关于机械密封可靠性的探讨

　　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)。

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。

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。