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，為了適應石油能源大規模開采技術的發展，填料密封的材料也有了新的發展。進入20 世紀后，由于填料密封結構簡單、成本低、適應性廣，因此大量應用于石化生產中各種靜止狀態的填料函體密封、旋轉往復密封，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提供了可能。面對種類繁多的密封填料，如何選擇適應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，提供典型石化企業使用現狀。

　　1.1 石棉填料

　　由于石棉填料使用的歷史悠久，因此應用經驗十分成熟，同時價格也較為低廉。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，使得石棉填料會經常性的產生滲透泄漏，在使用中需要頻繁維護，而且石棉調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

　　柔性石墨填料環又稱膨脹石墨填料環，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生產，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格眾多。目前石化生產使用的多是“單一柔性石墨類”這一種，即純柔性石墨填料環。純柔性石墨填料使用時兩端應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介質的均有良好的耐受性，同時熱膨脹系數小，導熱性良好，自潤性好，因此其適用性相當廣，特別適用于高速泵[5]。

　　1.4 聚四氟乙烯填料

　　聚四氟乙烯的優點是耐幾乎所有已知的介質，并且不易老化、自潤性好; 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產生的熱量集聚。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; 它有良好的熱穩定性，427 ℃以上才開始分解; 它的熱膨脹系數較小[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的轉動設備的密封。

　　2 機械密封

　　雖然經過多年的發展，填料密封有了廣泛的應用并且不斷的進行更新換代，但是隨著人們對環境保護要求的日益提高，同時密封介質也越來越復雜，填料密封已經不能很好地適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歷史的舞臺。

　　作為密封裝置，機械密封的主要優點是工作可靠、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、反應釜、轉盤塔和過濾機等工藝設備上得到了廣泛應用。據資料顯示，國外石化行業中約95%的旋轉設備采用了機械密封[8]。

　　2. 1 國內外機械密封的歷史沿革

　　最早的機械密封出現在1885 年的英國，當時是以專利的形式出現的，直到1900 年才開始正式應用。當時出現的端面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，盡管機械密封有很多優點，但仍舊沒有大規模推廣使用。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年以后，機械密封開始規模化用于內燃機水泵的軸封。

　　第二次世界大戰之后，機械密封在美國得到了突飛猛進的發展。20 世紀中葉，由于石油化工技術水平的發展，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 年代后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的特殊要求，出現了新型的多級密封以及碳化硅和碳石墨等新型材料。80 - 90 年代隨著人們環保意識的不斷提高，出現了以“零泄漏”為目標的機械密封; 同時有技術人員在流體動壓密封原理的基礎上，開發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，隨著密封技術的逐漸成熟，研究人員關注的重點除了開發新類型的機械密封，還逐漸向各具體旋轉機械的故障分析和維護轉移，同時隨著計算機模擬軟件的發展，也出現了許多進行模擬分析的研究。

　　我國機械密封的應用研究起步較晚。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機械密封。到了1970 年，機械工業部、石油部、化工部所屬的科研、生產、使用單位抽調科研人員組成了聯合設計組，參考國外的先進技術，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《泵用機械密封標準》。1978 年化工部批準頒布了《釜用機械密封標準》。為了提高產品質量，加速密封技術的發展，1980 年以后陸續引進了英國、美國、德國、日本等國家的先進技術，通過攻關、消化，使機械密封在品種、材料、技術參數等方面都提高到了一個新的階段。1993 年國家頒布了國標《GB/T14211 - 1993 機械密封試驗方法》。1999 年國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》，為機械密封產品接近國外先進水平提供了保證。

　　2. 2 機械密封的應用技術

　　在一個多世紀的時間里，伴隨著對機械密封機理的不斷認識，人們也成功地設計制造了各類新型機械密封，并將其運用到石化、發電、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 表面改形技術

　　所謂表面改形技術，是指通過在密封端面上開槽進而改善端面間的潤滑狀況，從而實現機械密封長周期運行的技術[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深度為毫米級( 通常為1 ～ 2 mm) 的槽。根據密封原理不同，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，從而產生流體動壓力，進而來平衡閉合力，實現端面的非接觸密封。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。

　　2. 2. 2 組合密封技術

　　隨著現代工業的飛速發展，高溫、高壓以及各種新介質的出現，工業生產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勢，使其充分發揮作用，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流阻滯的作用。

　　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展趨勢[10]。據資料顯示，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，密封介質為液體，第二級密封是干氣密封，密封介質為第一級密封泄漏的微量介質和外部導入的惰性氣體。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

　　在實現了機械密封的高參數設計與制造后，科研人員將研究重點轉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。泄漏率高，則導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重要，也即機械密封實現性能控制的關鍵。

　　實際應用中通常采用聲發射技術進行早期的密封失效監控，采用壓電或者電渦流式傳感器監測端面膜厚的變化情況，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，采用泄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監測系統，利用計算機控制技術，連續自動調節密封的各種參數，以達到最佳的運行條件。例如，美國和日本等國將聲發射、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，國內石油大學研制了機械密封相態監控系統并己得到工業應用[11]。

　　雖然現階段可控密封技術仍未大規模普及使用，但是隨著計算機、電子傳感器技術以及密封理論的發展，可控機械密封技術未來必將會在各個領域中得到廣泛應用。

　　3 結語

　　經過多年的研究與開發，轉動設備的密封裝置從最初簡單的填料密封發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，石化行業仍時有密封故障事件的發生，但相信隨著傳感器及電子、新材料、高級加工技術的高速發展，實現真正的環保、高效以及安全的密封技術終將走上歷史的舞臺。

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本文由無錫市祥健四氟制品有限公司于2019年11月19日整理發布。