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1冶金工業泵用機械密封腐蝕
常用的冶金工業泵用機械密封的腐蝕,按腐蝕的過程分為化學腐蝕和電化學腐蝕;按金屬腐蝕破壞的形態和腐蝕區域分布來分,主要有全面腐蝕和局部腐蝕。
1.1化學腐蝕與電化學腐蝕
化學腐蝕是由于金屬與腐蝕性介質發生化學作用而產生的破壞,從而引起金屬化學腐蝕的介質不能導電,進而在腐蝕過程中無電流發生。冶金工業泵用機械密封的化學腐蝕主要體現在密封元件非電解質溶液中的腐蝕。電化學腐蝕是金屬在電解質溶液中發生電化學作用而引起的破壞,在腐蝕過程中有電流產生,引發電化學腐蝕的介質都能導電。電化學腐蝕與化學腐蝕的不同點在于腐蝕過程有電流產生。電化學腐蝕一般可分為大氣腐蝕、在電解質溶液中的腐蝕和土壤腐蝕三種情況。電解質溶液腐蝕是化工用泵機械密封腐蝕的主要腐蝕形式。
1.2全面腐蝕和局部腐蝕
全面腐蝕,即零件所接觸的介質表現產生均勻腐蝕,整個金屬的表面腐蝕。全面腐蝕有各處腐蝕程度相同的均勻腐蝕,也有不同腐蝕區域程度不同的非均勻腐蝕。全面腐蝕的特征是零件的重量減輕,甚至會全部腐蝕,因而失去原有機械強度,降低材料的硬度。不銹鋼在強酸和強堿中可能呈現全面腐蝕。如機械密封用1Cr18Ni9Ti不銹鋼制作的多彈簧,用于稀硫酸介質時就會出現這種情況。局部腐蝕,即腐蝕主要集中在金屬表面的某些區域,可以簡單地用零件上的蝕斑、蝕孔來加以判明。盡管此種腐蝕的腐蝕量不大,但是由于其局部腐蝕速度很快,可造成機械密封的嚴重破壞。局部腐蝕使零件表面層變得松軟多孔,易于脫落,失去耐磨硬度。究其原因,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斑點。
2不同類型腐蝕對密封元件的破壞
2.1應力腐蝕
應力腐蝕是金屬材料在承受應力狀態下且處于腐蝕介質環境中所產生的腐蝕現象,其腐蝕機理是陽極溶解,不論是在外部載荷或殘余應力作用下,腐蝕都會加劇。在泵用機械密封中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,再繼續產生局部腐蝕,最后在應力的作用下,腐蝕不斷向深處發展,從溝槽底部產生裂紋,同時不斷向深處發展,由于裂紋尖端處的應力很高,因此腐蝕裂紋擴展速度很快。例如典型的實例是內裝單端而單彈簧非平衡型機械密封,它靠傳動套傳動。傳動套的材料一般為1Cr18Ni9Ti,當用于洗滌水泵上時,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環,即可防止這種應力腐蝕的發生。
2.2腐蝕
機械密封件與流體介質間的高速運動,致使接觸面上發生細微的凹凸不平。當流體為腐蝕性介質時,將加快密封接觸表面的化學反應,這種反應的結果在接觸面形成一種致密的氧化層時,能抑制腐蝕的進程,這是有利的一面。如果所形成的氧化層被破壞,即出現腐蝕。磨損和腐蝕交替作用而造成機械密封材料的破壞即為磨蝕。通常情況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,雖然不致于迅速地反映出密封性能的變化,但卻是摩擦副失效的主要形態之一,尤其在密封端面,由于摩擦使腐蝕生成物被破壞,此種現象周期性循環所產生的磨蝕,其磨蝕速度約為無摩擦作用表面的腐蝕率的10~50倍。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,如采用高純氧化鋁陶瓷,聚四氟乙烯或不含游離硅的熱壓燒結碳化硅等。
2.3間隙腐蝕
當泵輸送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,由于介質長期滯留在縫隙內,會引起縫隙內金屬的腐蝕加速,這種腐蝕形態即為間隙腐蝕。間隙腐蝕是局部腐蝕的一種形式,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(當然此處還存在著微動磨損)出現的溝槽或蝕點即是典型的例子。其原因是由于縫內介質處于滯留狀態,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值等方面越來越和整體介質產生很大差異,使縫內金屬與縫外金屬構成短路原電池,其結果便導致縫內金屬表面發生強烈的局部腐蝕。間隙腐蝕對機械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,使密封端面分離而泄漏。對于間隙腐蝕,通常可以通過正常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,或者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,防止介質組分濃度的變化。對于長期停用的機泵,應將泵內積液及時排空等等。在結構上要完成消除間隙是不可能的,為減緩間隙腐蝕,一般采用保持性的軸套,在其密封圈安裝部位噴涂耐腐蝕材料等措施加以防止。
2.4電化學腐蝕
電化學腐蝕實質是金屬與電解質因發生電化學反應而產生的破壞。產生電化學腐蝕的必要條件是:陽極、陰極、電介質、電流回路,除去或改變其中任何一個條件即可阻止或減緩腐蝕的進行。實際上,機械密封的各種腐蝕形式,大都同電化學腐蝕有關。對于機械密封摩擦副來說,經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,由于材料本身固有的腐蝕電位不同,接觸時應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,而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、稀鹽酸、稀硫酸等都是典型的電解質溶液,密封件在這種的介質中極易于產生電化學腐蝕。電化學防腐最佳途徑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。
3提高泵用機械密封抗腐蝕措施
提高冶金工業泵用機械密封抗腐蝕性能,總體上是解決材料和結構兩大問題。因此,為了確保“安全、穩順、長期、滿意、優質”地生產,必須正確選擇密封材料及合理進行結構設計。
3.1正確與合理選擇材質
在材質選擇上,密封材料主要是根據被密封介質的性質、工況和用途來選擇的,密封材料凡是與輸送介質相接觸的零件,原則上要求比輸送該介質用泵的過流部件的材質提高一級。由于密封件尺寸比機泵其他零件小,而且加工、裝配更精密,通常要選用比機泵更耐腐蝕的材料。同時根據所輸送介質的類別合理選擇材質搭配。如摩擦副組對材料為硬對硬,能適應于各種結晶性強腐蝕流體;由耐腐蝕硬質合金組對,能適用于強堿鹽介質環境;選用氮化硅與碳化硅組對,則適用于強酸,尤其是有結晶的鹽酸介質環境。在選材時注意的是,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測得的腐蝕數據,而工藝中輸送的介質存在雜質或呈二次化合物。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事指數規律增加,因此還應綜合考慮冶金工業泵工作的工藝條件進行選材。
3.2結構優化設計
當輸送強腐蝕流體時,從結構上可設法與腐蝕介質接觸,可采用外裝式波紋管結構、彈簧不與介質接觸的內裝式密封、或雙端面密封結構和引入阻塞流體來保護,可以最大限度地減輕腐蝕對密封件的影響,因為它不直接接觸工藝流體介質或與介質相接觸的零件數最少,這也是在強腐蝕條件下,選擇密封結構所要遵循的一條最重要的原則。對于毒性高,腐蝕性強的介質,可以引入隔離液進行保持,隔離流體起到安全屏障的功能。
3.3金屬保護層
采用防護層的方法來防止機械密封金屬腐蝕是日前應用較多的一種方法,常用的保護層有金屬保護層、化學保護層、非金屬保護層三種。金屬保護層是用具有陰極或陽極保護作用的金屬或合金,通過電鍍、噴鍍、化學鍍、熱鍍和滲鍍等方法,在需要防護的密封金屬零件表面形成金屬保護層(膜)來隔離金屬與輸送介質的接觸,或利用電化學的保護作用使金屬得到保護,從而防止了腐蝕。
4結語
雖然冶金工業泵用機械密封腐蝕有其內在的規律性,但造成冶金工業泵用機械密封腐蝕的原因錯綜復雜。必須掌握各種輸送介質下密封件腐蝕的機理,認真分析該泵的工作環境,掌控其發生的外部條件,通過有針對性的選材和采用合理結構形式,加上其他保護措施,泵用機械密封腐蝕是可以得到有效抑制和緩解的。