儀征—長嶺原油管道輸油泵機械密封的匹配性研究

邢世平，陳 彬，喻志芳

（中國石化管道儲運分公司儀長輸油處，湖北武漢 430077）

儀征—長嶺原油管道輸油泵機械密封的匹配性研究

邢世平，陳 彬，喻志芳

（中國石化管道儲運分公司儀長輸油處，湖北武漢 430077）

通過對儀—長輸油處主輸油泵進口機械密封損壞和失效的原因分析，并參考國外機械密封在設計上的成功之處，對機械密封進行了匹配性研究和改造，在不改變原有密封載荷系數的情況下，采取措施改變密封端面的摩擦狀態，變氣液相為全液相，從而徹底消除了主輸泵密封裝置的泄漏隱患，取得了很大的經濟效益。

主輸油泵；機械密封；匹配性研究；泄漏；全液相

1 概況

儀—長原油管道起于江蘇省儀征市，止于湖南省長嶺市，途經江蘇、安徽、江西、湖北、湖南5省。該管道于2005年12月投入運營，管道入口輸量為2 700萬t/a，管道沿途逐站分輸，依次向安慶、九江、武漢、荊門、長嶺5家煉化企業輸送原油，輸量逐步降低，輸油干線的管徑由D 864 mm逐段變小至D 406 mm。管道全線采用密閉輸送工藝，根據管輸原油物性，全線為加壓加熱輸送方式，共有和縣、無為、懷寧、黃梅、大冶、赤壁輸油站6座加壓熱泵站，干線輸油泵全部為德國魯爾公司生產的ZM型泵，共有39臺，該型號輸油泵是目前世界上技術先進、質量可靠、監測設施完善的多級重型離心泵，已廣泛應用于中石油、中石化長輸管道上，我公司魯寧管道、甬滬寧管道也大多采用該型號泵，為儀—長線的正常原油供應做出了很大貢獻。

由于輸送介質為原油，進口壓力高，并具有不同批次油品黏度變化大的特點，因而其密封技術難度大；目前使用的密封流程為API plan 11（Production recirculation from pump discharge to seal through a flow control orifice），從泵出口引流經節流孔板后對密封腔進行沖洗，形成一個密封循環冷卻系統。使用介質為原油 （含雜質），溫度40~60℃，壓力＜10 MPa，轉速2 950 r/min。

密封裝置結構見圖1。

2 故障現象及分析

2.1 機械密封的損壞

自2008年年底以來，該泵已接連出現幾起機械密封嚴重失效必須進行更換的情況，將進口密封裝置解體后發現有下列嚴重損壞現象：

（1）動靜環結焦嚴重。

（2）靜環偶有碎裂。

（3）靜環密封O形圈偶有斷裂。

2.2 故障分析

針對以上現象我們組織技術力量對其進行分析，認為：對于高壓機械密封裝置，其端面比壓的選擇是設計成敗的重中之重，如果比壓過高，端面間摩擦劇烈，產生大量的摩擦熱，會造成原油輕烴組分的汽化，端面液膜不易形成，動靜環間呈現氣液兩相狀態，會使端面間組份產生炭化；如果比壓過低，高壓下輕烴組分的滲透性很強，形成液膜過厚，易產生泄漏。根據失效現象和靜環尺寸，我們初步判斷為載荷系數設計過大，造成高壓下端面比壓過大。正確的設計載荷系數是端面間形成合適的液膜厚度且不發生泄漏的有效方法，但是這需要大量的試驗來驗證，不適合解決目前的問題。為此，采用了現在比較先進的強制潤滑型密封端面的設計，又稱流體動壓式密封設計：在不改變現有密封載荷系數的情況下，采取措施改變端面的摩擦狀態，變氣液兩相為全液相。這樣做的好處是，現場運行風險小，能起到立竿見影的效果。具體措施是在靜環端面上開月牙狀動壓槽 （見圖2）。

當密封環旋轉時，動壓槽能使液體強制性地進入端面進行冷卻，在密封環的初始表面上形成與槽數相等的流體動力楔和高壓區，由于切向流和壓力降，在每一個槽后形成慧尾狀的潤滑楔。隨著密封面上載荷和滑動速度r的增加，摩擦系數反而減小（見圖3~4）。

在密封區1上為純液相摩擦，在密封區2上為邊界摩擦。流體動力效應將在端面間形成0.2~1.5 μm的縫隙，此時泄漏量極小。在載荷系數不變的情況下，動壓槽的存在提高了液膜反壓系數，但同時端面作用的有效面積減小，端面比壓保持不變。

原密封補償環碎裂，而且碎裂得十分有規律，在O形圈接觸面左側，環面碎裂為3~4塊，而接觸面右側，環面保持完整。對此，我們利用進口密封環尺寸數據建模進行了有限元分析，結果發現在密封結構運行一段時間后，靜環的熱變形如圖5（a），而靜環的壓力變形如圖5（b）所示，兩個相反的變形方向導致其變形的支點恰恰就是O形圈接觸環帶，這說明靜環在熱變形過程中，當變形達到一定量時，在O形圈槽部位受到阻礙，產生巨大內應力導致破裂；而在靜環尾部由于溫度低，變形量小而保持完整。

在分析進口機械密封失效現象時，也總結出了其設計上的成功之處：

（1）一般國內高壓密封的設計通常采用動環補償式，旋轉部件多，易產生動不平衡問題；而在我們這樣的高壓工況下，國外密封采用靜止式設計，旋轉部件少，而且彈簧不與介質接觸，管道中的雜質對彈簧沒有阻塞作用，這對水聯運以來管道雜質多的情況非常有效。

（2）國內在設計靜環防轉結構時通常采用固定銷防轉，銷與防轉槽之間為線接觸，在高壓啟動泵時，巨大的扭矩往往將靜環尾部防轉銷凹槽打碎，造成靜環破裂；而國外在靜環的防轉上采用了新穎的防轉措施，在這種活動防轉銷的設計中，銷與防轉槽之間為面接觸，有效地減少了大扭矩啟動時銷與槽之間的撞擊力。經我們觀察，未發生一例靜環尾部碎裂現象。

（3）同樣尺寸的密封結構，國外設計時其彈簧數量比國內設計的多一倍，最多達到31個彈簧，而且是奇數。經我們仔細分析，彈簧數量多可提高圓周上彈簧力的均勻性，奇數彈簧設計只是為了避開背部冷孔而少加工了一個彈簧孔。

3 總體改造方案

（1）調整布水環孔分布角度，避開沖洗孔。

（2）采用流體動壓式密封端面設計。

（3）采用靜止式密封補償環設計。

（4）采用大數量彈簧加載。

（5）靜環采用活動防轉銷防轉結構。

（6）將載荷系數保持在 0.72，反壓系數取0.65。

（7）將動靜環的高寬比適當加大，減小壓力變形。

（8）動靜環材質采用國外常壓燒結，以增大動靜環間抗燒蝕能力。

4 密封設計計算 （見圖6）

（1）設計參數如下：

靜環端面外徑D2：123.5 mm

靜環端面內徑D1：111.5 mm

靜環O形圈內徑de：115 mm

介質壓力P：9 MPa

每套密封彈簧數n：31件

彈簧剛度Kq：2.6 N/mm

設計壓縮量h：4 mm

反壓系數λ：0.65

設計載荷系數K：0.72

（2）彈簧比壓Ps的計算式：

根據結構參數，計算得Ps=0.145 MPa

（3）載荷系數K由下式計算：

計算得K=0.72

（3）端面比壓Pb的計算式為：

Pb=Ps+P （K-λ）

計算得Pb=0.775 MPa，在正常范圍內。

5 結束語

經過我們的匹配性研究設計和試用，改進后的密封裝置在2008年10月裝機一直正常運行至今，壽命已超過進口產品，徹底消除了主輸泵密封裝置的泄漏隱患，而且價格僅僅是進口機械密封裝置的1/3，取得很大的經濟效益，也為其他高壓油泵密封裝置的設計提供了寶貴的借鑒意義。

[1]楊筱蘅.輸油管道設計與管理[M].東營：中國石油大學出版社，2006.

[2]張誠.原油管道運行技術[M].北京：石油工業出版社，2009.

[3]蒲家寧.管道水擊分析與控制[M].北京：機械工業出版社，1991.

[4]范才明.管道輸油泵機械密封非正常損壞的預防措施[J].管道儲運，2008，（11）：60-61.

Study of Mechanical Seal Matching Performance of Oil Pumps Used in Yizhen-Changling Crude Oil Pipeline

XING Shi-ping（Yi-Chang Oil Transportation Department of SINOPEC Pipeline Storage and Transportation Company,Wuhan 430077,China），CHEN Bin,YU Zhi-fang

Based on the reason analysis of mechanical seal damage and failure in the imported main crude oil pump and the study of foreign successful mechanical seal design,the matching research and reformation of the mechanical seals were carried out.In the condition of keeping original seal load coefficient,the measures were taken to alter seal face friction state and change gas-liquid phase into all liquid phase.Consequently,potential leakage trouble in the main crude oil pump was eliminated thoroughly and significant economic benefit was gained.

main oil pump;mechanical seal;matching study;leakage;all liquid phase

TE974.1

B

1001－2206（2011）04－0098－03

邢世平 （1971-），男，河北邢臺人，工程師，1992年畢業于承德石油高等技術?？茖W校自動化專業，主要從事輸油設備運行、維護等工作。

2010-08-11；

2011-06-17