。应力腐蚀破裂,只发生于一些特定的“材料环境“体系,例如,奥氏体不锈钢(Cl-)、碳钢(NO3-)。机械密封应用中,应特别注意“材料环境”对产生SCC的影响。

5)温度。温度越高,氢扩散越快,应力腐蚀破裂加快。密封环端面剧烈的摩擦,如果端面比压过大、表面粗糙度值高、冷却不够、表面润滑不好,摩擦热就加速了应力腐蚀破裂的进行。

(3)密封端面的电池腐蚀

端面腐蚀主要有晶间腐蚀、电池腐蚀、选择性腐蚀、化学腐蚀等。端面的磨面主要有流体冲刷、磨合、磨损、颗粒磨损和粘着磨损,腐蚀和磨损相互促进、简称磨蚀。这里着重介绍电池腐蚀。

当两种电位不同的金属,浸在腐蚀介质或导电性溶液中时,如果发生接触,就会有电流通过,电位较高的金属(阳极)就会遭到腐蚀。电位差越大,金属腐蚀溶解越厉害,这就是电池腐蚀。有些金属在静态下接触,可能没有电池效应;当在动态时,这种效应却大大增加。动、静环之间的相对摩擦运动,促进了腐蚀电流的流动。有时动、静环材质在某一介质中,分别都是耐蚀的;但组合成对,由于电池效应,却发生了腐蚀。如果动、静环都是金属,且电位接近,则腐蚀较慢。石墨是一种导电非金属,广泛用作静环,与金属配对时,由于石墨电位比金属电位低的多,金属环电池腐蚀速度很快。当碳钢和石墨接触时,在含氧的中性溶液中,由于石墨上氧的超电位(极化)比在铁上低得多,石墨称为阴极,使钢的腐蚀加剧。而在还原酸中,石墨上超电位较高,因而对钢的影响不太大;在运动摩擦中,还由于石墨细片被磨掉,并吸附在金属环上,与金属本体形成微电池,会加速金属密封环的腐蚀。另外,两种金属在电解质溶液中,有电位差而产生电池作用,还会发生电池腐蚀。为了防止电池腐蚀,应尽量避免使用电位差较大的两种金属组合的结构。

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2. 非金属的腐蚀

常用的非金属环有石墨环和填充聚四氟乙烯环。

(1)   石墨环的腐蚀

用树脂浸渍的不透性石墨环,它的腐蚀有三个原因:①当端面过热,温度高于180℃时(浸呋喃树脂),浸渍的树脂要析离石墨环,使环耐磨性下降;②浸渍的树脂若选择不当,不耐介质腐蚀,就会在介质中发生化学变化,也使耐磨性下降;③树脂浸渍深度不够,当磨去浸渍后,纯碳石墨环很快就会磨没了。所以密封冷却系统的简历选择耐蚀的浸渍树脂、采用高压浸渍、增加浸渍深度是非常必要的。

(2)   石墨环的氧化

在氧化介质中,端面在干摩擦或冷却不良时,产生高温(350~400℃),能使石墨环与氧发生反应,产生CO2气体,可使端面变粗,甚至破裂。非金属环也会发生应力腐蚀破裂,如聚乙烯、有机玻璃、不透性石墨在化学介质和应力的同时作用下也会破裂。

(3)(聚四氟乙烯)密封环的腐蚀

聚四氟乙烯中填充如玻璃纤维、石墨粉、金属粉末,以提高其耐温性、耐磨性。填充聚四氟乙烯环的腐蚀主要是指填充物的选择性腐蚀,溶出或变质破坏。比如在氢氟酸中,玻璃纤维会被腐蚀,所以填充何物应视具体情况而定。

3. 辅助密封圈及与其接触部位的腐蚀

(1)辅助密封圈本身的腐蚀

1)橡胶种类不同,其耐蚀性各异。由于橡胶的腐蚀、老化,会使其失效。橡胶遭腐蚀后,表面变粗糙且失去弹性,容易断裂,而聚四氟乙烯几乎在所有介质中均耐蚀。

2)耐油性因橡胶品种而异。不耐油的橡胶易胀大、摩擦力增大、浮动性不好,使密封失效。

3)耐温性。橡胶与聚四氟乙烯耐温性较差;硅橡胶耐温性最好,可在200℃使用;氟橡胶耐温性也较好。

(2)与辅助密封圈接触部位的腐蚀

机械密封动环、轴套、静环、静环座等,与橡胶或聚四氟乙烯辅助密封圈接触处,没有大的相对运动,溶液相对静止易形成死角,就给与之接触的金属轴套、动环、静环座、轴及密封体等,造成了特殊腐蚀环境,并引起腐蚀而使密封失效。其腐蚀情况有以下三种:

1)缝隙腐蚀。发生在缝隙内的腐蚀称为缝隙腐蚀。缝隙是引起腐蚀的主要设计缺陷,尽管缝隙外部金属的腐蚀率很低,但缝隙内却能引起严重的腐蚀,甚至穿孔或破裂。缝隙腐蚀曾用浓差电池腐蚀来描述其腐蚀形态。研究指出,缝隙腐蚀包括两个阶段:初级阶段,缝内金属的溶解和氧的还原;后期阶段,即是催化阶段,因缝内含氧、阴离子(如Cl-)向缝内迁移,结果使缝内H+和金属化合物浓度增加,从而加速了大多数金属的腐蚀。一般封液的Cl-和氧控制都比较低,基本上不构成腐蚀;但是在缝内污垢下面,Cl-的浓度比缝外增加3~4倍。

2)摩振腐蚀。轴套外表面和静环座内表面与辅助密封圈接触处还会产生摩振腐蚀。摩振腐蚀是指在加有载荷的两种材料相互接触的表面上,由于振动和滑动所产生的腐蚀。摩振腐蚀的机理也是振动和滑动摩擦破坏了金属表面,在介质和氧的作用下迅速腐蚀,磨损与腐蚀相互促进,加速了腐蚀和腐蚀区域的扩大。金属与辅助密封圈接触处有一定的接触比压(大于介质压力),存在微小的振动和滑动,具有摩振腐蚀的条件,因而有腐蚀现象的发生。其不同于一般摩振腐蚀现象的地方,是腐蚀下来的金属微粒及腐蚀产物很容易镶嵌在辅助密封圈上,并反过来揉搓磨削金属,就好像不断地添加磨料似的,所以机械密封的摩振腐蚀比一般的腐蚀要厉害一些。

3)接触腐蚀。金属与非金属腐蚀,在介质中还会产生接触腐蚀。有些靠氧化膜保护的金属,如不锈钢、铝等,在被非金属遮盖的表面上,由于极度缺氧,生成膜很困难,从而产生严重腐蚀。辅助密封圈与不锈钢的接触表面,由于接触腐蚀也对密封性能有影响。

上述三种情况同时存在、交替进行,所以腐蚀面较宽、较深。观察表面,其宽度大约在1~1.5倍密封圈直径,蚀深接近0.1mm时,密封泄漏就严重了。

4. 弹簧及金属波纹管的腐蚀

1)弹簧及金属波纹管在H2S、盐水、碱液等介质中,极易产生应力腐蚀破裂。如果这些弹性元件强度、硬度指标偏高、K1SCC偏低、对应里腐蚀破裂敏感,则很容易破裂,往往发生时间较短,工作几天就裂了。再加上压缩扭转应力以及离心力引起的拉力作用,就更缩短了发生应力腐蚀破裂的时间。解决的方法是:正确选材;热处理消除内应力;选择合适的弹簧比压。

2)弹簧及波纹管的均匀腐蚀。外装的大气腐蚀,内装的介质化学腐蚀,属于均匀腐蚀。元件腐蚀后,弹性范围降低,影响端面比压和补偿密封环的跟随性。

3)冲刷腐蚀。在旋转式机械密封中,弹簧及波纹管受到介质的冲刷腐蚀,造成弹簧丝变细,波纹管壁减薄,从而使密封作用受到影响。即使用不锈钢材料,由于冲刷作用导致钝化膜破坏,腐蚀加速,从而使密封寿命缩短。

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5. 防护方法

防护方法一般从以下三方面考虑:

(1   选材

化工生产介质繁多,密封情况千差万别,密封零件选择绝非易事。基于对腐蚀问题的深入了解和大量的试验,针对性的选择非常重要。

1)环境不同,选材不同,既要照顾选材的统一性,又要照顾环境腐蚀的差异。

2)温度、浓度、压力不同,选材不同。同一介质温度、浓度、压力不同,腐蚀情况各异,要对腐蚀性有所了解,酌情选材。

3)腐蚀形态不同,选材不同

①端面腐蚀环境的选材。活化—钝化体系的金属,如不锈钢、钴、铬、钨合金等,在对该金属具有电化学腐蚀、电偶腐蚀和生成脆硬腐蚀产物的环境要慎用。但是磨蚀速度不仅决定于腐蚀,还决定摩擦件的耐磨性,因此提高活化—钝化金属的硬度,往往降低磨蚀速度下降。

②应力腐蚀环境的选材。在应力腐蚀环境中,密封材料断裂韧性K1c应比较高;但K1c高的材料硬度往往偏低,不能满足密封性要求。要想同时满足韧性和硬度的指标很困难,有些材质可通过表面热处理的方式来满足这两个要求。对于具体介质选用何种材质,才能抗应力腐蚀破裂,进行大量的试验研究工作是必要的。

③电偶腐蚀环境的选材。动、静环接触,电偶腐蚀不可避免。为了减小腐蚀速度,应尽量选用电位差小的材料。铸铁与碳钢电位差小,在碱性溶液中使用较合适。选用硬对硬摩擦时,与其选用不同金属,莫如选用同种金属。非金属材料导电性差,如陶瓷可以避免电偶腐蚀,在电解质中应首先选用,但应注意陶瓷不耐碱、不耐氢氟酸和氟硅酸。

④缝隙腐蚀环境的选材。适当提高缝隙部位的硬度,以适应揉擦腐蚀的特点是必要的。如表面镀硬铬、喷涂陶瓷等。据报道,哈氏合金(HastelloyC)耐蚀能力强,在H2S-H2O系统中长期使用,为发现缝隙腐蚀。材质不同,抗缝隙腐蚀的能力也就不同。

(2)   设计结构

正确的结构设计,能使密封零件避开介质的腐蚀,减缓腐蚀速度,增强耐蚀能力。

1)避免与介质接触的设计。如果介质腐蚀性很强,没有合适的耐蚀材料,则可以从结构上想办法,使密封件不与介质接触。内装式、外装式、隔离液等机械密封,均属此类。另外,涂层、保护套,如聚四氟乙烯套等,也可起到介质隔离的作用。

2)端面设计。电偶腐蚀速度与阳极和阴极的面积比有关,面积比大,阳极电流密度就大,腐蚀加快,所以作为阳极的金属环与石墨配对,金属环应是宽面的。另外,密封端面为堆焊形式,因存在堆焊残余应力拉应力,可产生应力腐蚀劈裂;而镶嵌结构的端面是压应力,因而避免应力腐蚀破裂。

3)弹簧防腐设计。从结构上使弹簧不与介质接触是较好的方法,例如:外装、弹簧上喷涂保护层、加保护套等。

4)改旋转型为静止结构。

5)辅助密封圈。只要缝隙足够小,所有材料都有可能产生缝隙腐蚀。波纹管与轴套接触宽,而且取消了辅助密封圈,是一种比较好的密封结构。

(3)维护与使用

1)建立封液及冷却液系统,并经常更换封液及冷却液,加强对端面的冷却。

2)检修与安装机械密封时,严禁敲击密封件,以防止局部地区相变而为应力腐蚀提供条件。

3)密封件安装前,应严格地清洗干净。



(未完,待续)

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