海上油田混輸泵用雙端面機(jī)械密封失效分析及研究方向

摘 要：某海上油田兩臺混輸螺桿泵在上游平臺增產(chǎn)后隨之提速，而后泵用雙端面機(jī)械密封開始頻繁出現(xiàn)泄漏失效等問題。通過大量拆解故障機(jī)械密封發(fā)現(xiàn)，失效的機(jī)械密封存在以下問題：介質(zhì)側(cè)摩擦副崩邊或碎裂，大氣側(cè)摩擦副結(jié)焦、積碳、磨損以及碎裂，傳動(dòng)螺釘脫落、變形或斷裂，防轉(zhuǎn)銷偏磨，補(bǔ)償彈簧斷裂，骨架密封燒熔等。通過探究密封失效原因，提出混輸泵供液流程優(yōu)化、機(jī)械密封結(jié)構(gòu)及材質(zhì)優(yōu)化升級、密封油工藝流程優(yōu)化等解決措施，最終達(dá)到延長機(jī)械密封使用壽命和保持混輸泵穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。

關(guān)鍵詞：螺桿泵；雙端面機(jī)械密封；摩擦副；防轉(zhuǎn)銷；傳動(dòng)螺釘；失效分析

1 " 背景

某海上油田采用兩臺進(jìn)口油、氣、水混輸螺桿泵，一用一備，進(jìn)口壓力為1 100 kPa，出口壓力為3 200 kPa，工作轉(zhuǎn)速不超過3 000 r/min。軸端密封采用4套同型號雙端面機(jī)械密封，均位于兩只螺桿低壓側(cè)[1]。采用Plan 54外置強(qiáng)制沖洗方式，冷卻介質(zhì)為殼牌得力士46號潤滑油。密封油沖洗壓力為1 700～2 100 kPa，介質(zhì)側(cè)摩擦副壓差為600～1 000 kPa，大氣側(cè)摩擦副壓差為1 700～2 100 kPa。

雙端面機(jī)械密封的兩對摩擦副結(jié)構(gòu)基本一致（介質(zhì)側(cè)靜環(huán)端面內(nèi)側(cè)設(shè)置對稱圓弧槽，大氣側(cè)靜環(huán)為平端面），即采用平衡型、多彈簧、銷釘傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)受泵腔尺寸限制整體比較緊湊，兩套靜環(huán)采用徑向偏心結(jié)構(gòu)式，靜環(huán)座介質(zhì)側(cè)帶導(dǎo)流套，主要目的是局部增大沖洗液過流截面，充分沖洗、潤滑、冷卻兩摩擦副。大氣側(cè)的骨架密封為輔助密封，可以防止泄漏介質(zhì)竄入軸承箱。兩對摩擦副均為碳化硅材質(zhì)，介質(zhì)側(cè)O形圈為全氟橡膠，大氣側(cè)密封件為氟橡膠，其他金屬結(jié)構(gòu)部件均為316不銹鋼。

2019年年底，因上游平臺增產(chǎn)提液，已低速平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)3年的混輸泵開展了解體大修并隨之提速，而后混輸泵的機(jī)械密封故障率急劇上升。每套機(jī)械密封的使用壽命由低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的3年左右縮短至平均不到5個(gè)月，甚至出現(xiàn)個(gè)別不足2個(gè)月的情況。混輸泵頻繁故障，一方面影響上游平臺平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，另一方面大量消耗油田有限的資源，機(jī)械密封優(yōu)化改造亟待開展。

2 " 機(jī)械密封頻繁失效根源分析

2.1 "上游工況波動(dòng)造成的機(jī)械密封失效

與2019年相比，2021年油田混輸泵的外輸液量增加了35.3萬m3左右，氣量增加了71.39萬m3，平均轉(zhuǎn)速由2019年的1 650～2 000 r/min增加至2021年的2 300～2 600 r/min，即平均轉(zhuǎn)速增加600 r/min左右。近期1臺混輸泵機(jī)械密封在泄漏前受段塞流的影響（同等條件下，氣液比越大，混輸泵轉(zhuǎn)速越快），轉(zhuǎn)速出現(xiàn)大幅波動(dòng)，最快達(dá)到2 910 r/min。原因是當(dāng)日上游平臺調(diào)整一口高含氣井的產(chǎn)量，混輸泵轉(zhuǎn)速突然加快，引起機(jī)械密封失效滲漏。

綜上可知，在其他條件不變的情況下，上游工況的波動(dòng)對混輸泵機(jī)械密封的使用壽命影響巨大，尤其是短時(shí)間內(nèi)大量段塞流進(jìn)入泵組，在混輸泵持續(xù)加速階段，機(jī)械密封失效的可能性直線上升。

2.2 "機(jī)械密封自身結(jié)構(gòu)造成的機(jī)械密封失效

結(jié)合現(xiàn)場解體11套混輸泵機(jī)械密封（包括7套故障及4套大修更換但打壓合格）的排查情況以及4套送修機(jī)械密封的檢修報(bào)告，機(jī)械密封各部件故障統(tǒng)計(jì)如表1所示。

2.2.1 "摩擦副端面磨損、崩邊或碎裂失效原因分析

（1）介質(zhì)側(cè)與大氣側(cè)摩擦副的散熱效果不一樣。介質(zhì)側(cè)摩擦副額外增加導(dǎo)流套進(jìn)行沖洗液的引流，同時(shí)在靜環(huán)端面內(nèi)側(cè)設(shè)置對稱圓弧槽，減小摩擦面積，降低摩擦副之間的摩擦熱量。另外，相比于高溫空氣，密封介質(zhì)的冷卻效果更好。由于大氣側(cè)摩擦副的結(jié)構(gòu)原因，沖洗液在大氣側(cè)局部出現(xiàn)旋渦。同時(shí)，沖洗液由介質(zhì)側(cè)流動(dòng)至大氣側(cè)經(jīng)過一定換熱，沖洗液溫度必然升高，摩擦副散熱效果欠佳，出現(xiàn)摩擦副磨損、結(jié)焦以及積碳的情況。兩側(cè)摩擦副散熱措施對比如表2所示。

（2）介質(zhì)側(cè)和大氣側(cè)摩擦副端面均呈現(xiàn)出不同程度的擴(kuò)散形截面；因大氣側(cè)密封承受的工作壓差較大且無增強(qiáng)換熱的結(jié)構(gòu)和措施，在摩擦熱和流體作用力的耦合作用下，大氣側(cè)密封環(huán)端面呈現(xiàn)的擴(kuò)散形截面相較于介質(zhì)側(cè)更大。擴(kuò)散形密封端面容易出現(xiàn)磨損，并且易造成密封運(yùn)行不穩(wěn)定。

（3）由于密封介質(zhì)為油、氣、水三相混合物，加之上游產(chǎn)氣量較多，容易形成段塞流，產(chǎn)生氣堵和激蕩，對機(jī)械密封造成沖擊，而摩擦副均采用脆性碳化硅材料，介質(zhì)側(cè)密封環(huán)直接受到工作介質(zhì)的影響，容易在外力作用下破裂或碎裂，造成密封環(huán)失效。

（4）因受綜合外力作用，方頭防轉(zhuǎn)銷發(fā)生扭轉(zhuǎn)后，與密封環(huán)防轉(zhuǎn)銷槽側(cè)面呈點(diǎn)或線接觸，存在應(yīng)力集中，在靜環(huán)不斷軸向伸縮補(bǔ)償和徑向蠕動(dòng)時(shí)，致使防轉(zhuǎn)銷受到不同程度的磨損，也容易致使密封環(huán)碎裂；同時(shí)，防轉(zhuǎn)銷與密封環(huán)防轉(zhuǎn)銷槽的槽底發(fā)生剛性接觸，易導(dǎo)致密封環(huán)尾部崩邊和碎裂。

2.2.2 "防轉(zhuǎn)銷偏磨或斷裂失效原因分析

（1）防轉(zhuǎn)銷為上方體、下圓柱的結(jié)構(gòu)，在安裝時(shí)難以保證其方體端面與摩擦副凹槽形成面接觸，更多的是以線接觸為主；（2）因結(jié)構(gòu)緊湊，靜環(huán)采用偏心結(jié)構(gòu)，難以保證與兩顆防轉(zhuǎn)銷同時(shí)接觸；（3）防轉(zhuǎn)銷材質(zhì)為316 L不銹鋼，硬度偏軟。在摩擦副的軸向摩擦力和徑向剪切力作用下，表面金屬被逐步剪切導(dǎo)致磨損。

2.2.3 "傳動(dòng)螺釘脫落、變形或斷裂原因分析

（1）傳動(dòng)螺釘規(guī)格為M5×12 mm普通內(nèi)六角圓柱螺釘，材質(zhì)為316 L不銹鋼，整體直徑小且材質(zhì)偏軟。底部與軸套接觸傳動(dòng)部位通過車削加工而成，而非標(biāo)準(zhǔn)件，車削是發(fā)生變形和斷裂的集中部位；（2）因傳動(dòng)座的結(jié)構(gòu)尺寸有限和所選傳動(dòng)螺釘?shù)姆N類，二者旋合長度僅為6 mm左右；（3）在交變載荷和海水的腐蝕作用下，傳動(dòng)螺釘易發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。

2.2.4 "補(bǔ)償彈簧變形或斷裂失效原因分析

靜環(huán)防轉(zhuǎn)銷凹槽出現(xiàn)崩邊后與嚴(yán)重磨損的防轉(zhuǎn)銷側(cè)的間隙會增大，靜環(huán)與補(bǔ)償彈簧在混輸泵加減速時(shí)存在相對位移，補(bǔ)償彈簧因長期扭力疲勞而逐步斷裂。一旦防轉(zhuǎn)銷斷裂，靜環(huán)在摩擦力的作用下沿徑向旋轉(zhuǎn)，補(bǔ)償彈簧會全部碎裂。

2.2.5 "骨架密封燒熔失效原因分析

（1）大氣側(cè)摩擦副摩擦產(chǎn)生的高溫通過軸套傳遞給骨架密封，造成骨架密封唇部高溫；（2）骨架密封本身與軸套為接觸式動(dòng)密封，高速旋轉(zhuǎn)同樣會摩擦發(fā)熱；（3）骨架密封作為防止介質(zhì)竄入軸承箱的輔助密封，正常情況下幾乎沒有潤滑[2]。

2.3 "密封油系統(tǒng)壓力高造成的機(jī)械密封失效

（1）受溫度和黏度的影響，密封油系統(tǒng)壓力大。機(jī)械密封冷卻潤滑用密封油系統(tǒng)受溫度和黏度的影響（密封油箱溫度波動(dòng)范圍在38～52 ℃），壓力波動(dòng)在200～300 kPa，同時(shí)為了保證密封油壓力與混輸泵進(jìn)口壓差在150 kPa以上，實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)介質(zhì)側(cè)摩擦副壓差長期保持在600～1 000 kPa。 "（2）壓差控制閥（Pressure Differential Control Valve，PDCV）選型錯(cuò)誤，不具備調(diào)節(jié)功能，導(dǎo)致密封油系統(tǒng)壓力大。混輸泵密封油系統(tǒng)中設(shè)置了PDCV閥，其功能如下：控制密封油壓力和流量；將密封油系統(tǒng)壓力與混輸泵進(jìn)口壓力進(jìn)行對比，防止密封介質(zhì)竄入密封油系統(tǒng)影響報(bào)警關(guān)停功能。在拆解確認(rèn)PDCV閥本身無故障的情況下，實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)該P(yáng)DCV閥一直保持常開狀態(tài)，不具備應(yīng)有的壓力調(diào)節(jié)功能。通過手動(dòng)打壓測試確認(rèn)其開啟壓力最大僅有150 kPa，不符合原本要求的0～1 000 kPa調(diào)壓范圍，系選型錯(cuò)誤，所選型號壓力調(diào)節(jié)范圍偏小，不能有效消除溫度和黏度對密封油系統(tǒng)造成的壓力波動(dòng)影響。根據(jù)機(jī)械密封說明書，建議密封油壓力與密封介質(zhì)的壓差保持在200～300 kPa，而實(shí)際機(jī)械密封介質(zhì)側(cè)承受的壓差為600～1 000 kPa。轉(zhuǎn)速較慢時(shí)，壓差大的影響并不明顯。但在高轉(zhuǎn)速下以及頻繁大幅加速的瞬時(shí)狀態(tài)下，摩擦副之間的潤滑半徑會逐漸縮小，摩擦副外側(cè)會出現(xiàn)干摩擦的情況，摩擦副之間的PV值（被密封介質(zhì)壓力與端面平均周速的乘積）在高壓差下極易造成摩擦副失效[3]。

3 " 機(jī)械密封改進(jìn)的方向

3.1 "減少段塞流，消除工況波動(dòng)造成的機(jī)械密封失效

針對段塞流的舉措如下：（1）改造現(xiàn)有混輸泵進(jìn)液流程，將其他油田過站海管的部分液體分流，與現(xiàn)有外輸介質(zhì)混合，一方面可保證進(jìn)入混輸泵的外輸介質(zhì)氣液比恒定，另一方面可保持混輸泵轉(zhuǎn)速恒定，避免轉(zhuǎn)速大幅波動(dòng)。（2）上游需控制輸送介質(zhì)的氣液比，保持恒定，避免大幅波動(dòng)形成段塞流。上游工況大幅調(diào)整前及時(shí)通知下游，下游做好有針對性的監(jiān)控。

3.2 "機(jī)械密封自身結(jié)構(gòu)改造升級，降低機(jī)械密封失效的概率

3.2.1 "升級摩擦副動(dòng)環(huán)材質(zhì)

介質(zhì)側(cè)摩擦副主要承受密封介質(zhì)造成的沖擊和振動(dòng)，大氣側(cè)摩擦副主要受散熱不良的影響。針對上述問題，計(jì)劃將兩動(dòng)環(huán)材質(zhì)由碳化硅升級為耐腐蝕的硬質(zhì)合金，靜環(huán)結(jié)構(gòu)和材質(zhì)保持不變。優(yōu)點(diǎn)如下：（1）相較于碳化硅，硬質(zhì)合金的硬度和耐磨性明顯提升，在高速條件下，硬質(zhì)合金密封面不易變形和振動(dòng)，保持了端面的穩(wěn)定和配合，可有效減少摩擦副碎裂、高溫磨損等問題。（2）實(shí)現(xiàn)兩種不同材質(zhì)的摩擦副配對，可有效降低在短期加速階段或干摩擦情況下發(fā)生粘著磨損的概率，最終延長摩擦副的使用壽命。

3.2.2 "優(yōu)化防轉(zhuǎn)銷結(jié)構(gòu)及材質(zhì)

針對防轉(zhuǎn)銷的改造如下：（1）防轉(zhuǎn)銷的結(jié)構(gòu)由上正方體、下圓柱改為上下圓柱體，同時(shí)上下圓柱之間使用圓弧過渡，避免應(yīng)力集中。（2）防轉(zhuǎn)銷材質(zhì)由316 L不銹鋼升級為2205雙相不銹鋼材質(zhì)，提高其強(qiáng)度和硬度以及抗應(yīng)力腐蝕性能。改造前后形態(tài)如圖1所示。（3）優(yōu)化傳動(dòng)螺釘材質(zhì)、規(guī)格及傳動(dòng)方式，方案如下：首先，傳動(dòng)座上的沉孔螺紋改為M8的通孔直螺紋，傳動(dòng)螺釘與傳動(dòng)座的旋合長度增加至11 mm，同時(shí)配合安裝時(shí)涂抹螺紋緊固膠，可有效避免沖擊造成的振動(dòng)松脫；其次，傳動(dòng)螺釘由內(nèi)六角圓柱螺釘改為M8緊定螺釘，材質(zhì)由316 L不銹鋼升級為2205雙相不銹鋼材質(zhì)。其強(qiáng)度和硬度提升后，可避免傳動(dòng)螺釘變形和應(yīng)力腐蝕。改造前后結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 "防轉(zhuǎn)銷改造前后形態(tài)示意

3.3 "優(yōu)化密封油系統(tǒng)，消除系統(tǒng)壓力波動(dòng)

密封油優(yōu)化措施如下：（1）將PDCV閥更換為自力式調(diào)節(jié)閥，其壓力調(diào)節(jié)范圍要求在100～1 000 kPa，即依靠系統(tǒng)自身調(diào)節(jié)消除壓力波動(dòng)；（2）利用PDCV的密封油取壓點(diǎn)和混輸泵進(jìn)口取壓點(diǎn)，接壓差傳感器至中控系統(tǒng)，即通過軟件計(jì)算代替目前的硬件對比。同時(shí)，將混輸泵泄壓流程中手動(dòng)球閥更換為自動(dòng)控制的放氣閥（Blow Down Valve，BDV）。系統(tǒng)發(fā)生憋壓或機(jī)械密封泄露時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)停功能，消除密封介質(zhì)竄入密封油系統(tǒng)的可能性。上述舉措將有效消除密封油系統(tǒng)壓力波動(dòng)，保持密封油壓力穩(wěn)定。同時(shí)，在保證各機(jī)械密封沖洗量的前提下，進(jìn)一步將系統(tǒng)壓力降至1 300～1 400 kPa，即介質(zhì)側(cè)摩擦副壓差控制在200～300 kPa，確保機(jī)械密封在高轉(zhuǎn)速下摩擦副端面比壓滿足高轉(zhuǎn)速的工況。

4 " 結(jié)語

通過優(yōu)化改造混輸泵現(xiàn)有工藝流程消除工況波動(dòng)、升級改造雙端面機(jī)械密封結(jié)構(gòu)消除其自身設(shè)計(jì)缺陷以及改造密封油系統(tǒng)消除密封油壓力波動(dòng)3項(xiàng)改進(jìn)措施，可有效降低機(jī)械密封失效的頻次，保持混輸泵穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)并大幅減少后期的維修費(fèi)用。

[參考文獻(xiàn)]

[1]佘志剛，劉建芳，唐軍.螺桿壓縮機(jī)雙端面機(jī)械密封故障分析及改造[J].設(shè)備管理與維修，2019（14）：62-63.

[2]俞立.機(jī)械密封摩擦副材料的選用[C].上海：上海機(jī)械工程學(xué)會流體工廠峰會密封專業(yè)委員會“密封技術(shù)講習(xí)會”論文集，2012.

[3]姚秀敏，王曉潔，劉學(xué)建，等.碳化硅/碳化鎢硬面密封摩擦副的摩擦磨損性能和機(jī)理研究[J].無機(jī)材料學(xué)報(bào)，2019（6）：673-678.