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淺談密封裝置在石化行業的應用
- 分類：行業動态
- 作者：PFA管小姐姐
- 來源：丹凱
- 發(fā)布時間：2022-11-26 18:08
- 訪問量：
淺談密封裝置在石化行業的應用
- 分類：行業動态
- 作者：PFA管小姐姐
- 來源：丹凱
- 發(fā)布時間：2022-11-26 18:08
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衆所周知，在石化行業的生産中，旋轉設備是非常重要的一環，它的正常有效運行，對(duì)整個生産系統起(qǐ)着舉足輕重的作用。但在實際生産中，因
旋轉設備故障而影響生産的事(shì)件不勝枚舉。有資料顯示，在這(zhè)類故障中，尤以密封失效導緻的洩漏爲主要形式，約占總故障的50%以上。因此了
解各類密封發(fā)展的曆史以及使用的因素，分析研究密封洩漏問題，對(duì)降低故障率、保證裝置安全運轉有重要的意義。
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(zhǒng)密封形式，我國(guó)古代的提水機械就使用填塞棉紗的
方法來堵住洩漏，早期的蒸汽機也采用了這(zhè)種(zhǒng)密封形式。到了19 世紀，爲了适應石油能(néng)源大規模開(kāi)采技術的發(fā)展，填料密封的材料也有了新的發(fā)
展。進(jìn)入20 世紀後(hòu)，由于填料密封結構簡單、成(chéng)本低、适應性廣，因此大量應用于石化生産中各種(zhǒng)靜止狀态的填料函體密封、旋轉往複密封，以
及閥門填料函體的密封等。
随着科技的進(jìn)步，工程上對(duì)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爲新型密封填料的開(kāi)發(fā)提供了可能(néng)。面(miàn)對(duì)種(zhǒng)類繁多的
密封填料，如何選擇适應不同工況的材料又是一個具有重要價值的新問題。下面(miàn)將(jiāng)對(duì)常用密封填料進(jìn)行介紹，提供典型石化企業使用現狀。
圖一：石油化工 來源：網絡
1.1 石棉填料
由于石棉填料使用的曆史悠久，因此應用經(jīng)驗十分成(chéng)熟，同時價格也較爲低廉。但由于石棉材質天生的許多弱點: 高溫易失水、纖維滲透、摩擦系
數大等，使得石棉填料會經(jīng)常性地産生滲透洩漏，在使用中需要頻繁維護，而且石棉調料使用壽命相對(duì)較短，對(duì)泵軸、閥杆的磨損也比較大且開(kāi)
啓麻煩。石棉填料最高耐溫450 ℃，最高耐壓6 MPa。實際生産中一般用在溫度低于200 ℃的部位。絕大部分放在膨脹石墨填料的兩(liǎng)端作組合密
封用。
1.2 柔性石墨填料環
柔性石墨填料環又稱膨脹石墨填料環，相對(duì)石棉填料環它的使用曆史較短。20 世紀70 年代末期我國(guó)才開(kāi)始進(jìn)行工業生産，由于柔性石墨填料環
具有優異的特性，因此其迅速取代了石棉填料，特别是在原來石棉填料難以很好(hǎo)密封的部位。柔性石墨填料環适用範圍廣、密封性能(néng)好(hǎo)、使用壽
命長(cháng)、維護方便。其缺點是強度較低而且規格衆多。目前石化生産使用的多是“單一柔性石墨類”這(zhè)一種(zhǒng)，即純柔性石墨填料環。純柔性石墨填
料使用時兩(liǎng)端應加編織填料或金屬護圈，以防止被擠出。
1.3 碳化纖維填料
碳化纖維是將(jiāng)丙烯腈等人造纖維置于一定溫度下，通過(guò)氧化而制造的，碳化纖維經(jīng)過(guò)高溫碳化成(chéng)爲碳纖維。碳纖維是20 世紀60 代研制成(chéng)功的，
而在我國(guó)大量作爲密封填料使用則是20 世紀90 年代末期的事(shì)。目前作爲填料使用最多的是碳化纖維浸漬聚四氟乙烯編織填料，這(zhè)類填料對(duì)酸、
堿及有機溶劑等絕大多數介質均有良好(hǎo)的耐受性，同時熱膨脹系數小，導熱性良好(hǎo)，自潤性好(hǎo)，因此其适用性相當廣，特别适用于高速泵。
1.4 聚四氟乙烯填料
聚四氟乙烯的優點是耐幾乎所有已知的介質，并且不易老化、自潤性好(hǎo); 而缺點則是導熱系數小，熱膨脹系數大，因此在高速泵中使用會使摩擦産
生的熱量積聚。當溫度達到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，導緻密封失效。爲了消除這(zhè)一缺點，美國(guó)
的一家公司研制了一種(zhǒng)含石墨聚四氟乙烯的編織填料，這(zhè)種(zhǒng)填料改善了聚四氟乙烯導熱性差的缺陷，使其可以用于高速泵中。
1. 5 芳綸編織填料
芳綸是一種(zhǒng)人造纖維，按其組成(chéng)可分爲幾種(zhǒng)不同的類型，作爲填料使用的是一種(zhǒng)亮黃色的對(duì)位芳綸。這(zhè)種(zhǒng)纖維的優點是強度高，同質量下纖維的
強度是普通鋼的五倍，并且相當耐磨; 它有良好(hǎo)的熱穩定性，427 ℃以上才開(kāi)始分解; 它的熱膨脹系數較小。芳綸編織填料就是用這(zhè)種(zhǒng)纖維編織後(hòu)
浸聚四氟乙烯乳液而成(chéng)。它特别适用于泥漿泵或者其它含顆粒介質的轉動設備的密封。
圖二：化工石油 來源：網絡
2、機械密封
雖然經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，填料密封有了廣泛的應用并且不斷地進(jìn)行更新換代，但是随着人們對(duì)環境保護要求的日益提高，同時密封介質也越來越複
雜，填料密封已經(jīng)不能(néng)很好(hǎo)地适應一些設備的密封要求，因此機械密封逐漸取代填料密封走上了曆史的舞台。
作爲密封裝置，機械密封的主要優點是工作可靠、洩漏量小、使用壽命長(cháng)、功率消耗少，因此在泵、攪拌器、壓縮機、離心機、反應釜、轉盤塔
和過(guò)濾機等工藝設備上得到了廣泛應用。據資料顯示，國(guó)外石化行業中約95%的旋轉設備采用了機械密封。
2. 1 國(guó)内外機械密封的曆史沿革
最早的機械密封出現在1885 年的英國(guó)，當時是以專利的形式出現的，直到1900 年才開(kāi)始正式應用。當時出現的端面(miàn)機械密封結構形式十分簡
單，但是也解決了當時機器制造業中的轉軸密封的問題。與當時已經(jīng)慣用的填料密封相比，無論是在原理上還(hái)是功能(néng)上，機械密封都(dōu)有其先進(jìn)
性。然而，由于缺乏合适的材料以及加工技術，盡管機械密封有很多優點，但仍舊沒(méi)有大規模推廣使用。直到1920 年，由于新技術和新材料的
出現，機械密封才逐步在冷凍裝置上得到較多的使用。1930年以後(hòu)，機械密封開(kāi)始規模化用于内燃機水泵的軸封。
第二次世界大戰之後(hòu)，機械密封在美國(guó)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。20 世紀中葉，由于石油化工技術水平的發(fā)展，石墨、陶瓷、硬質合金等新材料在
機械密封制造中的應用，以及加工技術控制水平的提升，50 年代後(hòu)期出現了新型的平衡型機械密封和中間環密封。60 年代初期由于核工業的需
求，出現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(miàn)的特殊要求，出現了新型的多級密封以及碳化矽和碳石墨等新型
材料。80 - 90 年代随着人們環保意識的不斷提高，出現了以“零洩漏”爲目标的機械密封; 同時有技術人員在流體動壓密封原理的基礎上，開(kāi)發(fā)
出了新型的熱流體動力楔機械密封以及上遊泵送機械密封。
進(jìn)入新世紀以來，随着密封技術的逐漸成(chéng)熟，研究人員關注的重點除了開(kāi)發(fā)新類型的機械密封，還(hái)逐漸向(xiàng)各具體旋轉機械的故障分析和維護轉
移，同時随着計算機模拟軟件的發(fā)展，也出現了許多進(jìn)行模拟分析的研究。
圖三：石油化工 來源：網絡
我國(guó)機械密封技術的應用研究起(qǐ)步較晚。新中國(guó)建立後(hòu)，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 年前天津機械
密封件廠開(kāi)始生産機械密封。到了1970 年前，機械工業部、石油部、化工部所屬的科研、生産、使用單位抽調科研人員組成(chéng)了聯合設計組，參
考國(guó)外的先進(jìn)技術，聯合設計了“系列泵用機械密封”。
1975 年，機械工業部批準頒布了《泵用機械密封标準》。1978 年化工部批準頒布了《釜用機械密封标準》。爲了提高産品質量，加速密封技術
的發(fā)展，1980 年以後(hòu)陸續引進(jìn)了英國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家的先進(jìn)技術，通過(guò)攻關、消化，使機械密封在品種(zhǒng)、材料、技術參數等方面(miàn)都(dōu)
提高到了一個新的階段。1993 年國(guó)家頒布了國(guó)标《GB/T14211 - 1993 機械密封試驗方法》。1999 年國(guó)家機械工業局修訂了《機械密封技術條
件》和《機械密封分類方法》，爲機械密封産品接近國(guó)外先進(jìn)水平提供了保證。
2. 2 機械密封的應用技術
在一個多世紀的時間裡(lǐ)，伴随着對(duì)機械密封機理的不斷認識，人們也成(chéng)功地設計制造了各類新型機械密封，并將(jiāng)其運用到石化、發(fā)電、航空航天
及核工業等領域。目前機械密封應用技術主要有表面(miàn)改形技術、組合密封技術和可控機械密封技術三類。
2. 2. 1 表面(miàn)改形技術
所謂表面(miàn)改形技術，是指通過(guò)在密封端面(miàn)上開(kāi)槽進(jìn)而改善端面(miàn)間的潤滑狀況，從而實現機械密封長(cháng)周期運行的技術[9]。按開(kāi)槽深度的不同，可分
爲開(kāi)深槽與開(kāi)淺槽兩(liǎng)大類。
開(kāi)深槽是指在機械密封端面(miàn)上開(kāi)設深度爲毫米級( 通常爲1 ～ 2 mm) 的槽。根據密封原理不同，端面(miàn)開(kāi)深槽機械密封可分爲流體靜壓機械密封和
熱流體動力楔機械密封。
開(kāi)淺槽是指在機械密封端面(miàn)上開(kāi)出微米級槽，依靠密封端面(miàn)間的相對(duì)運動以及槽的台階和輸送效應，從而産生流體動壓力，進(jìn)而來平衡閉合力，
實現端面(miàn)的非接觸密封。比較先進(jìn)的幹氣密封以及上遊泵送密封都(dōu)屬于端面(miàn)開(kāi)淺槽機械密封。端面(miàn)開(kāi)淺槽機械密封可用于氣相或液相介質。
2. 2. 2 組合密封技術
随着現代工業的飛速發(fā)展，高溫、高壓以及各種(zhǒng)新介質的出現，工業生産對(duì)密封的要求也越來越高，很多時候單一的一種(zhǒng)密封難以滿足苛刻的工
況條件。因此，人們將(jiāng)幾種(zhǒng)密封組合起(qǐ)來，利用各類密封固有的優勢，使其充分發(fā)揮作用，組合密封應運而生。
雖然組合密封的形式很多，但究其本質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(liǎng)大類。在組合密封中，機械
密封主要用來防止洩漏，而其他形式的密封則主要起(qǐ)節流阻滞的作用。
在中低壓工藝氣體壓縮機上，用機械- 浮環組合密封替代傳統的浮環密封是當今重要的技術發(fā)展趨勢。據資料顯示，20 世紀70代後(hòu)，從國(guó)外引進(jìn)
的大型石化裝置中，機械- 浮環組合密封占有的比重越來越大，範圍也涉及到了石油化工的各個領域。
在中、高壓條件下使用較多的組合密封是機械- 幹氣組合密封，該類密封通常分爲兩(liǎng)級，第一級密封是機械密封，密封介質爲液體，第二級密封
是幹氣密封，密封介質爲第一級密封洩漏的微量介質和外部導入的惰性氣體。機械- 幹氣組合密封的特點是機械密封作爲主密封對(duì)工藝介質進(jìn)行
密封，幹氣密封則作爲輔助密封加固密封形式。
2. 2. 3 可控機械密封技術
在實現了機械密封的高參數設計與制造後(hòu)，科研人員將(jiāng)研究重點轉向(xiàng)了洩漏率和磨損同時控制的研究。洩漏率和磨損率是表征機械密封性能(néng)的兩(liǎng)
個參數。洩漏率高，則導緻密封端面(miàn)間的液膜厚，工作時端面(miàn)磨損小，機械密封使用壽命長(cháng); 而洩漏率低，則導緻密封端面(miàn)間液膜薄，工作時端面(miàn)
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重要，也即機械密封實現性能(néng)控制的關鍵。
實際應用中通常采用聲發(fā)射技術進(jìn)行早期的密封失效監控，采用電壓或者電渦流式傳感器監測端面(miàn)膜厚度的變化情況，采用電阻應變儀測試扭矩
來監控運行工況參數與摩擦系數的關系，采用洩漏量監測方式來監控密封工作狀況。除此之外，有些關鍵設備的機械密封甚至采用智能(néng)監測系
統，利用計算機控制技術，連續自動調節密封的各種(zhǒng)參數，以達到最佳的運行條件。例如，美國(guó)和日本等國(guó)將(jiāng)聲發(fā)射、超聲波以及微電子和傳感
技術應用于核反應堆冷凝泵及航空航天領域液氧泵機械密封監控系統，國(guó)内石油大學(xué)研制了機械密封相态監控系統并已得到工業應用。
雖然現階段可控密封技術仍未大規模普及使用，但是随着計算機、電子傳感器技術以及密封理論的發(fā)展，可控機械密封技術未來必將(jiāng)會在各個領
域中得到廣泛應用。
3、結語
經(jīng)過(guò)多年的研究與開(kāi)發(fā)，轉動設備的密封裝置從最初簡單的填料密封發(fā)展成(chéng)爲先進(jìn)的組合密封、可控密封，從減少洩漏到“零洩漏”，各種(zhǒng)新材
料新技術不斷的改進(jìn)着這(zhè)一裝置的可靠性。雖然因爲操作條件以及工況變得越來越苛刻，石化行業仍時有密封故障事(shì)件的發(fā)生，但相信随着傳感
器及電子、新材料、高級加工技術的高速發(fā)展，實現真正的環保、高效以及安全的密封技術終將(jiāng)走上曆史的舞台。
本文由鐵氟龍管小姐姐原創，歡迎關注，帶你一起(qǐ)長(cháng)知識！
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