各类电池的电极反应、优缺点、自放电、解决方法及密封措施

第一篇：各类电池的电极反应、优缺点、自放电、解决方法及密封措施

1、化学电源的分类（1）按工作性质分: 1.原电池，又称一次电池:例如:Zn一MnO2，Zn一HgO，Zn一AgO，锂电池等。2.蓄电池，又称二次电池:例如:Pb一PbO2，Cd—NiOOH等。3.贮备电池，又称激活式电池:Mg—ClAg，Zn—AgO。4.燃料电池，又称连续电池:H2-O2燃料电池。（2）按电解质的性质分: 1.电解质为碱性水溶液一碱性电池(例:Cd—NiOOH)2.电解质为中性水溶液一中性电池(例:Zn一MnO2)3.电解质为酸性水溶液一酸性电池(例:铅酸电池)4.电解质为有机电解质溶液一有机电解质电池(例:锂离子电池)5.电解质为固体电解质一固体电解质电池(例:锂碘电池)（3）按正负极活性物质的材料分: Zn一MnO2系列电池、Zn一AgO系列电池、Cd—NiOOH电池、铅酸电池、氢镍电池、锂离子电池、海水电池、溴一锌蓄电池等等。（4）活性物质的保存方式分: 1.活性物质保存在电极上:通常的一次、二次电池。2.活性物质从外边连续供给电极:燃料电池。

2、电池自放电

（1）发生自放电的原因: 从热力学上看，产生自放电的根本原因是由于电极活性物质在电解液中不稳定引起的。因大多数的负极活性物质是活泼的金属，它在水溶液中的还原电位比氧负极要负，因而会形成金属的自溶解和氢析出的共扼反应，使负极活性物质不断被消耗。正极活性物质同样也会与电解液或电极中的杂质发生作用被还原而产生自放电。

其他原因:1.正负极之间的微短路或正极活性物质溶解转移到负极上必须采用良好的隔膜来解决。2.电池密封不严，进入水分、空气等物质造成自放电。（2）克服自放电的方法:采用高纯的原材料、在负极材料中加入氢过电位高的金属(Hg，Cd，Pb)、在电极或溶液中加入缓蚀剂来抑制氢的析出。锌—二氧化锰电池

一、锌负极的自放电: 锌电极产生自放电的原因：

1.氢离子的阴极还原所引起的锌的自放电（主因）2.氧的阴极还原所引起的锌电极的自放电3.电解液中的杂质所引起的锌电极的自放电 影响锌电极自放电的因素

1.锌的纯度及表面均匀性的影响。2.溶液pH 值的影响。3.电液中NH4Cl、ZnCl2浓度的影响。4.温度的影响。

二、降低锌负极自放电的措施：

1.加添加剂，在金属锌中加入添加剂、在电解液中加入缓蚀剂。2.保证原材料的质量达到要求。3.对电解液进行净化。4.贮存电池的温度低于25℃。5.电池要严格密均。

Cd/Ni00H电池

因为负极镉在电解液中的平衡电极电势比氢的正，不易构成自发腐蚀电池，而且氢在镉上的析出过电位很大，所以镉镍电池自放电小。氢镍电池

一、影响镍氢电池自放电的因素:(1)成分自分解(构成正极的氢氧化镍的热、动力学不稳定性),正极成分分解产生的氧可能到达负极,造成正负极活性物质的损失,相应的容量也会降低。(2)储氢合金负极上产生的氢到达正极,与正极反应造成活性物质损失,相应的容量降低。(3)由于正极上杂质氮化物的存在,引起亚硝酸盐和氨之间的氧化还原穿梭反应的进行,使得正极退化,容量降低。(4)负极表面由于氧化造成的负极退化,从而负极容量损失(5)镍氢电池内压的形成和电解液泄漏。

二、降低氢镍电池自放电的措施：

1、改变电极组分和合金成分的作用;

2、采用正极添加材料，添加Co、Mn类化合物等。

3、对隔膜进行改性，使用具有OH-交换功能的聚合物薄膜改善电池的自放电和循环寿命性能。

4、存放环境应干净整洁,以防灰尘中含有导体物质而使电自放电加快。

5、电池应带电储存，其储存温度以20±5℃为宜。铅酸蓄电池的自放电

一、负极产生的自放电

由于负极活性物质铅为活泼的金属粉末电极，在硫酸溶液中，电极电位比氢负，可以发生置换氢气的反应。影响铅自溶速度有以下几方面：（1）铅自溶速度随硫酸浓度及电解液温度的增加而增长。（2）负极表面杂质的影响，负极表面有各种金属杂质存在，当杂质的氢超电势值低时，就能与负极活性物质形成腐蚀微电池，从而加速了铅的自溶速度。例如锑、铁、银等金属存在时。（3）正极PbO2反应析出的氧气很容易在负极被还原吸收，从而促使负极铅自溶。（4）隔板、电解液中含有的金属杂质与负极活性物质产生的微电池促使负极铅自溶。

二、正极产生的自放电

（1）正极板栅中金属锑、金属铅及金属银等的氧化。（2）极板孔隙深处和极板外表面硫酸浓度之差所产生的浓差电池引起自放电，这种自放电随着充电后的搁置时间而逐渐减小。3）负极产生氢气的影响4）隔板电解液中杂质影响，若在隔板或电解液中存在易被氧化的杂质，会引起正极活性物质的还原而产生自放电。（5）正极活性物质中铁离子的影响。锂离子电池自放电

自放电的原因： 1.造成可逆容量损失的原因：可逆容量损失的原因是发生了可逆放电反应，原理跟电池正常放电反应一致。不同点是正常放电电子路径为外电路、反应速度很快；自放电的电子路径是电解液、反应速度很慢。

2.造成不可逆容量损失的原因：A:正极与电解液发生的不可逆反应（相对主要发生于锰酸锂、镍酸锂这两种易发生结构缺陷的材料）。B:负极材料与电解液发生的不可逆反应（化成时形成的SEI膜就是为了保护负极不受电解液的腐蚀。）C:电解液自身所带杂质引起的不可逆反应，消耗了电解液中的锂离子，进而损失了电池容量。D:制成时杂质造成的微短路所引起的不可逆反应。空气中的粉尘或者制成时极片、隔膜沾上的金属粉末都会造成内部微短路。

如何实现电池的密封？

实现电池密封必须解决三个问题:

1、负极在电解液中稳定，不会自动溶解而析出氢气;负极物质过量，使正极在充电完全而产生氧气时，负极上仍有未充电的活性物质存在，保证负极上不会由于过充电而析生氢气；正极上产生的氧气易于在负极上还原即负极活性物质可以吸收正极上生成的氧气。

2、有一定的气室，便于氧气迁移。

3、采用合适的隔膜，便于氧气通过，促进氧气快速向负极扩散。Cd/Ni00H电池的密封措施：

1、负极的容量大于正极容量，当正极发生过充电时，负极上还有过量的Cd(OH)2仍可进行还原，因而不会发生析氢过程。而正极充电和过充时产生的O2可以与负极还原成的Cd发生反应而消除，构成镉氧循环。

2、控制电解液用量。

3、采用多孔薄型镍电极和福电极，极间距减小，有利于氧气向负极扩散以及氧气的吸收。

4、采用微孔隔膜。5.在氧化镍电极中加入反极物质Cd(OH)2。一旦电池过放电时，正极中的Cd(OH)2(反极物质)可进行阴极还原，因此防止了正极上析氢。若负极也过放产生氧气则又可被正极中反极物质生成的镉所吸收，构成镉氧循环。

6、使用密封安全阀

7、正确使用和维护电池，严格控制电池的充放电制度和对工作温度的控制。

铅酸蓄电池密封措施：

铅酸蓄电池采用负极活性物质过量设计，正极在充电后期产生的氧气扩散到负极，与负极海绵状铅发生反应变成水，使负极处于去极化状态或充电不足状态，达不到析氢过电位，所以负极不会由于充电而析出氢气，电池失水量很小，故使用期间不需加酸加水维护。氧循环如下： 正极：PbSO4+H2O——PbO2+O2-----扩散 负极:

PbSO4----------Pb

O2

H2O---------H2SO4+PbO 负极起着双重作用，即在充电末期或过充电时，一方面极板中的海绵状铅与正极产生的O2反应而被氧化成PbO，另一方面是极板中的硫酸铅又要 接受外电路传输来的电子进行还原反应，由硫酸铅反应成海绵状铅。金属氢化物镍电池密封措施：

电池设计和镉镍电池基本相同，负极容量比正极容量大，过充电时，正极产生的氧气在贮氢合金负极上还原，过放电时，在镍电极析出的氢气则可被氢化物电极吸收，电池可实现密封设计。

过充电时：正极：4OH------2H2O+O2+4e氧循环 负极：2H2O+O2+4e-----4OH-过放电时：正极：2H2O+2e----2OH-+H2氢循环 负极：2OH-+H2----2H2O+2e

如何提高活性物质的利用率？

影响活性物质的利用率主要有以下几点：⑴活性物质的活性，活性大小与其晶型结构、制造方法、含杂多少以及表面的状态有密切的关系，活性高的其利用率也高。有时活性物质吸附一些有害杂质也会使活性降低，造成电池容量下降。⑵电极和电池的结构，电极的结构包括电极的成型方法、极片的孔径、孔率、厚度，极片的真实表面积的大小等。在活性物质相同的条件下，极片越薄，其活性物质的利用率越高；电极的孔径大一些孔率高一些，有利于电解液的扩散，但是孔径过大、孔率过高，电子导电的电阻增大，因此孔径和孔率要适当，利用率才会较高；极片的真实表面积越大，活性物质的利用率也越高。⑶电解液的数量、浓度和纯度。电解液的浓度要保证其有较高的导电率；电解液的纯度越高，活性物质的利用率也越高。另外，影响活性物质利用率的外在因素则是放电制度，I放越大，利用率越小；T放越高，利用率越大；V终越高，利用率越小。

电极反应

碱性锌—二氧化锰电池

正极：2MnO2+2H2O+2e-----2MnOOH+2OH-负极：Zn+2OH--2e----Zn(OH)2==ZnO+H2O 总反应：Zn+2MnO2+2H2O---2MnOOH+Zn(OH)2 铅酸蓄电池

正极：PbO2+3H++HSO4-+2e----PbSO4+2H2O 负极：Pb---Pb2++2e Pb2++HSO4-----PbSO4+H+ 总反应：Pb+PbO2+2H2SO4-----2PbSO4+2H2O Cd/Ni00H电池

负极：Cd+2OH-----Cd(OH)2+2e

正极：2NiOOH+2H2O+2e----2Ni(OH)2+2OH-

总反应：Cd+2NiOOH+2H2O----2Ni(OH)2+Cd(OH)2 高压镍氢电池

负极：1/2H2+OH------H2O+e

正极：NiOOH+H2O+e----Ni(OH)2+OH-总反应：NiOOH+1/2H2-----Ni(OH)2 低压镍氢电池（金属氢化物镍电池）负极：MH+OH------M+H2O+e

正极：NiOOH+H2O+e------Ni(OH)2+OH-总反应：NiOOH+MH-----Ni(OH)2+M 锌---氧化银电池

Zn+2AgO+H2O-----Zn(OH)2+Ag2O Zn+Ag2O+H2O----Zn(OH)2+2Ag 锂离子电池

正极：LiCoO2----Li1-xCoO2+xLi++xe 负极：6C+xLi++xe-----LixC6

总反应：6C+LiCoO2-----LixC6+Li1-xCoO 碱性锌锰电池特点 1.放电性能好:容量高，可大电流连放，放电曲线平稳。2.低温性能好:可以在-40℃的温度下工作。性能：

1、碱锰电池的开路电压约为1.55v，工作电压约为1.25v。

2、电池内阻小，在快速放电时能提供足够的容量，而且在低温(一20℃)下，其放电容量相当于干电池室温下的数量。

3、放电曲线相当平坦，放电到终止电压(0.9v)时，放电量明显高于其他锌锰电池。铅酸蓄电池的优缺点

优点:1.原料易得，价格相对低廉;2.高倍率放电性能良好;3.温度性能良好，可在-40~+60℃的环境下工作4.适合于浮充电使用，使用寿命长，无记忆效应;5.废旧电池容易回收，有利于保护环境。缺点:1.比能量低，一般为30一40Wh/kg;2.使用寿命不及Cd/Ni电池3制造过程容易污染环境，必须配备三废处理设备。Cd/Ni00H电池的优缺点

优点:使用寿命长，蓄电池自放电小，使用温度范围广，耐过充过放，放电电压平稳，机械性能好。缺点:活性物质利用率低，成本较高，负极镉有毒，电池长期浅充放循环时有记忆效应。高压氢镍电池

优点:较高的比能量，循环寿命长，耐过充、过放，能力强，以及可.以通过氢压来指示电池荷电状态。

缺点:成本高，密封难，自放电大，安全性低.低压氢镍电池(金属氢化物镍电池)

1、耐过充过放能力强

2、容量和比能量提高1.5一2倍;电池寿命相当.3、自放电较大，环境污染小，无记忆效应。锌一氧化银电池

优点:(1具有很高的比能量(2)很高的放电速率(3)平稳的放电电压(4)较小的自放电速率.缺点:(1)成本很高(2)寿命较短(3)高低温性能较差 锂电池

优点:①比能量高，放电电压高(3.0v}②工作电压平稳③使用温度范围宽(-40℃一+50℃)④体积小、重量轻⑤湿储存寿命长⑥资源丰富，性价比高

缺点:①安全性·某些锂非水溶液电池，如Li/SO2等电池，在重负荷放电，特别是当外部短路时会发生爆炸。②成本高。锂电池在制作过程中要避免与水接触。所用有机溶剂和无机盐均需彻底除去水份，这就提高了成本，另外，有些正极活性物质的成本也较高。③比功率低。有些锂电池(如有机电解液的锂电池)由于有机电解液的比电导较小，放电电流密度提不高，故其比功率较低。锂离子电池

优点：

1、工作电压高。通常单体锂离子电池的电压为3.6V，为镉镍和镍氢电池的3倍。

2、体积小、重量轻、比能量高。利于便携式电子设备小型轻量化。

3、安全快速充电。采用1C充电速率，可在2h内充足电，且安全性能大大提高。

4、寿命长。

5、工作温度范围宽。可在-20℃~60℃之间工作，高温放电性能优于其它各类电池。此外，锂离子电池还具有自放电小、无记忆效应、无污染等优点。缺点:

1、内电阻高。电解液为有机溶液，其电导率比镉镍、镍氢电池电解液小得多，内电阻约大10倍。

2、工作电压变化较大。

3、放电速率较大时，容量下降较大。

第二篇：离心泵填料密封失效原因及改进措施

离心泵填料密封失效原因及改进措施

[摘 要]近几年来机械产业在不断发展，为我国的经济增长作出了巨大的贡献。在机械产业中有一种常见的设备名为离心泵。因其在油道运输的过程中起着非常重要的作用，一旦出现填料密封失效将会造成严重的影响。为此，本文就离心泵填料密封的问题分析其失效原因并提出改进措施。

[关键词] 离心泵 填料密封 失效原因 改进措施

中图分类号：TH311 文献标识码：TH 文章编号：1009―914X（2013）25―0388―01

离心泵具有耐久、密封的特点，因其性能优异在机械工业中颇受重视。离心泵的填料密封失效这一问题其实是很常见的，企业只需深入了解离心泵的工作原理，分析清楚失效原因，就能运用针对性的措施进行改进。

一、离心泵的填料密封结构

在输油时阻隔油料从泵壳和泵轴之间泄漏出来是离心泵的主要作用，其轴封一般在旋转的泵轴与泵体之间进行密封。为了阻止泵体里有外部气体进入，轴封通常都是采用接触式密封。接触式密封有多种类型，大致分为端面式密封和填料式密封，其中填料密封是本文重点讲解的对象。为了保证离心泵能安全运作，根据不同环境填料密封分为了三个种类：膨胀石墨填料密封，碗式填料密封和软填料密封。填料式密封的工作原理就是在壳体与轴之间充当密封材料，因其具有一定的弹性能使填料在受到轴向力压紧后能贴在轴的表面上，所以就能有效阻止油料外泄，使密封空间与外界隔绝。下面针对不同种类的填料密封进行结构和特点分析。

（一）膨胀石墨填料密封

由于其消耗功率比一般填料密封低，所以能适用于密封压力不大于3.5MPa，工作温度为380摄氏度的环境下。油泵膨胀石墨填料与其他填料密封种类相比较要好得多，其耐热性、耐磨性、密封性、柔软性、弹性都很优秀，是不错的密封材料。

（二）碗式填料密封

碗式填料密封由于结构能简单制作，成本底下，且密封性不会太差，是一种比软填料密封好的密封材料。对泵轴的磨损小，能适用于旋转密封压强为5MPa，线速度不大于为3米每秒的场合。

（三）软填料密封

一般用于普通油料的或油料温度不高于250摄氏度的油泵密封。因密封软填料材质上与其他类型有所不同，密封腔内的油压不能大于3.5MPa，导致其消耗功率比其他材质的要大。且因其密封结构过于简单，紧力不足，线速度只能达到每秒20米的状态，所以靠近压盖处的填料会因为磨损过快而失去作用。相对于面端式密封的基本结构，填料式密封中一般由螺母、封油环、长扣双头螺栓、填料压盖和填料套构成。为了使填料密封的油料渗漏量控制在每秒六滴的范围之内，在填料式密封正常工作中，可以通过压紧填料的方式，减少泵轴处泄漏液体。需要注意在压紧填料的过程中不能用力过大，否则会造成轴和填料之间磨擦过多导致内部发热，降低泵的工作效率。就现阶段而言，填料密封还存在着一些缺点，如使用时间不能太长，日常维护频繁，密封效果还有待提高。

二、填料密封失效原因

（一）油封结构不合理

离心泵的填料密封结构在设计上就存在先天性的缺陷和隐患，主要是因为在油泵的轴向密封期间存在不合理性。首先泵的高压地方是油封最基本工作介质，其他地方渗入填料函的油压比它还要低，由于圈数少，只有5-7圈的填料相隔着，所以填料函上边的油封孔和填料压盖的距离比较近，导致容易引发高压密封油外泄。其次在补充添加填料在添加补充期间很容易会出现将油封环压入填料函内部的情况。此时密封的油无法扩散，导致油封孔外侧的填料压力上升，密封难度加大，油封环与泵盖上的油封孔错位，最终失去密封作用。同时，填料环安装在填料函的中央，填料环上的孔应与冲洗油孔相吻合，这就增大了更换填料的难度和工作量。

（二）侧向压力分布不均匀

填料的耗损过快，密封性能下降是侧向压力分布不均匀所造成的后果。在工作人员对填料压盖施加压力时，会导致出现反方向的弯曲、不规则扭转、断口等现象。这是因为在轴套和密封填料之间的侧向压力和密封间隙内的压力是会沿轴向分布的，这样很容易造成密封失败，使被密封的油料压力大于侧向压力。当出现这种情况的时候，如果填料再接近填料压盖，就会导致里面的轴套与填料之间阻力升高，产生出大量的热气，使填料硬度增强并开始变得脆弱起来，失去了原有的弹性，最终填料的磨损大大提升，泵轴机械性能下降。再这样继续下去，填料的密封效果将会越来越差，填料压盖的压力被再次加大，导致压盖处的工作状况恶化，如此循环下去，使得密封完全丧失其应有的稳定性。

（三）填料压盖压力失衡

填料函的中间一般有填料环，其中大概有五至十根的盘根。在一般使用过程中，由于没有压力显示扳手的辅助，通过人工控制螺旋的松紧程度是很难控制压力的。且人的力度难以掌握，在用力过大的情况下将会导致密封填料破损，使填料的侧向压力沿轴的分布不均匀，稳定性与可靠性大大下降。而用力过少却会造成密封度不足，导致油料泄露。在这种情况下可以先通过拧紧压盖两侧的螺栓产生预导压力来压实填料。

（四）密封的适应性差

泵轴主要受变应力的影响，过于巨大的变应力会对其造成损坏。严格来讲，普通填料不能有径向偏心量较大的旋转轴，由于存在着外界因素的影响，在不利条件的干扰下会导致旋转轴的偏心量超过一定的数值，这将会使轴套与填料之间产生间隙，大大增加泄漏的几率。因此为了安全起见，必须将径向偏心量规定在小于0.05毫米的范围内。

三、加强填料密封的措施

（一）减轻腐蚀引起的密封失效

在平时的离心泵定期保养工作中应做好检查，替换超过保养期限的密封件，对其他需要保养的零件进行清洗，涂上高纯度耐腐蚀的透平油能更有效地减轻腐蚀引起的密封失效。

（二）消除泵抽空和汽蚀

一方面，因为输送介质的温度有一个规定范围，工作人员必须对其进行控制，使温度保持在80摄氏度以下。其中还必须确保相连旁接介质罐体的液位要一直处于正常状态，不能高过安全标准。控制好离心泵进口的压力，尽量确保压力保持在0.2-0.4MPa之间；另一方面，为确保工作环境处于一个安全的状态，必须增加工作人数，加强员工的工作细心度。员工要认真学习好工作岗位的相关技能，在培训课程中要求员工把离心泵的操作规程牢记于心。最后还需要各单位做好沟通，在清管器到站之前将输管线清关期间与调度室的关系协调好，提前停止泵的运行。这样就能有效防止在离心泵开启之前出现入口阀没有开启，泵体没有放空和盘泵的状况出现。只要使填料密封在摩擦期间有润滑介质就能有效防止低级错误的发生。

（三）选择合适的材质消除摩擦 为了增强填料密封的寿命，采用的零件必须要耐磨耐腐蚀、摩擦系数小、端面比压小。耐磨性的材料可以使用碳化硅、氮化硅陶、堆焊硬质合金这类型的材质。改进零件的材质，可以更有效地提升工作寿命，降低磨耗。其中为了提高通过选材的改进，更有效地降低磨损，可以选择高速钢—碳化硅这种常见材料，因其拥有密封效率高的特性，对填料密封有着不错的效果。

（四）对密封圈的更换

由于填料密封过量工作，会造成密封圈的密封效果失去作用的情况出现。这时候一定要快速对密封圈进行更换，特别是在泵的二保规定期限到达以后，对密封圈的检查和替换更加频繁，为了防止密封圈的失效所带来的影响，使用有质量保证的密封圈也是必要手段。

参考文献

[1] 孙秀丽.离心泵机械密封泄漏原因分析及处理方法[J].化学工程师2008（03）

[2] 农琪.高温介质离心泵机械密封失效主要原因与对策[J].广西轻工业，2010（12）

[3] 高武民.机械密封的失效原因分析及实际应用[J].石油化工设备技术，2002（2）

[4] 郭海峰，张玉梅.离心泵机械密封失效原因分析及消除措施[J].化学工业，2010（01）

第三篇：多级离心泵机械密封失效分析及改进措施

多级离心泵机械密封失效分析及改进措施

一、前言

某泵厂生产的多级泵系列原轴封都是采用填料密封，现针对用户需求将轴封改造为机械密封形式，收到了令人满意的效果；但也暴露出一些存在的问题，最为突出的是油田输油用多级离心泵。油田使用的多级输油泵系卧式单吸多级分段式离心泵，泵定子主要由吸入段、吐出段、中段、导叶、尾盖及轴承体等零部件组成；泵转子主要由装在轴上的数个叶轮、平衡盘平衡机构等组成，支承转子的轴承是两只单列圆柱滚子轴承。

泵轴封的传统形式是采用软填料密封；现轴封改进后采用MC1型的橡胶波纹管式机械密封（结构如图1）

MC1型为内装式、单端面、大弹簧和非平衡型波纹管式机械密封；动、静环均采用（YG6）硬质合金、辅助密封橡胶均采用氟橡胶，结构件均采用不锈钢材料；该型机械密封具有多种功能：如推动动环，既是次级密封件又作为动环的驱动件，完全消除了补偿带来的泄漏缺陷；动环通过*环和弹簧传动，不用黏结。但橡胶波纹管不能承受扭应力。

二、存在的问题

该系列多级泵轴封改进设计成机械密封后，短时间内效果还是比较不错的；但随着时间的推移，机械密封陆续暴露出问题，即寿命很短，有的连续工作仅1个多月就出现泄漏，平均寿命仅有3-4个月；没有达到正常的设计寿命（8000-10000h）。

对泄漏的泵机械密封解体检查，均发现橡胶波纹管和静环橡胶*垫遭到严重的破坏，主要表现为橡胶溶涨、撕裂、扭断及“啃咬现象”，弹簧扭挠等；造成动环偏斜、压死及卡涩，致使动环轴向自由补偿功能丧失，导致传动形式失效。

在频繁更换机械密封的同时，给泵轴、轴承等主要零部件带来了不同程度的损害，致使泵整机寿命降低。

三、问题分析

造成橡胶波纹管及*形橡胶垫溶涨、撕裂、扭断及“啃咬现象”，弹簧扭挠等问题的主要原因是由于多级泵转子为达到动态平衡轴向力而不断调整平衡盘位置（起动、调整工况时尤为突出），从而使弹簧产生过度压合，弹簧传动的转矩太大，即动、静环摩擦面之间的摩擦耗功太大，产生的摩擦热使密封腔处温度过高，加速了介质对橡胶件的化学腐蚀和老化；同时传动件（弹簧）不足以克服这种较大的转矩和摩擦力，以及泵起、停时的冲击，造成橡胶件、弹簧、轴套相互磨损；周而复始，最终导致密封失效。因此，多级泵轴向窜动是影响机械密封寿命的重要因数之一。

四、改进措施

（1）改进多级泵轴向力平衡的装置采用特殊的平衡盘和平衡鼓联合结构（如图2），这种结构可以减小平衡盘径向尺寸，不易产生磨损。

（2）改进泵转子部件的支承轴承由原两端各一短圆柱滚子轴承改为吸入段处轴承不变，后段（吐出段）改为双列角接触球轴承，承受残余的轴向力和起、停泵的冲击。

改进后的轴承配置如图3所示。

（3）平衡盘轴向最佳间隙由于轴承配置的改变消除了泵转子的轴向窜动，因此平衡盘的位置也就相对固定了，即平衡盘的轴向间隙为定值，而轴向间隙的合理与否是影响平衡装置平衡功能的重要因数之一，是改进设计关键所在；通过动态分析平衡盘变化过程，即：轴向力增大!平衡盘左移、轴向间隙减小!平衡力增大!轴向力与平衡力平衡。轴向力减小!平衡盘右移、轴向间隙增大!平衡力减小!轴向力与平衡力平衡。由此可见平衡盘装置平衡轴向力过程是一个动态过程，是通过轴向间隙的变化改变平衡力来适应轴向力的变化的。要减小转子的轴向位移，就要使平衡力单位值变化时，轴向间隙的变化量最小。设为最小轴向间隙）时，值为最大，此时平衡力变化单位值时，轴向间隙的变化量为最小。该平衡盘轴向最佳间隙的设计理论，使水泵的轴向力变化时，转子轴向位移最小，并用以确定平衡盘所处的最佳位置；既保证平衡装置有最佳的平衡轴向力的效果，又保证双列角接触球轴承承受较小的残余轴向力；从而提高了水泵工作的可靠性和使用寿命。

（4）由于支承转子的（吸入端）短圆柱滚子轴承没有改变其受力状态，因此设计中主要针对双列角接触球轴承额定寿命进行校核，一般泵用轴承额定寿命。轴承润滑脂用锂基润滑脂。

第四篇：半刚性材料优缺点及改进措施

浅议半刚性路面的优缺点

道桥1201班 U201215553 唐建一

摘 要

半刚性基层具有承载能力强，耐久性好，稳定性高等优点，同时也存在排水能力差，容易使路面产生剥落，松散，坑槽，泛油，车辙等病害。

概述

半刚性基层是用水泥,石灰等无机结合料处治的土或碎砾石及含有水硬性结合料的工业废渣修筑的基层,在前期具有柔性路面的力学性质,后期的强度和刚度均有较大幅度的增长,但是最终的强度和刚度仍远小于水泥混凝,由于这种材料的刚性处于柔件路面与刚性路面之间,因此把这种基层和铺筑在它上面的沥青面层统称为半刚性路面，这种基层称为半刚性基层.半刚性基层类型

半刚性基层按材料可划分为三种类型即水泥稳定类基层,石灰稳定类基层及综合稳定类基层

水泥稳定类基层

水泥稳定类基层主要指在粉碎的土中加入一定数量的水泥和水并按照一定的施工工艺施工形成的具有一定抗压强度的结构层

石灰稳定类基层

石灰稳定类基层主要指在粉碎的土中加入一定数量的石灰和水并按照一定的施工工艺施工形成的具有一定抗压强度的结构层

综合稳定类基层

综合稳定类基层主要指采用水泥石灰工业废渣等无机结合料中的两种或更多种结合料与土,水按照一定比例规范施工并具有一定抗压强度的结构 半刚性基层路面的特点 优点

(1)具有较高的强度和承载能力,后期强度高且具有随龄期不断增长的特性

(2)刚度大, 半刚性基层抗压回弹模量值可高达1800MPa致使沥青面层弯拉应力相应减小,从而提高沥青面层抵抗行车疲劳破坏的能力.(3)稳定性好, 半刚性基层材料具有较高的水稳性和冰冻稳定性,因此在水以及多次冻融下不影响半刚性材料基层的承载能力.缺点

近年来,随着我国高等级公路的迅猛发展,半刚性基层的强度刚度愈来愈大,但路面损坏的速度也愈来愈快,其主要表现如下：

抗缩裂性能差

半刚性基层是以水泥,石灰,粉煤灰等为结合料将松散砂石胶结为整体,铺筑而成的基层,虽然板体性强,具有很高的承载能力,但其性脆,抗缩裂性能差

排水性能差

在半刚性基层材料中,胶结材料通常都是细粉状的,碾压成型后具有很好的整体性, 其内部非常致密, 无法形成嵌挤型结构,因此,基本上不透水或渗水性很差, 当外界环境水通过各种途径进入路面并达到基层后,水不能从半刚性基层中迅速排走,而只能沿着沥青层和基层的界面扩散积聚, 这种界面水分的存在不仅改变了,界面连续的边界条件,使路面的受力状态极为不利,而且水对半刚性基层的长期浸泡,会很快破坏半刚性基层的整体结构,使基层底

基层及路基的稳定性也随之恶化,在干湿交替水分冻融循环及重复荷载的作用下,半刚性基层材料的强度模量和整体承载能力将会显著下降.自愈能力差

半刚性材料是一种脆硬性的材料,特别是在重载交通条件下,半刚性路面对重轴载的作用非常敏感, 若将重载车换算成标准轴载车,对于柔性基层通常是按 4次方换算, 而对半刚性基层则是 8-12次方的关系,轴载愈重,对半刚性基层的危害也愈大,而且一旦破坏后,其自身没有愈合能力,也无法通过沥青表面维修得到补救,只能挖掉重新修建,因此,路面的维修养护成本很大.改进措施

（1）力学分析表明,为使路面结构具有良好的力学性能,合理的半刚性材料厚度显得尤为重要。在半刚性基层上方铺筑沥青碎石层或级配碎石层可很大程度上改善路面的力学性能,考虑施工厚度要求,半刚性底基层厚度为ZOCm较为适宜。重载敏感性分析表明,沥一青稳定碎石基层沥青路面的重载适应性较强,适合于现阶段我国高等级公路上重载较多的情况。

（2）由于裂缝的存在,原有结构的力学性能发生改变,并且导致结构层内的应力重新分布。路面开裂且模量未衰减时,为避免进一步的破坏,当荷载不超过15OKN时,基层厚度宜在3Ocm以上;当荷载为150一ZOOKN时,基层厚度宜在35cm以上。路面开裂并导致模量衰减时,即使基层开裂严重,较厚的基层仍可以使路面结构保持良好的承载能力,减小基层裂缝向上反射的可能性。

（3）对于多雨环境下的半刚性基层沥青路面,设置水泥稳定碎石排水基层有利于使沥青下面层和排水基层成为连续体系,延缓沥青路面出现水损坏,延长沥青路面的使用寿命。

结束语

半刚性面层材料作为一种新型的复合材料, 国内外对它的研究应用尚处于起步阶段,研究成果也相对较少,但从目前的研究成果可以看出它具有满足理想半刚性面层技术要求的可能性 和成为理想半刚性面层的前景,与半刚性基层较为匹配,符合刚性路面柔性化,柔性路面刚性化的发展趋势,可以从整体上形成真正意义的半刚性路面,是新型路面结构的发展方向, 因此,半刚性面层材料研究工作的开展对开发使用性能介于传统的柔性面层和刚性面层之间的半刚性面层,为最终实现由半刚性基层与半刚性面层组合成的真正意义上的半刚性路面具有重大的理论意义和实用价值.参考文献

川中华人民共和国行业标准.公路沥青路面设计规范(JTGDSO一2006).北京:人民交通出版 社.2006.12 [2]沙庆林.高等级公路半刚性基层沥青路面.「3〕高英,曹荣吉.超重交通荷载下沥青路面的应力分析「J〕.公路交通科技,2001,(6):36一40.〔4」黄学文.半刚性基层沥青路面病害的原因与防治[J」.合肥工业大学学报(自然科学 版),2000,(5):729一734.

第五篇：超高压压缩机填料密封失效分析及改进措施

超高压压缩机填料密封失效分析及改进措施

概述：

茂名石化公司化工分部1＃高压聚乙烯装置C－4202二次压缩机是1＃高压装置的核心关键设备，是由意大利新比隆公司（NUOVO PIGNONE）设计制造。机组型号：8PK/2，设计压力269Mpa，属于超高压压缩机。机组由四个一段缸和四个二段缸组成，共八个气缸。分两段压缩，采用对置式结构。主要参数表1：

表1 机组主要参数

参数 设计值

介质 乙烯 排气量 kg/n 57659 电机功率 KW 10200 转速 r/min 214 一段入口温度 ℃ 40.6 一段出口温度 ℃ 99 二段入口温度 ℃ 38.9 二段出口温度 ℃ 78 一段吸气压力 MPa 24.24 一段排气压力 MPa 120 二段吸气压力 MPa 110 二段排气压力 MPa 250 该机组1996年8月投产，投产初期，二级气缸填料盘经常出现环向开裂，导致填料密封失效，后经专家系统和全面的分析研究并在实际中实践,填料盘开裂现象得到扼制.但由于填料盘磨损快,密封失效也经常发生,据统计2000到2004年因机组密封失效停车抢修次数就达到50次,平均每年达10次之多,给装置安、稳、长、满、优生产带来很大的影响。

1机组气缸的基本结构和填料密封结构及密封原理

1.1机组气缸的基本结构

如图－1所示(以二段为例)，由气缸座、气缸外套、气缸、填料函、气缸头、组合阀、气阀压盖等到组成.填料盘与气缸，气缸与吸排气组合阀之间的密封全

0 部采用金属与金属直接接触密封，其密封面为平面，表面采用特殊研磨处理，确保密封可靠，其压紧力由六条螺栓经液压拉伸紧固。

图1 机组气缸的基本结构

1.2 密封结构

如图2所示，从低压侧到高压侧中由0－8号盘共9个填料盘组成，其中8号盘内装节流环，7号盘内装导向环，6号—1号盘内装为三瓣直口密封环和三瓣斜口密封环。节流环、导向环、三瓣直口密封环、三瓣斜口密封环，均为耐热、耐压、耐磨的铜合金制成。1—6号盘中低压则为三瓣斜口填料环，高压侧为三瓣直口填料环。为使各切口相互错开一定的角度，两环之间通过定位销确定各自的位置。同时由于填料环是铜合金与柱塞之间有往复运动，需加注润滑油进行润滑，所以填料盘开有润滑油孔,注入润滑油润滑。为带走填料环和柱塞往复运动而产生的摩擦热，在填料盘的外部还设置了冷却系统进行冷却，避免填料环柱塞的温度升高。

图2 密封结构 1.3 密封原理

在每个密封单元中两填料环都是由弹簧提供径向压力而对柱塞表面产生预紧，填料环与填料函室间充满密封气体，形成第一密封面。在此条件下被密封的气体因不能通过柱塞与填料环的间隙，便进入填料环与环槽即填料函之间的侧隙，并充满背隙空间。侧隙内气体压力使填料环与下一道填料函的密封端面压紧，形成第二密封面，如图3所示。同时背隙中的气体压力作用于填料环的背面，又加强了第一密封面密封效果。第一密封面是填料环起密封作用的关键。如果第一密封面被破坏，填料环与柱塞之间出现间隙，气体就会直接从间隙处流出，那么环背压力就建立不起来，此时，填料环虽然仍然与填料函的端面接触，但此密封面不能起到密封作用。第一密封面是以填料环的弹性元件提供的弹簧力为基础建立的，该力与环背气体压力相比很小，后者是帮助前者加强密封的。如果弹簧的紧力消失，那么填料环与柱塞间就会出现间隙，气体可直接从该处短路泄出，环背压不能建立，此时密封失效。

图3 密封原理

填料环在理想的工作状态下，即第一密封面与第二密封面均密封良好，这时漏气的通道就只能是环的开口间隙处。气体首先从气缸流经柱塞和填料环的间隙，通过填料环侧隙空间，流入填料环的背隙空间，这时积聚在整个空间内的气体将通过各个开口间隙，沿下一道密封函与柱塞的间隙流出。

由于填料环存在开口泄漏，以及柱塞和气缸、密封环间的间隙，都会造成泄漏，因此利用一道密封环阻止泄漏是不可能的。该设备采用了多道密封单元，组成一个串联节流系统，使气体每通过一道密封环就产生一次节流，先节流后膨胀，2 当气体从填料函与柱塞间的间隙进入函室过程中，气体先在窄缝中动能增加，压力减小，在进入下级填料函时流束截面突然扩大后，气体在腔内形成强烈的漩涡，大部分动能再转变成热能，总压头下降，泄漏量也随之减少，在超高压力的气体经气体节流环减压后，再经5道填料环密封减压，最终压力由250 MPa降到0.5 MPa左右，泄漏量在0-50kg/h之间，从而达到阻止泄漏的目的。2 密封失效的主要因素

2.1填料盘密封面失效的主要因素

我们知道平面填料的密封有五处：(1)填料盘与填料盘接触面；(2)填料盘与气缸的接触面；(3)主副密封圈的内圆面与柱塞的外表面的接触面 ；(4)主密封圈切口之间的接触面；(5)副密封圈与主密封圈与填料盘之间的接触面。从失效密封拆卸发现，五个接触面都有不同程度的损伤。主要是气缸密封面及填料盘密封面，特别是高压端的4、5、6号填料盘，表面出现气蚀斑点、结焦，表面颜色发蓝，有很明显介质冲刷痕迹，甚至有的产生裂纹，碎裂。经认真分析研究认为填料盘气缸面的损伤主要是疲劳损坏、微动磨损和气体渗透所产生。

1）压缩机气缸、填料盘在柱塞往返工作状态下，要承受着高达250MPa以上的压力，每完成吸气和排气的一个过程，气体压力都将在110MPa－250MPa之间频繁波动，从而使密封面承受一个非常大的脉动压力。这样在每个循环过程中就使气缸、填料盘密封面产生非常大的交变压力作用下；填料盘密封面可能产生细微的裂纹，随着时间的延长裂纹逐步扩展、长大，形成宏观裂纹，最终贯穿填料盘，造成填料盘开裂，如图4所示。

图4 填料盘

2）由于相邻填料盘之间的密封函压差大,填料盘密封面工作时由于应力不同而产生滑动,产生微动磨损.如图－4所示：相邻二块填料盘之间由于有填料的节流,填料盘内圈承受的压力是不同的,特别是在压力较高的情况下,相邻二块填料 3 盘的压差就变得很大。因此，相邻二块填料盘由于内压而产生的变形就相差很大。而压缩机工作时，气体的压力是周期性波动的，所以填料盘的内压也将产生周期性波动，其径向变形也随压力的波动而变化。由于相邻二填料盘在压缩机吸气和排气时因内压而产生的变形之差不一样。所以，二填料盘就会在接触面处产生径向滑动，从而引起微动磨损。

由于以上气缸、填料盘密封面脉动引起的交变应力作用及填料盘之间压差大产生的径向滑移产生的微动而引起的磨损，而使气缸、填料盘密封面产生疲劳。加上填料盘密封室是气体聚集的地方，气体随着密封面磨损的微小间隙渗透进去，并发展到一定的程度，气体就贯穿整个密封面，导致填料盘的密封失效。2.2填料密封环损坏失效

经过对填料环的拆检，发现有的填料函结满一层厚硬的低聚物及焦垢，填料环磨损严重，有的产生疲劳裂纹、碎裂、结焦，干磨的现象，如图5所示, 经分析是缺少润滑油，润滑效果不好和填料环的应力腐蚀及低聚物的积聚引起，导致料环的磨损。

图5 断裂的填料环

1）润滑油的影响。从填料密封和润滑原理分析，由注油器向填料函输送的高粘度内部润滑油，在正常操作时填料函内各元件和柱塞形成的间隙空间充满油，在柱塞和填料表面形成油膜，同时还应很好地附在滑动表面并且有较高的粘度，以便于维护两填料函密封面独立的油膜。所以油量要充足，以保证各元件能形成油膜。经细致检查发现有的两个填料盘间注入油孔有错位现象，如图6所示。

图6 两个填料盘间注入油孔有错位现象

2）填料腐蚀问题。对失效的填料环进行检查发现，填料环表面有大小不一的浅沆，越接近内径越明显，还带有细小的裂纹，有明显的应力腐蚀和疲劳腐蚀现象，在高温下的腐蚀现象更严重。经分析这种现象为脱锡腐蚀，腐蚀产生黑色的沉积体积聚在填料环上，表面形成许许多多的凹坑处产生集中应力。在压缩压力的作用下，造成填料环由于强度不足而发生断裂。

3）低聚物的影响。填料函内积聚大量低聚物。在停车过程中若压力下降快，造成填料函中的高压乙烯急剧泄漏而发生节流膨胀。在填料函中产生制冷效果，冷冻后的低聚物非常坚硬。积聚在填料函中的低聚物占据填料函间隙空间，使填料函内部润滑油显著减少，润滑效果下降。低聚物还堵塞填料环与密封函的气体通道，使气体只能从柱塞表面高速冲过，将柱塞表面的油带走，形不成所需的油膜，加速了密封组件的磨损。3 预防及改进措施

1）检修时对填料盘进行着色探伤或磁粉探伤等方法对密封面进行定期检查，发现疲劳破坏或裂痕时应及时修复；

2）在密封面进行研磨修复时，要保证密封面的表面尺寸和形状精度，要求平面度误差不大于0.001mm，平行度误差不大于0.02mm，安装时密封面与柱塞轴线相互垂直；

3）选择满足技术要求的润滑油，将原来矿物油更改为具有粘—温特性好、无毒、乙烯熔解度小、粘压性良好的聚乙二醇合成润滑油；

4）保证内部润滑油所需的流量。检修时对注油孔错位现象，采取在两填料盘注油孔接合处倒角处理，如图7所示； 5）检修过程严格控制相关间隙尺寸，保证装配精度，填料修复时要消除棱角，保证过渡圆滑；

6）在工艺生产过程中，要求上游过滤器、高压分离器应控制在合适的操作温度。增加排低聚物的频次，减少低聚物积聚；

7）确保操作平稳，防止压缩机的压力突然升高而造成对压缩机填料密封的破坏。

8）在检修填料密封时，一定要认真检查油封。同时也要检修中心组合阀和出入口阀，以免出入口阀的泄漏而造成机组不必要的停机。

图7 改造后的注油孔 检修时的注意事项

1）认真按照检修规程进行操作，拆卸及组装填料密封和中心阀时，做到文明施工，一定要用专用工具进行施工；

2）对拆御下来的柱塞一定要注意保护。因为一段柱塞是表面覆加碳化钨，二段柱塞全部是碳化钨制作而成，对酸性腐蚀特别敏感。所以在各种情况下手都不能直接接触柱塞的表面。拆下来后应包裹好放在专用木盒里；

3）注意检修质量，各间隙一定要符合需求。对各密封面的平面度、平行度、垂直度、粗糙度达不到要求时，绝不能回装，表面不应有缺陷；

4）注意清洁，保证各密封面的干净。气缸填料盘安装时表面一定要用酒精清擦拭干净，再用压缩风吹干才能组装；

5）认真检查各油路的畅通，注油孔不得堵塞、有杂物。填料盘及气缸要确保对正、不能错位，0#盘必须入销定位；

6）注意检查各0型圈，在许可的情况下尽量每次更换；0型密封圈回装要 抹上凡士林润滑，防止切边；

7）液压紧固螺母时要分二次进行，第一次打压在要求压力的四分之一左右，第二次打压至要求的压力，确保紧固螺栓紧力符合要求。5 结论

通过对C－4202超高压压缩机的填料盘磨损及影响填料密封使用寿命短的问题，进行系统的分析研究，提出了解决对策，采取了一系列措施进行改进，收到了很好的效果，大大降低了填料盘和填料密封磨损频率。填料盘开裂现象近三年来没有再发生，使用周期已明显延长。现在二段缸一般都能使用一年多，有的已达到二年多时间。一段缸使用时间更长。下面是10年以来维修次数的统计图。

参考文献

1.倪继军超高压压缩机填料盘的微动磨损〔J〕.广西机械，2003.（6），43～48； 2.茂名乙烯工程建设指挥部，高压聚乙烯车间C24202指导说明书[Z]1995； 3.王璠瑜 主编：《化工机器》，中国石化出版社。