浅谈密封装置在石化行业的应用
1 填料密封
填料密封又称压紧填料密封，俗称盘根，英文来源于Packings 一词。填料密封是最古老的一种密封形式，我国古代的提水机械就使用填塞棉纱的方法来堵住泄漏，早期的蒸汽机也采用了这种密封形式。到了19 世纪，为了适应石油能源大规模开采技术的发展，填料密封的材料也有了新的发展。进入20 世纪后，由于填料密封结构简单、成本低、适应性广，因此大量应用于石化生产中各种静止状态的填料函体密封、旋转往复密封，以及阀门填料函的密封等[2]。
随着科技的进步，工程上对填料密封提出了更高的要求，而几十年来，新材料的不断问世则为新型密封填料的开发提供了可能。面对种类繁多的密封填料，如何选择适应不同工况的材料又是一个具有重要价值的新问题。下面将对常用密封填料进行介绍，提供典型石化企业使用现状。
1.1 石棉填料
由于石棉填料使用的历史悠久，因此应用经验十分成熟，同时价格也较为低廉。但由于石棉材质天生的许多弱点: 高温易失水、纤维渗透、摩擦系数大等，使得石棉填料会经常性的产生渗透泄漏，在使用中需要频繁维护，而且石棉调料使用寿命相对较短，对泵轴、阀杆的磨损也比较大且开启麻烦。石棉填料最高耐温450 ℃，最高耐压6 MPa。实际生产中一般用在温度低于200 ℃的部位[3]。绝大部分放在膨胀石墨填料的两端作组合密封用。
1.2 柔性石墨填料环
柔性石墨填料环又称膨胀石墨填料环，相对石棉填料它的使用历史较短。20 世纪70 年代末期我国才开始进行工业生产，由于柔性石墨填料环具有优异的特性，因此其迅速取代了石棉填料，特别是在原来石棉填料难以很好密封的部位。柔性石墨填料环适用范围广、密封性能好、使用寿命长、维护方便。其缺点是强度较低而且规格众多。目前石化生产使用的多是“单一柔性石墨类”这一种，即纯柔性石墨填料环。纯柔性石墨填料使用时两端应加编织填料或金属护圈，以防止被挤出[4]。
1.3 碳化纤维填料
碳化纤维是将丙烯腈等人造纤维置于一定温度下，通过氧化而制造的，碳化纤维经过高温碳化成为碳纤维。碳纤维是20 世纪60 代研制成功的，而在我国大量作为密封填料使用则是20 世纪90 年代末期的事。目前作为填料使用最多的是碳化纤维浸渍聚四氟乙烯编织填料，这类填料对酸、碱及有机溶剂等绝大多数介质的均有良好的耐受性，同时热膨胀系数小，导热性良好，自润性好，因此其适用性相当广，特别适用于高速泵[5]。
1.4 聚四氟乙烯填料
聚四氟乙烯的优点是耐几乎所有已知的介质，并且不易老化、自润性好; 而缺点则是导热系数小，热膨胀系数大，因此在高速泵中使用会使摩擦产生的热量集聚。当温度达到200 ℃，轴的线速度大于3. 5 m/s 时，聚四氟乙烯就会软化而与轴相粘连，导致密封失效[6]。为了消除这一缺点，美国的一家公司研制了一种含石墨聚四氟乙烯的编织填料，这种填料改善了聚四氟乙烯导热性差的缺陷，使其可以用于高速泵中。
1. 5 芳纶编织填料
芳纶是一种人造纤维，按其组成可分为几种不同的类型，作为填料使用的是一种亮黄色的对位芳纶。这种纤维的优点是强度高，同质量下纤维的强度是普通钢的五倍，并且相当耐磨; 它有良好的热稳定性，427 ℃以上才开始分解; 它的热膨胀系数较小[7]。芳纶编织填料就是用这种纤维编织后浸聚四氟乙烯乳液而成。它特别适用于泥浆泵或者其它含颗粒介质的转动设备的密封。
2 机械密封
虽然经过多年的发展，填料密封有了广泛的应用并且不断的进行更新换代，但是随着人们对环境保护要求的日益提高，同时密封介质也越来越复杂，填料密封已经不能很好地适应一些设备的密封要求，因此机械密封逐渐取代填料密封走上了历史的舞台。
作为密封装置，机械密封的主要优点是工作可靠、泄漏量小、使用寿命长、功率消耗少，因此在泵、搅拌器、压缩机、离心机、反应釜、转盘塔和过滤机等工艺设备上得到了广泛应用。据资料显示，国外石化行业中约95%的旋转设备采用了机械密封[8]。
2. 1 国内外机械密封的历史沿革
最早的机械密封出现在1885 年的英国，当时是以专利的形式出现的，直到1900 年才开始正式应用。当时出现的端面机械密封结构形式十分简单，但是也解决了当时机器制造业中的转轴密封的问题。与当时已经惯用的填料密封相比，无论是在原理上还是功能上，机械密封都有其先进性。然而，由于缺乏合适的材料以及加工技术，尽管机械密封有很多优点，但仍旧没有大规模推广使用。直到1920 年，由于新技术和新材料的出现，机械密封才逐步在冷冻装置上得到较多的使用。1930年以后，机械密封开始规模化用于内燃机水泵的轴封。
第二次世界大战之后，机械密封在美国得到了突飞猛进的发展。20 世纪中叶，由于石油化工技术水平的发展，石墨、陶瓷、硬质合金等新材料在机械密封制造中的应用，以及加工技术控制水平的提升，50 年代后期出现了新型的平衡型机械密封和中间环密封。60 年代初期由于核工业的需求，出现了流体动压密封和流体静压密封。70 年代初期由于航空航天和核电方面的特殊要求，出现了新型的多级密封以及碳化硅和碳石墨等新型材料。80 - 90 年代随着人们环保意识的不断提高，出现了以“零泄漏”为目标的机械密封; 同时有技术人员在流体动压密封原理的基础上，开发出了新型的热流体动力楔机械密封以及上游泵送机械密封。
进入新世纪以来，随着密封技术的逐渐成熟，研究人员关注的重点除了开发新类型的机械密封，还逐渐向各具体旋转机械的故障分析和维护转移，同时随着计算机模拟软件的发展，也出现了许多进行模拟分析的研究。
我国机械密封的应用研究起步较晚。新中国建立后，1965年兰州炼油厂、沈阳水泵厂等单位率先试制了泵用机械密封，1966 年天津机械密封件厂开始生产机械密封。到了1970 年，机械工业部、石油部、化工部所属的科研、生产、使用单位抽调科研人员组成了联合设计组，参考国外的先进技术，联合设计了“系列泵用机械密封”。
1975 年，机械工业部批准颁布了《泵用机械密封标准》。1978 年化工部批准颁布了《釜用机械密封标准》。为了提高产品质量，加速密封技术的发展，1980 年以后陆续引进了英国、美国、德国、日本等国家的先进技术，通过攻关、消化，使机械密封在品种、材料、技术参数等方面都提高到了一个新的阶段。1993 年国家颁布了国标《GB/T14211 - 1993 机械密封试验方法》。1999 年国家机械工业局修订了《机械密封技术条件》和《机械密封分类方法》，为机械密封产品接近国外先进水平提供了保证。
2. 2 机械密封的应用技术
在一个多世纪的时间里，伴随着对机械密封机理的不断认识，人们也成功地设计制造了各类新型机械密封，并将其运用到石化、发电、航空航天及核工业等领域。目前机械密封应用技术主要有表面改形技术、组合密封技术和可控机械密封技术三类。
2. 2. 1 表面改形技术
所谓表面改形技术，是指通过在密封端面上开槽进而改善端面间的润滑状况，从而实现机械密封长周期运行的技术[9]。按开槽深度的不同，可分为开深槽与开浅槽两大类。
开深槽是指在机械密封端面上开设深度为毫米级( 通常为1 ～ 2 mm) 的槽。根据密封原理不同，端面开深槽机械密封可分为流体静压机械密封和热流体动力楔机械密封。
开浅槽是指在机械密封端面上开出微米级槽，依靠密封端面间的相对运动以及槽的台阶和输送效应，从而产生流体动压力，进而来平衡闭合力，实现端面的非接触密封。比较先进的干气密封以及上游泵送密封都属于端面开浅槽机械密封。端面开浅槽机械密封可用于气相或液相介质。
2. 2. 2 组合密封技术
随着现代工业的飞速发展，高温、高压以及各种新介质的出现，工业生产对密封的要求也越来越高，很多时候单一的一种密封难以满足苛刻的工况条件。因此，人们将几种密封组合起来，利用各类密封固有的优势，使其充分发挥作用，组合密封应运而生。
虽然组合密封的形式很多，但究其本质不外乎是非接触式密封与接触式密封组合以及接触式密封与接触式密封组合两大类。在组合密封中，机械密封主要用来防止泄漏，而其他形式的密封则主要起节流阻滞的作用。
在中低压工艺气体压缩机上，用机械- 浮环组合密封替代传统的浮环密封是当今重要的技术发展趋势[10]。据资料显示，20 世纪70代后，从国外引进的大型石化装置中，机械- 浮环组合密封占有的比重越来越大，范围也涉及到了石油化工的各个领域。
在中、高压条件下使用较多的组合密封是机械- 干气组合密封，该类密封通常分为两级，第一级密封是机械密封，密封介质为液体，第二级密封是干气密封，密封介质为第一级密封泄漏的微量介质和外部导入的惰性气体。机械- 干气组合密封的特点是机械密封作为主密封对工艺介质进行密封，干气密封则作为辅助密封加固密封形式。
2. 2. 3 可控机械密封技术
在实现了机械密封的高参数设计与制造后，科研人员将研究重点转向了泄漏率和磨损同时控制的研究。泄漏率和磨损是表征机械密封性能的两个参数。泄漏率高，则导致密封端面间的液膜厚，工作时端面磨损小，机械密封使用寿命长; 而泄漏率低，则导致密封端面间液膜薄，工作时端面磨损大，机械密封使用寿命短。因此寻找到机械密封最佳工况点就显得至关重要，也即机械密封实现性能控制的关键。
实际应用中通常采用声发射技术进行早期的密封失效监控，采用压电或者电涡流式传感器监测端面膜厚的变化情况，采用电阻应变仪测试扭矩来监控运行工况参数与摩擦系数的关系，采用泄漏量监测方式来监控密封工作状况。除此之外，有些关键设备的机械密封甚至采用智能监测系统，利用计算机控制技术，连续自动调节密封的各种参数，以达到最佳的运行条件。例如，美国和日本等国将声发射、超声波以及微电子和传感技术应用于核反应堆冷凝泵及航空航天领域液氧泵机械密封监控系统，国内石油大学研制了机械密封相态监控系统并己得到工业应用[11]。
虽然现阶段可控密封技术仍未大规模普及使用，但是随着计算机、电子传感器技术以及密封理论的发展，可控机械密封技术未来必将会在各个领域中得到广泛应用。
3 结语
经过多年的研究与开发，转动设备的密封装置从最初简单的填料密封发展成为先进的组合密封、可控密封，从减少泄漏到“零泄漏”，各种新材料新技术不断的改进着这一装置的可靠性。虽然因为操作条件以及工况变得越来越苛刻，石化行业仍时有密封故障事件的发生，但相信随着传感器及电子、新材料、高级加工技术的高速发展，实现真正的环保、高效以及安全的密封技术终将走上历史的舞台。
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本文由于2019年11月19日整理发布。