石化裝置泵類機(jī)械密封研究

肖玉山(中石化巴陵石油化工有限公司，湖南 岳陽(yáng) 414000)

0 引言

石油和化工設(shè)備是指包含石油鉆采、運(yùn)輸、加工成化工產(chǎn)品的全過(guò)程內(nèi)使用的一系列設(shè)備。其中，泵類設(shè)備是石油及其化工制品轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中不可或缺的重要設(shè)備，一般與壓力設(shè)備相連，為石油的輸送提供原動(dòng)力。針對(duì)泵類設(shè)備進(jìn)行密封作業(yè)的目的在于，防止多種形態(tài)的石油及制品在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中從結(jié)合面泄漏，并防止自然界的灰塵、水分等雜質(zhì)(對(duì)任何一種物質(zhì)來(lái)說(shuō)，可能導(dǎo)致自身純度下降的所有物質(zhì)都是一種相對(duì)性質(zhì)的雜質(zhì))侵入，進(jìn)而引發(fā)一系列不良后果。總體而言，圍繞石化裝置的泵類機(jī)械密封問(wèn)題進(jìn)行研究存在很大的價(jià)值。

1 做好石化裝置泵類機(jī)械密封工作的重要性

石油是一種珍貴的不可再生資源，是當(dāng)今全球范圍內(nèi)的戰(zhàn)略應(yīng)用、戰(zhàn)略儲(chǔ)備資源之一[1]。從油田開采后得到的石油中可能含有大量雜質(zhì)，經(jīng)過(guò)提純處理后，可直接作為燃料應(yīng)用，也可以作為很多化工生產(chǎn)的原材料，用于生產(chǎn)諸多維持現(xiàn)代社會(huì)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的化工商品。在開采、應(yīng)用石油的過(guò)程中，由于石油本身具有易燃易爆的特性和毒性，如果泄漏到自然環(huán)境中，或是遭遇明火引發(fā)爆炸，或是對(duì)自然界造成侵蝕，嚴(yán)重污染環(huán)境。因此，保證石油的安全、穩(wěn)定運(yùn)輸是石油行業(yè)必須重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。泵類設(shè)備是石油化工裝置的重要組成部分，通過(guò)與動(dòng)力設(shè)備相連，為石油運(yùn)輸系統(tǒng)提供動(dòng)力，使石油沿著一定的方向、速度運(yùn)轉(zhuǎn)至目標(biāo)區(qū)域。如果泵類機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)密封性不佳的情況，導(dǎo)致泵內(nèi)深入空氣、水分或其他物質(zhì)，輕者導(dǎo)致石油及相關(guān)制品的純度降低，重則擾亂泵類及管道設(shè)備內(nèi)部的平衡壓力環(huán)境，進(jìn)而增加惡性事故的發(fā)生率?；诖耍突て髽I(yè)在日常生產(chǎn)過(guò)程中，必須加大對(duì)泵類機(jī)械設(shè)備密封狀態(tài)的重視程度，盡最大努力保證泵類設(shè)備的密封性能，盡量降低危險(xiǎn)事故發(fā)生率。

2 石化裝置泵類機(jī)械常用的密封技術(shù)

2.1 填料密封

填料密封是石油化工裝置泵類機(jī)械設(shè)備密封作業(yè)常用的技術(shù)之一，主要原理為：利用預(yù)緊或介質(zhì)壓力產(chǎn)生的自緊作用，使填料以及泵類機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)件、固定件之間持續(xù)產(chǎn)生壓緊力，使連接位置的緊密程度逐漸提升。此種密封技術(shù)又被稱為“填料函密封”[2]。盡管結(jié)構(gòu)形式比較多，但在實(shí)際作業(yè)時(shí)，均需準(zhǔn)備填料、填料箱、填料固定件。最常見(jiàn)的填料材料包含碳纖維、橡膠、柔性石墨、工程塑料等。在使用之前，一般需要預(yù)先制作成環(huán)狀形態(tài)或長(zhǎng)條狀形態(tài)。部分泵類機(jī)械設(shè)備應(yīng)用填料密封技術(shù)之前，還需將填料材料浸泡在潤(rùn)滑性良好的液態(tài)物質(zhì)之內(nèi)，以方便壓緊力產(chǎn)生時(shí)，接口處的不同構(gòu)件在旋緊壓實(shí)的過(guò)程中，彼此之間的銜接更加順暢，降低會(huì)導(dǎo)致接口受損的機(jī)械性摩擦力。若要提高密封效果，還可以將填料材料預(yù)先制作成多環(huán)狀或多層螺旋狀結(jié)構(gòu)。完成前期準(zhǔn)備之后，使用填料箱暫時(shí)儲(chǔ)存填料。常用的填料固定件包含壓蓋、螺栓、彈簧等，在填料作業(yè)期間，可實(shí)時(shí)對(duì)填料進(jìn)行預(yù)緊作業(yè)，避免任何介質(zhì)發(fā)生外漏情況。彈簧的作用在于，在填料密封作業(yè)期間，為旋緊密封過(guò)程提供一些緩沖空間，必要時(shí)起補(bǔ)償作用，保證填料密封效果。

2.2 機(jī)械密封

機(jī)械密封是最主要的石化裝置泵類機(jī)械密封方式，作用過(guò)程為：(1)準(zhǔn)備旋轉(zhuǎn)機(jī)械型軸封裝置，如離心泵、離心機(jī)、壓縮機(jī)等；(2)將傳動(dòng)軸首先在設(shè)備內(nèi)外貫穿，令傳動(dòng)軸與設(shè)備彼此之間生成一個(gè)圓形間隙；(3)設(shè)備中的提前準(zhǔn)備的介質(zhì)經(jīng)由圓形間隙自內(nèi)而外泄漏的過(guò)程中，如果設(shè)備內(nèi)部壓力與環(huán)境大氣壓力相比處于較高水平，則外部空氣會(huì)向設(shè)備內(nèi)涌入。而空氣進(jìn)入的過(guò)程中，勢(shì)必會(huì)將一部分設(shè)備內(nèi)材料向外部擠壓。因此，需要設(shè)置一個(gè)能夠有效阻止內(nèi)部材料向外泄漏的“軸封裝置”?？蛇x擇的軸封裝置種類較多，且大量工程案例表明，機(jī)械密封形式的優(yōu)點(diǎn)在于：泄漏量少、壽命長(zhǎng)，故也得到了較為廣泛的應(yīng)用。此種密封技術(shù)的原理為：設(shè)置一對(duì)或數(shù)對(duì)垂直于軸，且能夠進(jìn)行相對(duì)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)的端面，之后利用流體壓力或者補(bǔ)償機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的彈力(如使用彈簧產(chǎn)生彈力，或使用電磁系統(tǒng)生成吸引性磁力等)，在其作用下，使密封裝置能夠長(zhǎng)久貼合接口附近區(qū)域。此外，還可以設(shè)置輔助密封裝置，達(dá)到阻止泵類機(jī)械設(shè)備內(nèi)部物質(zhì)泄漏的目的。

3 提高石化裝置泵類機(jī)械密封水平的綜合研究

3.1 造成石化裝置泵類機(jī)械密封效果不佳的主要原因

3.1.1 環(huán)境方面的原因

石油化工裝置泵類機(jī)械設(shè)備經(jīng)常處于較為惡劣的工作環(huán)境中。比如石油原油開采礦區(qū)的空氣中可能彌漫大量化學(xué)物質(zhì)，其中不乏具有較強(qiáng)腐蝕性的成分。如果應(yīng)用于以石油為主要原材料的化工用品生產(chǎn)、轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，泵類設(shè)備還會(huì)長(zhǎng)期面臨高壓及高溫的作用。即使堅(jiān)固程度再高的泵類設(shè)備，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的作業(yè)后，性能都會(huì)不同程度下降。如果不能及時(shí)處理，會(huì)導(dǎo)致石化裝置泵類機(jī)械設(shè)備中的多個(gè)零部件發(fā)生松動(dòng)、老化，進(jìn)而埋下安全隱患。此外，由于泵類機(jī)械設(shè)備與產(chǎn)生動(dòng)力的設(shè)備相連，加之石油及相應(yīng)的化工產(chǎn)品在管道運(yùn)輸過(guò)程中均會(huì)導(dǎo)致大量“振動(dòng)”生成。在連帶作用下，泵類設(shè)備也會(huì)隨之振動(dòng)，最終導(dǎo)致一些固定裝置、密封環(huán)等脫落。此種情況加上外部環(huán)境的共同侵蝕，設(shè)備的密封性能無(wú)法在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)持續(xù)。

3.1.2 人為操作方面的原因

人為因素同樣不可忽略，是指操作人員在使用、調(diào)試泵類機(jī)械設(shè)備的過(guò)程中，并未嚴(yán)格遵照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，造成密封環(huán)并沒(méi)有被壓緊，最終造成泵類設(shè)備密封性不佳。比如在機(jī)械密封作業(yè)期間，操作手冊(cè)中明確指出“必須十分注意安裝偏差”，若要達(dá)到上述目的，需要做到：(1)上緊壓蓋作業(yè)必須在聯(lián)軸器找正作業(yè)完成后方可進(jìn)行，且螺栓設(shè)置應(yīng)該控制為均勻上支狀態(tài)，還應(yīng)注意隨時(shí)糾正壓蓋端面出現(xiàn)的偏斜情況。在聯(lián)軸器找正之后，為了以防萬(wàn)一，作業(yè)人員還需使用塞尺對(duì)各點(diǎn)位進(jìn)行檢查，每一個(gè)點(diǎn)位的最大允許誤差都不能超過(guò)0.05 mm；(2)上緊壓蓋作業(yè)完成后，應(yīng)立刻檢查壓蓋與軸、軸套外徑之間的同心度(配合間隙)，務(wù)必達(dá)到“四周均勻”的狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，使用塞尺檢查各個(gè)點(diǎn)位的誤差，最大值不得超過(guò)0.01 mm。一些作業(yè)人員在執(zhí)行相關(guān)密封操作時(shí)，對(duì)其中的某些細(xì)節(jié)操作予以忽略，最終導(dǎo)致泵類設(shè)備在密封期間留下了非常細(xì)小的安全隱患，令密封效果無(wú)法達(dá)到最佳。

3.1.3 設(shè)備自身存在的問(wèn)題

泵類設(shè)備本身也可能存在一定的問(wèn)題。比如密封環(huán)與機(jī)械設(shè)備之間原本貼合的十分緊密，幾乎不會(huì)出現(xiàn)滲漏情況。但隨著泵類設(shè)備使用時(shí)間的增加，在多次連續(xù)性的振動(dòng)過(guò)程中，原本處于“緊密連接”狀態(tài)的密封環(huán)與機(jī)械設(shè)備之間可能會(huì)出現(xiàn)微小的縫隙。此時(shí)，一些微小顆粒成分會(huì)進(jìn)入縫隙。場(chǎng)次以往，縫隙中的雜物積累得越來(lái)越多，密封環(huán)自身以及與機(jī)械設(shè)備之間的貼合狀態(tài)的均勻程度不可避免地會(huì)下降，最終導(dǎo)致密封性下降。如果未能及時(shí)檢測(cè)除上述情況，泵類機(jī)械設(shè)備承受管道內(nèi)石油及相關(guān)制品在運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊力的能力會(huì)逐漸下降，最終造成受力失衡。不僅如此，機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)消耗電能，其中的一部分會(huì)轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。而石油及化工產(chǎn)品經(jīng)過(guò)生產(chǎn)加工之后，可能在冷卻不完全甚至完全不冷卻的情況下便進(jìn)行運(yùn)輸，這些熱量都會(huì)導(dǎo)致泵內(nèi)的動(dòng)環(huán)、靜環(huán)等發(fā)生變形，最終導(dǎo)致設(shè)備的穩(wěn)定性、密封性、安全性均下降。

3.2 科學(xué)選擇密封材料

密封材料的性能在很大程度上決定石化裝置泵類機(jī)械設(shè)備密封的效果。除了直接的密封材料之外，其他與密封相關(guān)的彈簧、固定螺釘、傳動(dòng)件、金屬濤等金屬零件如果存在型號(hào)、材質(zhì)不匹配的情況的，都有可能造成密封性不滿足預(yù)設(shè)要求。具體而言(以機(jī)械密封為例)：(1)金屬材料制成的彈簧非常容易受到交變作用力的影響，進(jìn)而被腐蝕。實(shí)際上，金屬材料的一大特性正在于此—在多種應(yīng)力的作用下，腐蝕速度會(huì)大幅度增加。如果石油化工產(chǎn)品中含有大量氯化物，則與金屬材料接觸時(shí)，腐蝕速度會(huì)進(jìn)一步提升。基于此，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)不建議使用金屬材料支撐的不銹鋼彈簧，推薦使用耐腐蝕性能更強(qiáng)的赫斯特合金鋼彈簧；(2)金屬套外圓的表面如果存在磨痕(即使是很微小，由從密封側(cè)進(jìn)入套內(nèi)的固體微粒的運(yùn)動(dòng)下產(chǎn)生的磨痕)，則有極大概率干擾密封的隨動(dòng)能力；(3)選擇固定用的螺釘時(shí)，一般不建議使用已經(jīng)完成硬化處理的材料。這是因?yàn)橛不幚淼倪^(guò)程必定包含加溫過(guò)程。包含金屬在內(nèi)的很多物質(zhì)經(jīng)過(guò)高溫作用后，內(nèi)部性狀已經(jīng)發(fā)生了改變，受此影響，耐腐蝕性能已經(jīng)大幅度下降。如果材料尚未經(jīng)過(guò)硬化處理，耐腐蝕能力理論上沒(méi)有損失，技術(shù)人員在密封作業(yè)期間，同樣可以將軟材質(zhì)的螺釘緊緊固定在軸上，密封效果足以達(dá)到預(yù)期。

3.3 針對(duì)壓縮量和輔助密封系統(tǒng)進(jìn)行全面優(yōu)化

壓縮量一詞的釋義為：坯料高度在壓縮前后對(duì)應(yīng)數(shù)值的差值，也即高度方向受到壓縮作業(yè)后減小的尺寸。在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，很多泵類機(jī)械設(shè)備經(jīng)常發(fā)生微量泄漏情況。這種現(xiàn)象的“致命性”雖然較低，但在與日俱增的石油化工安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)之下，已經(jīng)與安全環(huán)保要求相悖?；诖?，在實(shí)際生產(chǎn)中，必須要求泵類機(jī)械密封做到“零泄漏”。為達(dá)到該目的，必須圍繞壓縮量進(jìn)行精確控制。壓縮量如果較低，則必然導(dǎo)致泵類設(shè)備的密封性不滿足要求；如果壓縮量過(guò)高，則密封端面的損耗速度會(huì)加快。確定最佳壓縮量的過(guò)程如下：其一，必須確定動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的尺寸鏈、軸套內(nèi)軸肩與泵軸肩配合面的大小、泵大蓋與軸承箱支架配合面的大小、靜環(huán)端面開始到密封壓蓋與泵蓋配合面之間的垂直距離等參數(shù)。通常情況下，此種“垂直距離”是一個(gè)隨時(shí)發(fā)生變化的量，如果靜環(huán)端面較高，則該距離的取值是負(fù)數(shù)，若靜環(huán)端面較低，則取值為正數(shù)?；鶞?zhǔn)面如果準(zhǔn)備了墊片，則必須對(duì)墊片的厚度進(jìn)行精確測(cè)算，后者會(huì)導(dǎo)致壓縮量的計(jì)算精確程度不足。還有一種情況為：機(jī)械設(shè)備中如果使用了多級(jí)泵，則應(yīng)該在每一側(cè)的常規(guī)密封壓縮量的基礎(chǔ)上，增加一半的轉(zhuǎn)子竄量，以達(dá)到保證壓縮量核算準(zhǔn)確的目的。

3.4 機(jī)械密封拆卸等作業(yè)期間的注意事項(xiàng)

為了提高石化裝置泵類機(jī)械密封效果，需定期進(jìn)行機(jī)械密封拆卸、檢驗(yàn)。但在作業(yè)期間應(yīng)注意下列事項(xiàng)：其一，拆卸機(jī)械密封的過(guò)程中，嚴(yán)禁使用手錘和扁鏟，否則極其容易因力道控制不佳導(dǎo)致密封零件、泵件被損壞。特別是泵類設(shè)備兩端都設(shè)置機(jī)械密封時(shí)，無(wú)論是裝配還是拆卸過(guò)程，都應(yīng)進(jìn)行互相照顧；其二，拆卸作業(yè)前首先應(yīng)該進(jìn)行全面檢修。針對(duì)密封軸套進(jìn)行拆卸時(shí)，考慮到拆卸的難度較大，故一般需要使用專業(yè)的工具，務(wù)必保證密封的完整性不受破壞。如果密封的完整性出現(xiàn)問(wèn)題，則無(wú)法針對(duì)密封故障進(jìn)行正確判斷；其三，拆卸完成后，需重點(diǎn)檢查密封端面是否出現(xiàn)變形情況和磨損情況。通常情況下，可使用光學(xué)平鏡，對(duì)密封摩擦副表面是否出現(xiàn)變形進(jìn)行檢測(cè)，還可以使用放大鏡檢查是否存在裂紋。針對(duì)密封用彈簧進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)觀察彈簧的自由高度是否依然維持原有性狀。若密封彈簧并未出現(xiàn)彈性下降情況，則應(yīng)重點(diǎn)檢查彈簧盒內(nèi)是否有雜物(沉積物)堵塞，并檢查彈簧是否出現(xiàn)斷裂、被腐蝕變形等情況；其四，檢查密封用的橡膠圈(O型圈和V型圈、U型圈等)是否出現(xiàn)變形、老化、硬化、碳化、溶脹、斷裂等[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，石化裝置泵類機(jī)械密封效果在很大程度上決定石油化工生產(chǎn)安全。影響泵類機(jī)械密封效果的原因集中在自然環(huán)境影響、密封材料選擇不佳、人為操作未按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等。為提高密封效果，需要注重對(duì)壓縮量進(jìn)行精確控制，并定期進(jìn)行機(jī)械密封拆卸檢測(cè)，以提高安全性。