機械密封技術的改進與應用

畢新忠，杜國棟，張建國，畢鈺朋

（勝利油田分公司樁西采油廠，山東東營 257237）

1 機械密封技術改進背景

（1）油田生產工藝。油井產出液經泵加壓進入油田管網輸送系統。因此，泵是油田生產的動力系統。離心泵以其結構簡單、維修方便的特點在油田生產中廣泛應用。近年來，機械密封的日益成熟，具有密封效果好（零泄漏）使用壽命長、對軸磨損小、摩擦功耗低等特點，已經逐步代替填料密封廣泛應用于各類泵的密封。

（2）機械密封在油田應用狀況調查。樁西采油廠管理的130臺離心泵全部采用機械密封。通過調查，相同型號機械密封在凈化后油液輸送泵使用壽命為2～3 年，采出液提升泵機械密封使用壽命平均1 年左右，從而發現工藝狀況、輸送介質的變化嚴重影響離心泵機械密封的使用壽命。

（3）結合機械密封原理分析損壞原因。機械密封結構原理：由端面密封副、補償機構、輔助密封圈和傳動機構等4 部分組成。動環與靜環端面與軸面垂直安裝，運行過程中動環和靜環之間緊密貼合并相對運動，密封端面之間形成極為微小的間隙，壓力介質通過該間隙時形成極薄的液膜并產生阻力，有效防止介質發生泄漏，而且液膜還能保證端面具有較好的潤滑性，從而達到長期密封的效果。

（4）機械密封損壞調查分析。從生產工況對機械密封損壞進行分析，排查了機械密封質量、選項、安裝、振動等因素后，確定油田在用機械密封損壞的主要原因是工作現場的復雜性導致密封損壞。離心泵出現氣蝕導致機封損壞頻次占30%，水質懸浮在含量>300 mg/L 時，機械密封使用壽命明顯縮短，約占密封損壞的50%。例如，樁106 沉降池提升泵機械密封平均使用壽命6 個月。因此，改進工藝、設備的運行狀態是解決機械密封損壞的重點。

2 機械密封技術改進內容

2.1 研發專用排氣裝置，消除泵氣蝕現象

2.1.1 離心泵氣蝕原因分析

（1）從生產工藝分析離心泵氣蝕原因。油田采出液首先進行氣液分離處理再進行輸送，但受工藝、設備等因素影響，氣液無法分離徹底，特別是介質經過幾十米甚至更長的管道輸送再進入泵的過程，也是氣、液在管道中再次分離的過程。分離出來的氣體在密度差的作用下在流程高端或管線頂部聚集，隨著氣團體積的逐漸增大，在介質黏度、壓力作用下一旦進入泵內則造成泵氣蝕。

（2）從離心泵工作原理分析氣蝕原因。離心泵葉輪旋轉對流體做功，受離心力作用，液體由葉輪中心被拋向外圍，順著蝸殼形通道逐漸擴大的方向流動。液體吸上過程中會在葉輪中心形成低壓，當葉片入口附近的最低壓強≤輸送溫度下液體的飽和蒸汽壓時，液體將在該處氣化并產生氣泡，占據液體流到的部分空間，導致泵氣蝕。因此，時時排除離心泵內部氣體是保障離心泵高效運轉的有效措施。

2.1.2 專用自動排氣裝置結構組成

專用自動排氣裝置由微型氣液分離器、過濾器和排氣閥組成。

2.1.3 流程管線排氣防氣蝕部分（圖1）

流程管線排氣防氣蝕部分由流程管網和自動排氣裝置組成。調查儲液罐到泵之間流程，確定氣體聚集點，并于管線頂部開孔連接排氣管線。氣液經排氣管線進入過濾器去除雜質，再次進入微型分離器進行二次氣液分離，分離后氣液再進入排氣閥并逐步在閥腔頂部聚集。隨著閥內氣體的增加，腔內液位下降，浮筒隨水位一起下降，打開排氣口排氣。氣體排盡后，液位上升，浮筒也隨之上升，關閉排氣口。以上過程周而復始，可有效防止離心泵氣蝕。

圖1 自動排氣裝置

2.1.4 離心泵頂端分離自動排氣部分

離心泵頂端分離自動排氣部分由連接管線、離心泵本體、排氣裝置組成。離心泵運轉過程也是介質在壓力變化作用下氣液分離再融合的過程。離心泵殼內部形成了密封腔體，融合于一體的氣液混合介質經過濾器過濾進入液氣分離器，分離出氣體經排氣閥排出，避免離心泵運轉過程中出現氣蝕現象，保障了泵內液體的充滿度，提高了離心泵泵效率。

2.2 改進機械密封，設計自清洗技術

2.2.1 介質對機械密封損壞的原因分析

油田產出液及離心泵輸送介質復雜，含有泥沙、不溶的無機鹽、酸或堿、膠狀物、脂肪渣和纖維等。輸送過程中雜質進入密封腔內造成機械密封快速磨蝕損壞，而且，介質中固體顆粒越硬，棱角越尖，顆粒越細，其危害性越大。同時，機械密封工作過程中，由于密封端面之間的相互摩擦和機械密封旋轉構件對液體的攪拌作用，產生大量的熱量，如果不及時帶走這些熱量，會使密封端面溫度升高導致密封失效。介質中的二次生成物、膠狀物和纖維一旦附著、集聚在機械密封表層堵塞潤滑通道，則會造成機械密封損壞。

2.2.2 機械密封改進的重點和要求

機械密封改進的目的：對機械動、靜環接觸面及密封腔形成持續的沖洗，同時，不影響離心泵腔內液體在葉輪離心力作用下的旋轉，以便利用葉輪的離心力作用排除大量的固體沉淀物，保障密封與密封腔內徑之間足夠間隙，循環液有自由流動的通道，降低密封摩擦副的摩擦熱并帶走密封端面的雜質，盡可能延長機械密封的穩定運行周期。

2.2.3 機械密封技術改造

（1）機械密封本體的改造。油田在用機械密封采用離心泵內部循環自清洗技術，主要是通過泵內高速旋轉的液體實現沖刷，清理掉集聚在機械密封表層和密封腔內的雜質，同時實現對機封降溫（圖2）。其機封沖洗孔設計在機封靜環外側，沖洗液無法進入密封腔和動、靜環之間，也就是通過清洗液可以實現對機封降溫，但無法沖洗雜質。因此，凈化后油液輸送泵內介質經過分離器、沉降罐、過濾器的多級處理，輸送介質內無雜質不會造成機封損壞，機封使用壽命2～3 年，而采出液提升泵輸送介質性質復雜，機械密封使用壽命平均1 年左右，樁106 沉降池提升泵機械密封平均使用壽命6 個月。

（2）機械密封本體改造方案（圖3）。將傳統機械密封進液沖洗孔由外端改為中間位置，出液沖洗孔由密封圈外側改為密封圈內側，使沖洗液不受靜環密封圈阻止可直接持續沖洗靜、動結合面；及時將附著在機封表層的雜質沖掉，保障密封腔內清潔，動、靜環之間形成穩定的潤滑膜，從而保障機械密封使用效果。

圖2 改造前機械密封沖洗技術

圖3 密封本體改造

（3）輔助沖洗流程改造（圖4）。設計針對機械密封腔室、動、靜環的專用沖洗流程。沖刷液的流量應保證沖洗顆粒的同時還需帶走機封運行產生的熱量，而且不會產生對密封件的沖蝕。為此，需控制密封腔的壓力和沖刷流速，一般清潔沖刷液的流速應<5 m/s，含有顆粒的漿狀液體須<3 m/s，沖刷液入口設置在密封端面四周，且靠近動環側。

通過調查，結合油田離心泵工作環境特點（無壓力合適的清潔水源），決定采用泵出口干線介質作為機械密封輔助清洗介質，離心泵正常運行過程中干線中的介質經輔助沖洗流程進入機械密封腔時時清洗機械密封動靜環。同時，結合泵出口流程特點，將回流沖洗管線從單流閥內端改造到單流閥外端，離心泵即使出現故障不打液，也能實現對機械密封的時時清洗、降溫。同時，在輔助流程中安裝調節控制閥，規定每次啟泵前首先打開回流閥并盤泵3～5 圈，待輔助潤滑液正常循環后方可啟泵；每次停泵后3 min 才能關閉機封輔助清洗液，保障機封良好降溫。

圖4 輔助沖洗流程改造

3 改造效果

3.1 現場應用

（1）該技術在樁西采油廠130 臺離心泵進行推廣應用，在離心泵來液管線氣體聚集部位頂部和離心泵本體安裝排氣裝置，實現離心泵時時自動排氣，解決了泵氣蝕的問題。

（2）消除了離心泵外輸壓力波動現象，提高了泵運行質量，平均提高泵效2%。在聯合站250DL-240-80×3 離心泵安裝應用，振幅降低，提升了機泵管理水平。

（3）對機械密封自清洗流程和沖洗位置進行改進，利用干線介質時時對機械密封靜、動結合面進行沖洗清理，避免雜質聚集造成的密封面磨損，同時消除了泵無流量時機械密封出現干磨損壞的現象。

3.2 經濟效益

（1）改造后，采油廠泵類機械密封使用壽命平均達到2 年以上，2019 年減少更換密封84 副，按每套密封0.35 萬元計，年節省費用28.56 萬元。

（2）平均提高泵效2%，按平均單泵運行費用800 元/天計，單泵年增加效益0.58 萬元。

（3）在現場應用130 臺次，年合計創效103.96 萬元。

3.3 社會效益

（1）自動排氣代替人工排氣操作，降低了員工的勞動強度，提升了泵站管理水平。

（2）改人工憑經驗判斷離心泵有無氣蝕現象再排氣為自動時時排氣，避免離心泵氣蝕，提高泵效。

（3）該技術的研發應用，延長了離心泵使用壽命，節省成本，且消除了干線壓力波動，提高了集輸系統的平穩外輸質量。