離心式油泵密封失效和改進(jìn)措施研究

王龍

摘 要：本課題通過(guò)分析離心式油泵密封失效的主要表現(xiàn)及原因，圍繞設(shè)備材質(zhì)、釘孔位置、密封油等方面探究油泵密封優(yōu)化措施，防止空氣進(jìn)入離心泵，避免油污泄漏。當(dāng)密封過(guò)程面臨較高壓力時(shí)，能夠通過(guò)科學(xué)分配介質(zhì)的方式規(guī)劃壓力工作范圍和密封端面的前后壓差，優(yōu)化密封工況，增加端面密封壽命。

關(guān)鍵詞：離心式油泵;密封失效;螺旋密封

離心式油泵被廣泛應(yīng)用于油庫(kù)接卸、中轉(zhuǎn)、發(fā)油過(guò)程，其工作狀態(tài)與系統(tǒng)安全運(yùn)行密切相關(guān)。離心泵密封的核心是端面密封，可以避免空氣進(jìn)入。利用徑向密封的方式避免油料向泵與軸之間滲透，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。因此，有必要深入分析離心式油泵密封失效的原因，探究?jī)?yōu)化策略，提升系統(tǒng)工作效率。

1 離心式油泵密封失效表現(xiàn)及原因分析

本課題以Y型離心泵為例，其進(jìn)口壓強(qiáng)是0.1MPa，出口壓強(qiáng)在1.5-1.6MPa的范圍內(nèi)，屬于雙端面機(jī)械類密封模式[1]。靜環(huán)和動(dòng)環(huán)材料為硬質(zhì)合金，借助熱處理完成制作。設(shè)備使用條件如下：密封腔中水壓是0.1-0.15MPa，在其中使用冷卻水。試用期結(jié)束后發(fā)現(xiàn)離心泵出現(xiàn)發(fā)熱、振動(dòng)、噪音、滲漏問(wèn)題，在停機(jī)檢查過(guò)程中分析結(jié)果如下：①靜環(huán)和動(dòng)環(huán)的密封面存在燒結(jié)問(wèn)題，密封圈磨損甚至消失，出現(xiàn)縱向和橫向溝槽;②軸密封結(jié)構(gòu)損壞，軸套磨損變形。

發(fā)生離心油泵密封失效的原因包含以下三方面：首先，輕油粘度小、密度低、易揮發(fā)、閃點(diǎn)小、潤(rùn)滑度低。當(dāng)離心泵運(yùn)行時(shí)，由于密封腔內(nèi)壓力高于油壓，因此會(huì)產(chǎn)生外流密封效果。若烯烴和輕油物質(zhì)進(jìn)入摩擦面，由于其揮發(fā)性較強(qiáng)，無(wú)法構(gòu)成有效密封，導(dǎo)致端面形成干摩擦，使密封結(jié)構(gòu)受到損壞。其次，傳動(dòng)套的外徑和密封腔內(nèi)徑之差較低，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)傳動(dòng)套出現(xiàn)離心作用，導(dǎo)致冷卻水的流體阻力增加，水流量較低，使得冷卻效果不佳，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)熱。最后，離心泵入口位置壓力過(guò)大，使其內(nèi)部密封靜環(huán)逐漸向軸外側(cè)移動(dòng)，甚至隨動(dòng)環(huán)移動(dòng)旋轉(zhuǎn)，使密封圈不斷滑磨密封腔，進(jìn)而產(chǎn)生溝槽。

2 離心式油泵密封失效優(yōu)化途徑研究

2.1 優(yōu)化設(shè)備材質(zhì)

建議優(yōu)化離心油泵端面的封面材料，優(yōu)先選擇耐高溫、耐磨性良好的合金材質(zhì)。同時(shí)，借助雙端面或單側(cè)雙側(cè)平衡方式完成密封。靜環(huán)建議選擇石墨浸漬醛樹脂材料，而動(dòng)環(huán)則結(jié)合工作情況選擇合金鋼，確保密封腔工作壓強(qiáng)能夠大于5.0MPa，為后續(xù)內(nèi)流密封工作奠定基礎(chǔ)。降低端面摩擦系數(shù)，極大程度地減少設(shè)備摩擦熱和實(shí)際能耗。

2.2 調(diào)整釘孔位置

傳統(tǒng)機(jī)械密封工作中，傳動(dòng)螺釘主要位于動(dòng)環(huán)和彈簧外側(cè)，若離心泵壓強(qiáng)太大，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)環(huán)彈簧逐漸向外移動(dòng)，極易出現(xiàn)靜環(huán)脫槽情況，產(chǎn)生滲漏問(wèn)題。因此，需要將軸套傳動(dòng)槽移向內(nèi)側(cè)，調(diào)節(jié)密封安裝模式，限制靜環(huán)和動(dòng)環(huán)的移動(dòng)范圍。由于離心泵型號(hào)不同，其長(zhǎng)度和實(shí)際傳動(dòng)槽位置具有差異性，應(yīng)經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量確定。如果轉(zhuǎn)動(dòng)槽與內(nèi)側(cè)距離較低，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子在軸向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)增加軸向力，使密封結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞;如果該位置與外側(cè)距離較近，極易使靜環(huán)脫槽，因此需科學(xué)控制傳動(dòng)套上螺釘孔的實(shí)際位置。

2.3 調(diào)整密封腔與密封油

其一，建議增加密封腔內(nèi)徑，并將軸流葉片安裝在傳動(dòng)套上。離心泵在工作階段通常會(huì)形成摩擦熱，使得密封空間內(nèi)油體會(huì)出現(xiàn)對(duì)流循環(huán)，但由于軸徑向跳動(dòng)模式會(huì)抑制對(duì)流循環(huán)過(guò)程，使離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)階段對(duì)密封空間產(chǎn)生消極影響。因此，借助軸流葉片能夠形成軸向壓力，顯著提升設(shè)備冷卻效果。同時(shí)，若想科學(xué)控制葉片壓強(qiáng)，建議選擇合理的葉片結(jié)構(gòu)尺寸，將壓強(qiáng)控制在0.05-0.1MPa。其二，增加密封油實(shí)際壓力，實(shí)現(xiàn)內(nèi)流密封。內(nèi)流密封來(lái)源于葉輪背部實(shí)際壓力，離心泵正常工作不會(huì)出現(xiàn)絕對(duì)穩(wěn)定情況，導(dǎo)致壓強(qiáng)和流量出現(xiàn)變動(dòng)。其中內(nèi)部密封面的內(nèi)外壓力差異性較大，離心泵自身壓強(qiáng)高于密封腔壓強(qiáng)，無(wú)法構(gòu)成內(nèi)流密封模式。因此，通過(guò)增加葉輪背部壓力，借助管道構(gòu)建密封系統(tǒng)，形成內(nèi)流密封，確保密封液體壓強(qiáng)大于葉輪背部壓力。

2.4 構(gòu)建全新密封模式

第一，使油體由軸套外部和填料環(huán)內(nèi)側(cè)縫隙流入填料函。第二，油體由泵蓋和填料環(huán)外側(cè)縫隙流入填料函。其中，油料的主要來(lái)源是葉輪背部或吸入口，因此壓強(qiáng)較低，極易出現(xiàn)負(fù)壓情況。同時(shí)，進(jìn)油位置和壓蓋位置較遠(yuǎn)，當(dāng)油體借助多層填料完成密封后，壓強(qiáng)降低、密封作用增強(qiáng)。第三，通過(guò)油封使油體進(jìn)入填料函，在進(jìn)入空間時(shí)逐漸分成兩部分。一部分油體進(jìn)入葉輪，而另外一部分則沿著離心泵軸結(jié)構(gòu)從填料壓蓋位置流出。因此，以技術(shù)層面分析，若創(chuàng)新軸封技術(shù)，摒棄全油封模式對(duì)于降低滲漏問(wèn)題具有一定效果。創(chuàng)新油封結(jié)構(gòu)可以通過(guò)油體流動(dòng)形式，導(dǎo)出離心泵工作過(guò)程填料和軸套之間的摩擦熱量，減少軸承實(shí)際運(yùn)行溫度。借助油封環(huán)完成內(nèi)側(cè)填料，確保壓緊應(yīng)力的均勻分布。

2.5 安裝及運(yùn)行優(yōu)化要點(diǎn)

當(dāng)安裝端面密封時(shí)，需要結(jié)合設(shè)備規(guī)定安裝要求進(jìn)行，并注意以下要點(diǎn)：第一，確保裝配部件整潔干凈，如機(jī)器設(shè)備、密封零件、潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑脂、白布綢、棉紗、揩拭材料等，靜環(huán)和動(dòng)環(huán)的端面需借助紗布擦拭干凈。第二，當(dāng)密封結(jié)構(gòu)出現(xiàn)倒角時(shí)需要修整光滑，擦亮端蓋和軸位置。第三，安裝設(shè)備時(shí)，建議在輔助密封圈、靜環(huán)、動(dòng)環(huán)、端蓋等部分涂抹15號(hào)機(jī)油或者汽輪機(jī)油，降低摩擦力，避免輔助密封圈或靜環(huán)動(dòng)環(huán)密封端面受到磨損。第四，當(dāng)離心泵運(yùn)行階段出現(xiàn)少量滲漏，其原因可能是持續(xù)憋壓、抽空、環(huán)境溫度變化、端面臟污等情況，因此需要注意潤(rùn)滑、降低磨損、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。同時(shí)，在端面密封過(guò)程中應(yīng)提前檢測(cè)隔離液的實(shí)際冷卻溫度，若溫度異常需要及時(shí)解決。第五，反沖洗密封端面，向外傳導(dǎo)摩擦產(chǎn)生的雜質(zhì)和熱能，防止端面存在干摩擦問(wèn)題，避免對(duì)密封結(jié)構(gòu)造成損壞。第六，定期檢查輔助系統(tǒng)的實(shí)際工作情況，確保隔離液系統(tǒng)的壓力和液位滿足需求，提升密封效果。如果密封腔的壓力減少，應(yīng)借助補(bǔ)液泵在系統(tǒng)內(nèi)灌輸密封液，且注意液位，當(dāng)油位降低及時(shí)補(bǔ)充。

2.6 優(yōu)化螺旋密封模式

2.6.1 實(shí)現(xiàn)螺旋密封

建議在離心泵的填料函軸套位置增加螺紋，如管螺紋、梯形螺紋，形狀為鋸齒形或梯形齒，注意泵體和外螺紋的間隔距離應(yīng)盡可能小。離心泵工作過(guò)程中軸套和泵體間存在密封性，若軸套和軸高速旋轉(zhuǎn)，螺紋位置會(huì)對(duì)其上部液體施加摩擦力，增加離心泵內(nèi)流動(dòng)情況，提高壓強(qiáng)。若油料粘度較高或轉(zhuǎn)速較大，則會(huì)導(dǎo)致水平力增加。如果螺紋端長(zhǎng)度一定，則液體壓強(qiáng)與泵中密封油壓強(qiáng)相互平衡，內(nèi)部油料無(wú)法泄漏，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡密封。因此，螺旋密封模式在轉(zhuǎn)速不同的情況下，其形成的密封作用具有差異性。若離心泵轉(zhuǎn)速較小，密封腔中壓強(qiáng)大于螺紋流體反壓，其壓差流也超過(guò)螺紋所產(chǎn)生的反輸流，進(jìn)而出現(xiàn)液體外泄情況。但如果轉(zhuǎn)速提升至某一范圍，會(huì)將氣體吸入油料內(nèi)，導(dǎo)致油體出現(xiàn)氣泡，影響氣液結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。若轉(zhuǎn)速持續(xù)上升，容易使密封液自低壓位置泄漏，因此需要進(jìn)行以下優(yōu)化措施：選擇三角齒、梯形齒螺旋結(jié)構(gòu)，防止出現(xiàn)漩渦吸入氣體。同時(shí)，針對(duì)粘度較高的油料，建議借助深螺槽開展工作，減少螺旋密封空間的偏心度。增加未浸液螺紋結(jié)構(gòu)的實(shí)際長(zhǎng)度，延長(zhǎng)密封失效時(shí)間。并在螺桿的端口位置增加縫隙，避免氣液界面失穩(wěn)。

2.6.2 提升密封壓力

螺旋密封模式的優(yōu)勢(shì)在于離心泵和軸套之間無(wú)磨損和摩擦，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量損耗少，對(duì)于密封構(gòu)件要求較低，材料選擇范圍大。不過(guò)密封壓力通常低于1.0MPa，其密封性能和螺旋套加工精度、離心泵軸安裝質(zhì)量、工差配合等方面息息相關(guān)。此模式屬于動(dòng)態(tài)密封，如果設(shè)備停止工作將導(dǎo)致其失去密封作用。因此，建議增加軸密封結(jié)構(gòu)，在螺旋軸套外部設(shè)置螺旋結(jié)構(gòu)，其可以廣泛應(yīng)用于填料軸封部分。而對(duì)于單吸模式離心泵，建議在填料函密封套內(nèi)圓周上增加矩形帶螺紋結(jié)構(gòu)，提升密封效果。

3 結(jié)論

離心油泵密封性對(duì)于油田開發(fā)工作至關(guān)重要，因此有必要優(yōu)化設(shè)備材質(zhì)和安裝位置，提升密封油和密封腔結(jié)構(gòu)的科學(xué)性，靈活選擇密封方式提高離心油泵工作效率。加強(qiáng)石油開發(fā)作業(yè)的安全性，提升事故安全性。加強(qiáng)離心泵密封性，確保其在運(yùn)行階段無(wú)油污滲漏、無(wú)過(guò)度損耗，避免環(huán)境污染、節(jié)省工作成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]張治恒.雙端面機(jī)械密封在離心原油泵上的應(yīng)用[J].設(shè)備管理與維修，2020（08）：106-107.