密封液

背景

随着石油炼化行业的迅速发展，生产过程的工况条件不断提高，尤其是对高温介质泵用机械密封的泄漏和安全性的要求越来越严格，双端面机械密封已广泛应用在实际生产中。所有的双端面机械密封都会根据API 682《化工设备与管道》标准中规定的冲洗方案选择合适的密封辅助系统，通过密封辅助系统来改善机械密封能适应复杂的工作环境，减少工艺介质的泄漏。根据API 682的定义，不带压的双端面机械密封和带压的双端面机械密封在选择密封辅助系统时，都会考虑密封液（通常也称为密封油、缓冲液、隔离液、冲洗介质等）的选择。

密封液的特性及选择标准

选择合适的密封液能够起到很好的润滑作用，及时带走密封腔的热量并最终改善机械密封工作环境。在选择密封液时，一些关键的属性需要重点考虑。

1）密封液的黏度特性

密封液在循环时，在密封面（动静环）之间形成足够厚度的液膜把密封面分开，减少密封面的磨损，及时带走密封腔的热量，避免了石墨密封面发生疱疤的风险。根据四川石化生产现场的应用实践，以下条件限制需要在选择密封液时重点考虑。在生产过程中，密封辅助系统中的密封液黏度值应该维持在（1~150）×10 m /s，以便确保足够的流动性，有时为了避免碳石墨出现“疱疤”现象，黏度值也不应该超过10 m /S。泵在冷启动时，如果密封液的温度和环境温度一样，高黏度性的密封液会导致泵设备温度迅速升高（黏度会随着温度的升高而逐渐降低），再加上较大的启动剪切应力，通常会导致机械密封的损坏。根据API 682标准的要求，密封液的最低工作温度应该至少高于其流点温度2.8℃，在此条件下，它的最大黏度值是5×10 m /s。如果密封液在工作时的环境温度低于其冰点温度，密封液储罐还需要配置加热器来保证密封油处于合适的工作温度并避免泵设备的冷启动。如果密封液的工作环境温度波动幅度大，应优先选择黏度指数最大的密封密封液以便确保其有稳定的黏性。

2）密封液的热传递性

密封液需要具有能够迅速带走在密封端面因为摩擦产生热量的特性，热传导性和比热是描述和衡量这一特性的关键指标。工作温度越高，这两项指标的值也越大。密封液在工作时的比重至少不低于0.7kg/m 。密封液的比重越大，其散热性会越好。

3）密封液不能给设备带来潜在的风险

安全性是选择密封液时首先需要考虑的因素。挥发性有机化合物（VOC）和挥发性有害空气污染物（VHAP）及易燃物都不能出现在选择的范围内。密封液在其沸点温度或高于沸点温度工作时，将会在大气侧密封面周围发生气化现象。它不但会加快缩短密封的使用寿命或导致严重的密封失效，而且还会带来因气化而发生火灾的风险。在大气压环境下工作的密封液的温度，经过冷却器后会逐渐升高到一个稳定的温度，因此需要考封密封液在大气环境下的沸点温度应至少高于其工作温度27.8℃，燃点应至少高于其工作温度的11.1℃，以便避免任何可能的气化可燃性风险。在环境温度和压力下，还应该检查并考虑密封油的蒸汽压力和挥发性等特性。在使用和储存某种密封液时，还应该参考其材料安全数据表。

4）密封液需要与机械密封及其辅助系统的零部件相互兼容

密封液通常对金属件和密封面材料（例如石墨、碳化硅等）没有任何腐蚀性危害。需要特别注意的反而是合成橡胶部件（例如“O”型圈等弹性材料），它更易于和所接触的流体介质发生化学反应。合成橡胶与密封密封液的兼容性主要取决于其苯胺点值得大小。如果密封液的苯胺点值太低，合成橡胶（例如“O”型圈等弹性材料）就越容易发生溶胀现象，它会直接导致密封“O”型胶圈变软，在高压情况下，密封胶圈就会被挤出并影响到密封面的正常工作。最终，密封面会因温度过高而烧毁或因过载而碎裂。如果密封液的苯胺点值过高，它又会导致密封圈收缩和硬化，进而导致二次密封的失效。

5）密封液需要与泵送介质相互兼容

在选用密封液的时候，首先就要考虑到它与输送的工艺介质需要相互兼容，避免发生任何可能的化学反应或物理变化。如果密封液与工艺介质接触后，提高了混合后的介质黏度，产生了气体或颗粒物都会严重影响工艺介质的自由流动，这些物质停留在密封面附近会导致密封面过度磨损指导发生泄漏。

因此，密封液都会对工艺介质造成一定程度的污染，这和用户需要生产并获得什么产品密切相关，所有密封液的选择都需要首先考虑到它不会对产品合格率造成影响。如果担心对泵送介质污染，可以采用Plan52、Plan72方案。

6）密封密封液中要避免有气泡产生

在加压的密封冲洗方案API Plan53A中，密封液的压力是由外部直接作用在密封油罐内的气体（通常是氮气）进行加压，在这种情况下，气体（通常是氮气）会部分溶解于密封液中。当压力下降或温度上升的时候，这些气体又会从密封液中释放出来。在这一释放的过程中，就会产生气泡，这会直接导致密封液的润滑性降低，热传递效果变差，同时也不利于密封液的循环。

7）密封液需要有稳定的性能

在不考虑密封发生异常泄漏的情况下，密封液的性能越是稳定，补液等维护间隔时间也就越长。密封液在辅助系统工作和停车期间需要具有抗氧化的能力。密封液一旦氧化，就会产生酸性物质和碳化物质。这会导致密封面发生焦化，密封液黏性也会发生变化，热传递效果降低并最终导致密封失效。密封液的抗氧化性是由其总酸值大小来表示的。合成油比烃类更容易受到酸化的影响。有些不带压的密封液有可能还会产生挥发性物质，这会影响到它主要性能（例如润滑，热传递等）的发挥，使用高挥发性的密封液会带来一定危险，同时密封液的压力也会很快降低。为了维持其在辅助系统中能够有一个稳定的循环量，尽量选择具有较低气化压力的密封液。

综上所述，理想的密封液应该具有这些特征：密封液在使用和存储中具有安全性，不能是挥发性有机化合物和挥发性有害空气污染物及易燃物；密封液具有良好的润滑性和热传递性，并与泵送工艺介质和密封材料相互兼容；密封液即使在低温环境下也具有很好的流动性，在环境温度下具有稳定的性能，在加压的过程中不产生气泡，对气体的溶解度低。当然，密封液要易于获得，且成本低也很重要。

密封液种类归纳

为了方便选择合适的密封液，共归纳总结出以下共6类密封液，可以覆盖所有的密封液需求。

1）醇类水溶液和水

水是一种很好的密封液，在室温下黏度值在10 m /s左右。然而，当温度达到100℃时（水在大气压下的沸点），黏度值就非常低。同时，很多室外环境下，水还容易结冰，这些都不适用于作为密封液。

乙二醇和水按照1:1比例混合的溶液是一种常见的密封液，在很多串联双封的冲洗方案中有很成功的应用。然而，乙二醇是一种VHAP性质的物质，现在已经被丙烯醇替代－丙烯醇和水按照1:1的比例配置的混合溶液是一种在很多场合都被推荐使用的。

2）醇类

醇类有很高的蒸发率，如果应用在不带压的API Plan52方案中，将会要求很频繁的补液操作。过去甲醇曾经广泛应用在低温环境下当作串联密封结构的密封液，但是它却是一种VHAP物质，并不推荐使用。另外，甲醇的沸点和黏度都很低，对密封面也不是一种很好的润滑剂。丙醇已经用来替代甲醇作为低温环境下的密封液，在低温环境下，可以推荐使用这种密封液。

3）煤油和柴油

煤油和柴油的黏度值有较宽泛的适应温度范围，可以对密封面提供充足的润滑作用。但是柴油和煤油是一种VOC物质，特别是在高温环境下。使用时要特别注意，通常情况下不是优先推荐的冲洗介质。

4）透平油

透平油虽然在过去被广泛用作密封液，从使用经验来看，这种密封液中由于自身含有抗磨剂和防氧化剂等添加剂物质，容易在密封面周围结垢。通常，这种密封液的参考工作温度是40~1000℃。

5）合成液压油和润滑油

近年来市场上开发出了很多合成润滑油。以牌号Royal Purple Barrier Fluid 22为例，这是专门为食品药品行业专门开发的一种合成密封液，无论在实验室还是现场应用，都已经被证明是一种非常好的密封液。

6）导热油

导热油的可应用的温度和压力范围很广，种类也有很多，作为密封液可以为密封面提供充分的润滑作用。这里我们主要推荐选用有机类的导热油，它们具有很好的热稳定性，较宽的温度工作范围，导热性能优异。

通过对上述6类密封液的统计和分析，通过下表对这些密封液的特性进行总结，表中列出的任何一类密封液介质及适用的温度范围都可以推荐应用在密封辅助系统中作为循环介质。

密封液

密封液循环效率及储液罐的安装要求

密封液循环效果的好坏不但和自身的特性有关，而且和冲洗管线配置方案也是密切相关的。下面，我们重点对常用的双端面密封结构要求的API 682 Plan52和Plan 53冲洗方案做简要的分析和说明。

Plan52主要应用于不带压的双端面密封结构，密封液存放于储液罐中。在正常工作中，密封液是靠密封内部的泵效环及热虹吸作用维持循环。储液罐通常会连续排空并和1个回收装置相连接（如火炬），储液罐内的压力要维持在低于密封腔压力的条件。在实际的使用过程中，储液罐需要尽量安装在和密封距离较近的地方。根据现场应用的经验，我们推荐储液罐底最好垂直距离位于泵中心线上方305～735mm，在水平方向距离密封900mm以内。根据API 682的规定，储液罐内液面与外侧密封需要维持至少1000mm静压高差。密封腔结构及储液罐安装位置见图1。

密封液

Plan53主要应用于带压的双端面密封结构，密封液存放于储液罐中并经由外部系统加压（通常是氮气）。密封液的流动是同时受到外部压力和靠密封内部的泵效环或热虹吸作用维持循环。储液罐内的压力要大于密封腔内的压力。密封腔结构及储液罐安装位置见图2。

图2　Plan53冲洗方案密封腔结构及储液罐安装示意