眾所周知，在石化行業(yè)的生產(chǎn)中，旋轉(zhuǎn)設(shè)備是非常重要的一環(huán)，它的正常有效運行，對整個生產(chǎn)系統(tǒng)起著舉足輕重的作用。但在實際生產(chǎn)中，因旋轉(zhuǎn)設(shè)備故障而影響生產(chǎn)的事件不勝枚舉。有資料顯示，在這類故障中，尤以密封失效導(dǎo)致的泄漏為主要形式，約占總故障的50%以上[1]。因此了解各類密封發(fā)展的歷史以及使用的因素，分析研究密封泄漏問題，對降低故障率、保證裝置安全運轉(zhuǎn)有重要的意義。

　　1 填料密封

　　填料密封又稱壓緊填料密封，俗稱盤根，英文來源于Packings 一詞。填料密封是最古老的一種密封形式，我國古代的提水機械就使用填塞棉紗的方法來堵住泄漏，早期的蒸汽機也采用了這種密封形式。到了19 世紀，為了適應(yīng)石油能源大規(guī)模開采技術(shù)的發(fā)展，填料密封的材料也有了新的發(fā)展。進入20 世紀后，由于填料密封結(jié)構(gòu)簡單、成本低、適應(yīng)性廣，因此大量應(yīng)用于石化生產(chǎn)中各種靜止?fàn)顟B(tài)的填料函體密封、旋轉(zhuǎn)往復(fù)密封，以及閥門填料函的密封等[2]。

　　隨著科技的進步，工程上對填料密封提出了更高的要求，而幾十年來，新材料的不斷問世則為新型密封填料的開發(fā)提供了可能。面對種類繁多的密封填料，如何選擇適應(yīng)不同工況的材料又是一個具有重要價值的新問題。下面將對常用密封填料進行介紹，提供典型石化企業(yè)使用現(xiàn)狀。

　　1.1 石棉填料

　　由于石棉填料使用的歷史悠久，因此應(yīng)用經(jīng)驗十分成熟，同時價格也較為低廉。但由于石棉材質(zhì)天生的許多弱點: 高溫易失水、纖維滲透、摩擦系數(shù)大等，使得石棉填料會經(jīng)常性的產(chǎn)生滲透泄漏，在使用中需要頻繁維護，而且石棉調(diào)料使用壽命相對較短，對泵軸、閥桿的磨損也比較大且開啟麻煩。石棉填料最高耐溫450 ℃，最高耐壓6 MPa。實際生產(chǎn)中一般用在溫度低于200 ℃的部位[3]。絕大部分放在膨脹石墨填料的兩端作組合密封用。

　　1.2 柔性石墨填料環(huán)

　　柔性石墨填料環(huán)又稱膨脹石墨填料環(huán)，相對石棉填料它的使用歷史較短。20 世紀70 年代末期我國才開始進行工業(yè)生產(chǎn)，由于柔性石墨填料環(huán)具有優(yōu)異的特性，因此其迅速取代了石棉填料，特別是在原來石棉填料難以很好密封的部位。柔性石墨填料環(huán)適用范圍廣、密封性能好、使用壽命長、維護方便。其缺點是強度較低而且規(guī)格眾多。目前石化生產(chǎn)使用的多是“單一柔性石墨類”這一種，即純?nèi)嵝允盍檄h(huán)。純?nèi)嵝允盍鲜褂脮r兩端應(yīng)加編織填料或金屬護圈，以防止被擠出[4]。

　　1.3 碳化纖維填料

　　碳化纖維是將丙烯腈等人造纖維置于一定溫度下，通過氧化而制造的，碳化纖維經(jīng)過高溫碳化成為碳纖維。碳纖維是20 世紀60 代研制成功的，而在我國大量作為密封填料使用則是20 世紀90 年代末期的事。目前作為填料使用最多的是碳化纖維浸漬聚四氟乙烯編織填料，這類填料對酸、堿及有機溶劑等絕大多數(shù)介質(zhì)的均有良好的耐受性，同時熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱性良好，自潤性好，因此其適用性相當(dāng)廣，特別適用于高速泵[5]。

　　1.4 聚四氟乙烯填料

　　聚四氟乙烯的優(yōu)點是耐幾乎所有已知的介質(zhì)，并且不易老化、自潤性好; 而缺點則是導(dǎo)熱系數(shù)小，熱膨脹系數(shù)大，因此在高速泵中使用會使摩擦產(chǎn)生的熱量集聚。當(dāng)溫度達到200 ℃，軸的線速度大于3. 5 m/s 時，聚四氟乙烯就會軟化而與軸相粘連，導(dǎo)致密封失效[6]。為了消除這一缺點，美國的一家公司研制了一種含石墨聚四氟乙烯的編織填料，這種填料改善了聚四氟乙烯導(dǎo)熱性差的缺陷，使其可以用于高速泵中。

　　1. 5 芳綸編織填料

　　芳綸是一種人造纖維，按其組成可分為幾種不同的類型，作為填料使用的是一種亮黃色的對位芳綸。這種纖維的優(yōu)點是強度高，同質(zhì)量下纖維的強度是普通鋼的五倍，并且相當(dāng)耐磨; 它有良好的熱穩(wěn)定性，427 ℃以上才開始分解; 它的熱膨脹系數(shù)較小[7]。芳綸編織填料就是用這種纖維編織后浸聚四氟乙烯乳液而成。它特別適用于泥漿泵或者其它含顆粒介質(zhì)的轉(zhuǎn)動設(shè)備的密封。

　　2 機械密封

　　雖然經(jīng)過多年的發(fā)展，填料密封有了廣泛的應(yīng)用并且不斷的進行更新?lián)Q代，但是隨著人們對環(huán)境保護要求的日益提高，同時密封介質(zhì)也越來越復(fù)雜，填料密封已經(jīng)不能很好地適應(yīng)一些設(shè)備的密封要求，因此機械密封逐漸取代填料密封走上了歷史的舞臺。

　　作為密封裝置，機械密封的主要優(yōu)點是工作可靠、泄漏量小、使用壽命長、功率消耗少，因此在泵、攪拌器、壓縮機、離心機、反應(yīng)釜、轉(zhuǎn)盤塔和過濾機等工藝設(shè)備上得到了廣泛應(yīng)用。據(jù)資料顯示，國外石化行業(yè)中約95%的旋轉(zhuǎn)設(shè)備采用了機械密封[8]。

　　2. 1 國內(nèi)外機械密封的歷史沿革

　　最早的機械密封出現(xiàn)在1885 年的英國，當(dāng)時是以專利的形式出現(xiàn)的，直到1900 年才開始正式應(yīng)用。當(dāng)時出現(xiàn)的端面機械密封結(jié)構(gòu)形式十分簡單，但是也解決了當(dāng)時機器制造業(yè)中的轉(zhuǎn)軸密封的問題。與當(dāng)時已經(jīng)慣用的填料密封相比，無論是在原理上還是功能上，機械密封都有其先進性。然而，由于缺乏合適的材料以及加工技術(shù)，盡管機械密封有很多優(yōu)點，但仍舊沒有大規(guī)模推廣使用。直到1920 年，由于新技術(shù)和新材料的出現(xiàn)，機械密封才逐步在冷凍裝置上得到較多的使用。1930年以后，機械密封開始規(guī)模化用于內(nèi)燃機水泵的軸封。

　　第二次世界大戰(zhàn)之后，機械密封在美國得到了突飛猛進的發(fā)展。20 世紀中葉，由于石油化工技術(shù)水平的發(fā)展，石墨、陶瓷、硬質(zhì)合金等新材料在機械密封制造中的應(yīng)用，以及加工技術(shù)控制水平的提升，50 年代后期出現(xiàn)了新型的平衡型機械密封和中間環(huán)密封。60 年代初期由于核工業(yè)的需求，出現(xiàn)了流體動壓密封和流體靜壓密封。70 年代初期由于航空航天和核電方面的特殊要求，出現(xiàn)了新型的多級密封以及碳化硅和碳石墨等新型材料。80 - 90 年代隨著人們環(huán)保意識的不斷提高，出現(xiàn)了以“零泄漏”為目標(biāo)的機械密封; 同時有技術(shù)人員在流體動壓密封原理的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了新型的熱流體動力楔機械密封以及上游泵送機械密封。

　　進入新世紀以來，隨著密封技術(shù)的逐漸成熟，研究人員關(guān)注的重點除了開發(fā)新類型的機械密封，還逐漸向各具體旋轉(zhuǎn)機械的故障分析和維護轉(zhuǎn)移，同時隨著計算機模擬軟件的發(fā)展，也出現(xiàn)了許多進行模擬分析的研究。

　　我國機械密封的應(yīng)用研究起步較晚。新中國建立后，1965年蘭州煉油廠、沈陽水泵廠等單位率先試制了泵用機械密封，1966 年天津機械密封件廠開始生產(chǎn)機械密封。到了1970 年，機械工業(yè)部、石油部、化工部所屬的科研、生產(chǎn)、使用單位抽調(diào)科研人員組成了聯(lián)合設(shè)計組，參考國外的先進技術(shù)，聯(lián)合設(shè)計了“系列泵用機械密封”。

　　1975 年，機械工業(yè)部批準(zhǔn)頒布了《泵用機械密封標(biāo)準(zhǔn)》。1978 年化工部批準(zhǔn)頒布了《釜用機械密封標(biāo)準(zhǔn)》。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，加速密封技術(shù)的發(fā)展，1980 年以后陸續(xù)引進了英國、美國、德國、日本等國家的先進技術(shù)，通過攻關(guān)、消化，使機械密封在品種、材料、技術(shù)參數(shù)等方面都提高到了一個新的階段。1993 年國家頒布了國標(biāo)《GB/T14211 - 1993 機械密封試驗方法》。1999 年國家機械工業(yè)局修訂了《機械密封技術(shù)條件》和《機械密封分類方法》，為機械密封產(chǎn)品接近國外先進水平提供了保證。

　　2. 2 機械密封的應(yīng)用技術(shù)

　　在一個多世紀的時間里，伴隨著對機械密封機理的不斷認識，人們也成功地設(shè)計制造了各類新型機械密封，并將其運用到石化、發(fā)電、航空航天及核工業(yè)等領(lǐng)域。目前機械密封應(yīng)用技術(shù)主要有表面改形技術(shù)、組合密封技術(shù)和可控機械密封技術(shù)三類。

　　2. 2. 1 表面改形技術(shù)

　　所謂表面改形技術(shù)，是指通過在密封端面上開槽進而改善端面間的潤滑狀況，從而實現(xiàn)機械密封長周期運行的技術(shù)[9]。按開槽深度的不同，可分為開深槽與開淺槽兩大類。

　　開深槽是指在機械密封端面上開設(shè)深度為毫米級( 通常為1 ～ 2 mm) 的槽。根據(jù)密封原理不同，端面開深槽機械密封可分為流體靜壓機械密封和熱流體動力楔機械密封。

　　開淺槽是指在機械密封端面上開出微米級槽，依靠密封端面間的相對運動以及槽的臺階和輸送效應(yīng)，從而產(chǎn)生流體動壓力，進而來平衡閉合力，實現(xiàn)端面的非接觸密封。比較先進的干氣密封以及上游泵送密封都屬于端面開淺槽機械密封。端面開淺槽機械密封可用于氣相或液相介質(zhì)。

　　2. 2. 2 組合密封技術(shù)

　　隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，高溫、高壓以及各種新介質(zhì)的出現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)對密封的要求也越來越高，很多時候單一的一種密封難以滿足苛刻的工況條件。因此，人們將幾種密封組合起來，利用各類密封固有的優(yōu)勢，使其充分發(fā)揮作用，組合密封應(yīng)運而生。

　　雖然組合密封的形式很多，但究其本質(zhì)不外乎是非接觸式密封與接觸式密封組合以及接觸式密封與接觸式密封組合兩大類。在組合密封中，機械密封主要用來防止泄漏，而其他形式的密封則主要起節(jié)流阻滯的作用。

　　在中低壓工藝氣體壓縮機上，用機械- 浮環(huán)組合密封替代傳統(tǒng)的浮環(huán)密封是當(dāng)今重要的技術(shù)發(fā)展趨勢[10]。據(jù)資料顯示，20 世紀70代后，從國外引進的大型石化裝置中，機械- 浮環(huán)組合密封占有的比重越來越大，范圍也涉及到了石油化工的各個領(lǐng)域。

　　在中、高壓條件下使用較多的組合密封是機械- 干氣組合密封，該類密封通常分為兩級，第一級密封是機械密封，密封介質(zhì)為液體，第二級密封是干氣密封，密封介質(zhì)為第一級密封泄漏的微量介質(zhì)和外部導(dǎo)入的惰性氣體。機械- 干氣組合密封的特點是機械密封作為主密封對工藝介質(zhì)進行密封，干氣密封則作為輔助密封加固密封形式。

　　2. 2. 3 可控機械密封技術(shù)

　　在實現(xiàn)了機械密封的高參數(shù)設(shè)計與制造后，科研人員將研究重點轉(zhuǎn)向了泄漏率和磨損同時控制的研究。泄漏率和磨損是表征機械密封性能的兩個參數(shù)。泄漏率高，則導(dǎo)致密封端面間的液膜厚，工作時端面磨損小，機械密封使用壽命長; 而泄漏率低，則導(dǎo)致密封端面間液膜薄，工作時端面磨損大，機械密封使用壽命短。因此尋找到機械密封最佳工況點就顯得至關(guān)重要，也即機械密封實現(xiàn)性能控制的關(guān)鍵。

　　實際應(yīng)用中通常采用聲發(fā)射技術(shù)進行早期的密封失效監(jiān)控，采用壓電或者電渦流式傳感器監(jiān)測端面膜厚的變化情況，采用電阻應(yīng)變儀測試扭矩來監(jiān)控運行工況參數(shù)與摩擦系數(shù)的關(guān)系，采用泄漏量監(jiān)測方式來監(jiān)控密封工作狀況。除此之外，有些關(guān)鍵設(shè)備的機械密封甚至采用智能監(jiān)測系統(tǒng)，利用計算機控制技術(shù)，連續(xù)自動調(diào)節(jié)密封的各種參數(shù)，以達到最佳的運行條件。例如，美國和日本等國將聲發(fā)射、超聲波以及微電子和傳感技術(shù)應(yīng)用于核反應(yīng)堆冷凝泵及航空航天領(lǐng)域液氧泵機械密封監(jiān)控系統(tǒng)，國內(nèi)石油大學(xué)研制了機械密封相態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)并己得到工業(yè)應(yīng)用[11]。

　　雖然現(xiàn)階段可控密封技術(shù)仍未大規(guī)模普及使用，但是隨著計算機、電子傳感器技術(shù)以及密封理論的發(fā)展，可控機械密封技術(shù)未來必將會在各個領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

　　3 結(jié)語

　　經(jīng)過多年的研究與開發(fā)，轉(zhuǎn)動設(shè)備的密封裝置從最初簡單的填料密封發(fā)展成為先進的組合密封、可控密封，從減少泄漏到“零泄漏”，各種新材料新技術(shù)不斷的改進著這一裝置的可靠性。雖然因為操作條件以及工況變得越來越苛刻，石化行業(yè)仍時有密封故障事件的發(fā)生，但相信隨著傳感器及電子、新材料、高級加工技術(shù)的高速發(fā)展，實現(xiàn)真正的環(huán)保、高效以及安全的密封技術(shù)終將走上歷史的舞臺。

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本文由于2019年11月19日整理發(fā)布。