关于机械密封可靠性的探讨

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)黑龙江省赵光农场 作者:薛德军

  运用统计概念探讨了机械密封可靠性的相关问题,对于机械密封寿命预测以及失效预防具有一定的参考意义。

1、引言

  流体密封技术对于大多数工业技术领域都有着重要意义,并一直是各方面专家所关注的问题,其中机械密封技术是最主要的动密封形式之一。机械密封的平均寿命为8~13 个月,某些情况下甚至可以达到3~5 年。然而,即使在实行严格质量保证的工业部门,如原子能工业,由于原因不明的“早期失效”和偶然性损坏事故仍时有发生。针对某一特定过程获得所期望的密封寿命的一般规律是十分困难的。

  研究密封的使用寿命,重要的是不仅要考虑泵(和密封)的一次性投资,还要考虑由于密封失效而带来的经济损失:产品损失;备用设备的投资;由于流体泄漏带来的对人、环境及设备(包括毗邻密封的轴承)的损害;更换密封所需的工时及部件,包括备件的库存等。据报道,密封的使用寿命极限可能相差很大,在化学腐蚀工况下仅为几天,而在烯烃应用中能有效运行20 年以上。

2、机械密封的可靠性

  除前述不同工况条件会使密封寿命有很大差异外,相同的密封在相同使用条件下的使用寿命也会显著不同。这与滚动轴承所做的试验相似,因此在讨论密封的可靠性时,应用统计概念比较恰当。

  以下两个统计值已用于机械密封:

  (1)L10 寿命

  当一个零件抽样数组中失效数目达到10%时的运转时间为L10 使用寿命,与用韦伯失效分析方法有紧密关系。

  (2)平均工作寿命(MTBF)

  平均工作时间定义为抽样依次失效的间隔时间的算术平均值: MTBF=(L1+L2+…+Ln)/n

  式中,L1、L2-单个密封的工作寿命。

  注意:数组是一个统计学概念,是指标定值相同的部件在相同运行条件下得到的数值。

  失效分析可用韦伯分析法,它可以用来确定失效时间分布。通过分析,韦伯系数β′的取值可按不同的失效时间分布类型选用下列值:早期寿命失效(早期失效)β′=0.5;中期失效(随机发生失效)β′=1.0,磨损失效β′>3.4。

  图1 是一组由29 个甲醇泵的抽样数据而得的机械密封失效韦伯曲线。其中,0.8 表示处于早期失效和中期随机失效的混合状态。这种典型的机械密封遵循早期失效和中期随机失效的模式,而不是磨损失效模式。L10 寿命可由韦伯曲线中直接得到,为46 天(1100h)。应注意,上述分析中包括仍在正常使用的密封的数据(如有些密封在工作5 年(40000h)后仍在正常使用)。

甲醇泵密封失效的韦伯曲线

图1 甲醇泵密封失效的韦伯曲线

  与流程泵内滚动轴承的最低预定寿命25000h 相比,L10寿命太短了。如此低的数值意味着寿命分布的范围太广,由此可见,MTBF 与L10 寿命相比在应用方面更具有统计意义。韦伯统计分析与MBTF 的实用性在于它们可以用来相互比较,尤其在改变了设计或运行条件,并且已经达到延长寿命的预期效果的情况下,以上两种分析方法更有使用价值。

  图2 是硝酸循环泵的密封失效韦伯曲线,这种泵的运行条件比较恶劣,应注意,尽管韦伯系数仅有很小的改变,在一些性能指标稍加改善后,其L10 寿命可由2.1d 提高到10.05d,提高约5 倍。

硝酸循环泵密封失效的韦伯曲线

图2 硝酸循环泵密封失效的韦伯曲线

3、结语

  在许多场合下,用户对准确预测寿命比对提高可靠性更感兴趣。但预测寿命与随机失效分布有矛盾,只有在排除早期失效和中期随机失效之后才有可能提高预测能力,目前的研究工作应集中在如何预防密封失效方面。

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