石化装置泵类机械密封研究

肖玉山(中石化巴陵石油化工有限公司，湖南 岳阳 414000)

0 引言

石油和化工设备是指包含石油钻采、运输、加工成化工产品的全过程内使用的一系列设备。其中，泵类设备是石油及其化工制品转运过程中不可或缺的重要设备，一般与压力设备相连，为石油的输送提供原动力。针对泵类设备进行密封作业的目的在于，防止多种形态的石油及制品在转运过程中从结合面泄漏，并防止自然界的灰尘、水分等杂质(对任何一种物质来说，可能导致自身纯度下降的所有物质都是一种相对性质的杂质)侵入，进而引发一系列不良后果。总体而言，围绕石化装置的泵类机械密封问题进行研究存在很大的价值。

1 做好石化装置泵类机械密封工作的重要性

石油是一种珍贵的不可再生资源，是当今全球范围内的战略应用、战略储备资源之一[1]。从油田开采后得到的石油中可能含有大量杂质，经过提纯处理后，可直接作为燃料应用，也可以作为很多化工生产的原材料，用于生产诸多维持现代社会正常运转的化工商品。在开采、应用石油的过程中，由于石油本身具有易燃易爆的特性和毒性，如果泄漏到自然环境中，或是遭遇明火引发爆炸，或是对自然界造成侵蚀，严重污染环境。因此，保证石油的安全、稳定运输是石油行业必须重点考虑的问题。泵类设备是石油化工装置的重要组成部分，通过与动力设备相连，为石油运输系统提供动力，使石油沿着一定的方向、速度运转至目标区域。如果泵类机械设备出现密封性不佳的情况，导致泵内深入空气、水分或其他物质，轻者导致石油及相关制品的纯度降低，重则扰乱泵类及管道设备内部的平衡压力环境，进而增加恶性事故的发生率。基于此，石油化工企业在日常生产过程中，必须加大对泵类机械设备密封状态的重视程度，尽最大努力保证泵类设备的密封性能，尽量降低危险事故发生率。

2 石化装置泵类机械常用的密封技术

2.1 填料密封

填料密封是石油化工装置泵类机械设备密封作业常用的技术之一，主要原理为：利用预紧或介质压力产生的自紧作用，使填料以及泵类机械转动件、固定件之间持续产生压紧力，使连接位置的紧密程度逐渐提升。此种密封技术又被称为“填料函密封”[2]。尽管结构形式比较多，但在实际作业时，均需准备填料、填料箱、填料固定件。最常见的填料材料包含碳纤维、橡胶、柔性石墨、工程塑料等。在使用之前，一般需要预先制作成环状形态或长条状形态。部分泵类机械设备应用填料密封技术之前，还需将填料材料浸泡在润滑性良好的液态物质之内，以方便压紧力产生时，接口处的不同构件在旋紧压实的过程中，彼此之间的衔接更加顺畅，降低会导致接口受损的机械性摩擦力。若要提高密封效果，还可以将填料材料预先制作成多环状或多层螺旋状结构。完成前期准备之后，使用填料箱暂时储存填料。常用的填料固定件包含压盖、螺栓、弹簧等，在填料作业期间，可实时对填料进行预紧作业，避免任何介质发生外漏情况。弹簧的作用在于，在填料密封作业期间，为旋紧密封过程提供一些缓冲空间，必要时起补偿作用，保证填料密封效果。

2.2 机械密封

机械密封是最主要的石化装置泵类机械密封方式，作用过程为：(1)准备旋转机械型轴封装置，如离心泵、离心机、压缩机等；(2)将传动轴首先在设备内外贯穿，令传动轴与设备彼此之间生成一个圆形间隙；(3)设备中的提前准备的介质经由圆形间隙自内而外泄漏的过程中，如果设备内部压力与环境大气压力相比处于较高水平，则外部空气会向设备内涌入。而空气进入的过程中，势必会将一部分设备内材料向外部挤压。因此，需要设置一个能够有效阻止内部材料向外泄漏的“轴封装置”。可选择的轴封装置种类较多，且大量工程案例表明，机械密封形式的优点在于：泄漏量少、寿命长，故也得到了较为广泛的应用。此种密封技术的原理为：设置一对或数对垂直于轴，且能够进行相对滑动运动的端面，之后利用流体压力或者补偿机构产生的弹力(如使用弹簧产生弹力，或使用电磁系统生成吸引性磁力等)，在其作用下，使密封装置能够长久贴合接口附近区域。此外，还可以设置辅助密封装置，达到阻止泵类机械设备内部物质泄漏的目的。

3 提高石化装置泵类机械密封水平的综合研究

3.1 造成石化装置泵类机械密封效果不佳的主要原因

3.1.1 环境方面的原因

石油化工装置泵类机械设备经常处于较为恶劣的工作环境中。比如石油原油开采矿区的空气中可能弥漫大量化学物质，其中不乏具有较强腐蚀性的成分。如果应用于以石油为主要原材料的化工用品生产、转运过程中，泵类设备还会长期面临高压及高温的作用。即使坚固程度再高的泵类设备，经过一段时间的作业后，性能都会不同程度下降。如果不能及时处理，会导致石化装置泵类机械设备中的多个零部件发生松动、老化，进而埋下安全隐患。此外，由于泵类机械设备与产生动力的设备相连，加之石油及相应的化工产品在管道运输过程中均会导致大量“振动”生成。在连带作用下，泵类设备也会随之振动，最终导致一些固定装置、密封环等脱落。此种情况加上外部环境的共同侵蚀，设备的密封性能无法在较长时间内持续。

3.1.2 人为操作方面的原因

人为因素同样不可忽略，是指操作人员在使用、调试泵类机械设备的过程中，并未严格遵照有关标准，造成密封环并没有被压紧，最终造成泵类设备密封性不佳。比如在机械密封作业期间，操作手册中明确指出“必须十分注意安装偏差”，若要达到上述目的，需要做到：(1)上紧压盖作业必须在联轴器找正作业完成后方可进行，且螺栓设置应该控制为均匀上支状态，还应注意随时纠正压盖端面出现的偏斜情况。在联轴器找正之后，为了以防万一，作业人员还需使用塞尺对各点位进行检查，每一个点位的最大允许误差都不能超过0.05 mm；(2)上紧压盖作业完成后，应立刻检查压盖与轴、轴套外径之间的同心度(配合间隙)，务必达到“四周均匀”的状态。在此基础上，使用塞尺检查各个点位的误差，最大值不得超过0.01 mm。一些作业人员在执行相关密封操作时，对其中的某些细节操作予以忽略，最终导致泵类设备在密封期间留下了非常细小的安全隐患，令密封效果无法达到最佳。

3.1.3 设备自身存在的问题

泵类设备本身也可能存在一定的问题。比如密封环与机械设备之间原本贴合的十分紧密，几乎不会出现渗漏情况。但随着泵类设备使用时间的增加，在多次连续性的振动过程中，原本处于“紧密连接”状态的密封环与机械设备之间可能会出现微小的缝隙。此时，一些微小颗粒成分会进入缝隙。场次以往，缝隙中的杂物积累得越来越多，密封环自身以及与机械设备之间的贴合状态的均匀程度不可避免地会下降，最终导致密封性下降。如果未能及时检测除上述情况，泵类机械设备承受管道内石油及相关制品在运输过程中产生的冲击力的能力会逐渐下降，最终造成受力失衡。不仅如此，机械设备运转过程中会消耗电能，其中的一部分会转化成机械能。而石油及化工产品经过生产加工之后，可能在冷却不完全甚至完全不冷却的情况下便进行运输，这些热量都会导致泵内的动环、静环等发生变形，最终导致设备的稳定性、密封性、安全性均下降。

3.2 科学选择密封材料

密封材料的性能在很大程度上决定石化装置泵类机械设备密封的效果。除了直接的密封材料之外，其他与密封相关的弹簧、固定螺钉、传动件、金属涛等金属零件如果存在型号、材质不匹配的情况的，都有可能造成密封性不满足预设要求。具体而言(以机械密封为例)：(1)金属材料制成的弹簧非常容易受到交变作用力的影响，进而被腐蚀。实际上，金属材料的一大特性正在于此—在多种应力的作用下，腐蚀速度会大幅度增加。如果石油化工产品中含有大量氯化物，则与金属材料接触时，腐蚀速度会进一步提升。基于此，国际标准不建议使用金属材料支撑的不锈钢弹簧，推荐使用耐腐蚀性能更强的赫斯特合金钢弹簧；(2)金属套外圆的表面如果存在磨痕(即使是很微小，由从密封侧进入套内的固体微粒的运动下产生的磨痕)，则有极大概率干扰密封的随动能力；(3)选择固定用的螺钉时，一般不建议使用已经完成硬化处理的材料。这是因为硬化处理的过程必定包含加温过程。包含金属在内的很多物质经过高温作用后，内部性状已经发生了改变，受此影响，耐腐蚀性能已经大幅度下降。如果材料尚未经过硬化处理，耐腐蚀能力理论上没有损失，技术人员在密封作业期间，同样可以将软材质的螺钉紧紧固定在轴上，密封效果足以达到预期。

3.3 针对压缩量和辅助密封系统进行全面优化

压缩量一词的释义为：坯料高度在压缩前后对应数值的差值，也即高度方向受到压缩作业后减小的尺寸。在实际工作中发现，很多泵类机械设备经常发生微量泄漏情况。这种现象的“致命性”虽然较低，但在与日俱增的石油化工安全生产标准之下，已经与安全环保要求相悖。基于此，在实际生产中，必须要求泵类机械密封做到“零泄漏”。为达到该目的，必须围绕压缩量进行精确控制。压缩量如果较低，则必然导致泵类设备的密封性不满足要求；如果压缩量过高，则密封端面的损耗速度会加快。确定最佳压缩量的过程如下：其一，必须确定动环和静环的尺寸链、轴套内轴肩与泵轴肩配合面的大小、泵大盖与轴承箱支架配合面的大小、静环端面开始到密封压盖与泵盖配合面之间的垂直距离等参数。通常情况下，此种“垂直距离”是一个随时发生变化的量，如果静环端面较高，则该距离的取值是负数，若静环端面较低，则取值为正数。基准面如果准备了垫片，则必须对垫片的厚度进行精确测算，后者会导致压缩量的计算精确程度不足。还有一种情况为：机械设备中如果使用了多级泵，则应该在每一侧的常规密封压缩量的基础上，增加一半的转子窜量，以达到保证压缩量核算准确的目的。

3.4 机械密封拆卸等作业期间的注意事项

为了提高石化装置泵类机械密封效果，需定期进行机械密封拆卸、检验。但在作业期间应注意下列事项：其一，拆卸机械密封的过程中，严禁使用手锤和扁铲，否则极其容易因力道控制不佳导致密封零件、泵件被损坏。特别是泵类设备两端都设置机械密封时，无论是装配还是拆卸过程，都应进行互相照顾；其二，拆卸作业前首先应该进行全面检修。针对密封轴套进行拆卸时，考虑到拆卸的难度较大，故一般需要使用专业的工具，务必保证密封的完整性不受破坏。如果密封的完整性出现问题，则无法针对密封故障进行正确判断；其三，拆卸完成后，需重点检查密封端面是否出现变形情况和磨损情况。通常情况下，可使用光学平镜，对密封摩擦副表面是否出现变形进行检测，还可以使用放大镜检查是否存在裂纹。针对密封用弹簧进行检测时，应重点观察弹簧的自由高度是否依然维持原有性状。若密封弹簧并未出现弹性下降情况，则应重点检查弹簧盒内是否有杂物(沉积物)堵塞，并检查弹簧是否出现断裂、被腐蚀变形等情况；其四，检查密封用的橡胶圈(O型圈和V型圈、U型圈等)是否出现变形、老化、硬化、碳化、溶胀、断裂等[3]。

4 结语

综上所述，石化装置泵类机械密封效果在很大程度上决定石油化工生产安全。影响泵类机械密封效果的原因集中在自然环境影响、密封材料选择不佳、人为操作未按照相关标准等。为提高密封效果，需要注重对压缩量进行精确控制，并定期进行机械密封拆卸检测，以提高安全性。