高含硫氣田延長貧液泵機(jī)械密封壽命研究

潘向東* 郝崇志 鄧信文 林萬洲 吳峰池 羅永輝

（1.中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司 2.四川寶石花鑫盛油氣運(yùn)營服務(wù)有限公司）

0 引言

高含硫氣田脫酸方法總體上可分為溶劑吸收法、膜分離法和變壓吸附法3 類，其中常用的溶劑吸收法有醇胺法、熱鉀堿法及砜胺等[1-2]。貧液砜胺溶液泵是天然氣砜胺法脫硫凈化裝置的核心轉(zhuǎn)動設(shè)備[3]。

貧液液砜胺溶液泵簡稱貧液泵。該泵為水平剖分雙支撐自平衡十級離心泵，因此每臺泵有2 套雙端面機(jī)械密封，3 列裝置中的6 臺泵共有12 套雙端面機(jī)械密封。在泵改造后，機(jī)械密封泄漏比較頻繁[4]。

根據(jù)現(xiàn)場的故障現(xiàn)象以及機(jī)械密封供應(yīng)商提供的現(xiàn)場報告，可知造成目前機(jī)械密封泄漏的主要原因如下：改造后的機(jī)械密封軸套鎖緊方式發(fā)生變化，新的機(jī)械密封采用頂絲直接將機(jī)械密封軸套固定在泵軸上，依靠頂絲與泵軸的摩擦力傳遞運(yùn)行扭矩；而舊機(jī)械密封采用在泵軸上打定位孔并將頂絲安裝到沉孔的方式鎖定機(jī)械密封軸套，詳見圖1。新機(jī)械密封采用的軸套緊固方式明顯不如沉孔方式牢固、保險，在長期運(yùn)行中存在較大的松動風(fēng)險，會造成軸套移位、泵軸磨損，最終導(dǎo)致設(shè)備泄漏。分析原因后可知，近日發(fā)生的機(jī)械密封泄漏的主要問題在于新的機(jī)械密封軸套鎖緊方式設(shè)計不合理，導(dǎo)致在運(yùn)行中存在松動的風(fēng)險。泵技術(shù)改造后，機(jī)械密封傳動頂絲剛好安裝在軸臺階上，機(jī)械密封傳動頂絲一半在軸上，一半未著力（懸空），無頂絲孔。

圖1 泵軸軸測圖

1 策略分析

綜合費(fèi)用、維修周期以及生產(chǎn)需要，通過對貧液泵的泵軸進(jìn)行改造，將機(jī)械密封運(yùn)行壽命由3 個月提高到1 年以上，延長機(jī)械密封更換頻率（每季度更換1 次延長到1 年更換 1 次），達(dá)到降低修理費(fèi)和節(jié)約生產(chǎn)成本的目的。離心泵是指靠葉輪旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力來輸送液體的泵，離心泵軸是離心泵中非常重要的零部件，通過離心泵軸的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力從而實(shí)現(xiàn)泵送液體的目的。在離心泵的工作過程中，需要保證機(jī)械密封軸套與離心泵軸之間的同步及密封，在現(xiàn)有技術(shù)中，由于機(jī)械密封軸套與離心泵軸之間的連接強(qiáng)度不夠，機(jī)械密封軸套與離心泵軸之間有軸向移動，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)械密封軸套和離心泵軸不同步以及機(jī)械密封軸套和離心泵軸間有泄漏現(xiàn)象且機(jī)械密封緩沖液壓力急劇下降。因此，為了解決以上問題，需要設(shè)計一種防止機(jī)械密封失效的離心泵軸，能夠?qū)C(jī)械密封軸套及軸套附件聯(lián)結(jié)在一起，在保證機(jī)械密封傳動扭矩的同時，有效避免機(jī)械密封傳動中的頂絲打滑或機(jī)械密封失效，確保機(jī)械密封端面的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和密封性，機(jī)械密封的運(yùn)行周期長，降低了機(jī)械密封失效維修率，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。常用集裝機(jī)械密封驅(qū)動環(huán)頂絲在泵軸的固定方式有3 種[5]。

1.1 抱箍固定

采用抱箍的方式將機(jī)械密封驅(qū)動環(huán)固定在泵軸上。這種方式是高壓機(jī)械密封驅(qū)動環(huán)常用的固定方式。但是這種方式需要對機(jī)械密封軸套進(jìn)行改造，不但材料備件費(fèi)用上升，且機(jī)械密封軸套改造的周期較長，不適用于現(xiàn)場生產(chǎn)。

1.2 高硬度頂絲固定

采用機(jī)械密封驅(qū)動環(huán)高硬度頂絲在泵軸上直接固定。這種方式簡單高效，是低壓機(jī)械密封驅(qū)動環(huán)頂絲最常用的固定方式。之前的頂絲就是就采用驅(qū)動環(huán)頂絲直接在軸上固定，但是頂絲著力點(diǎn)恰好一半在軸肩上，一半在軸肩下，但是頂絲材質(zhì)為316L，硬度較泵軸稍低。因此措施一是將頂絲接觸泵軸的圓周的軸肩直接去掉，讓頂絲和泵軸完全接觸。該方式的缺點(diǎn)為：在泵不解體的情況下，施工難度大，不易操作；如果將泵解體，十級泵解體工作量較大，修理費(fèi)成本較高。并且該機(jī)械密封的工作壓力較高（超過10 MPa），采用這種直接接觸的固定方式，可靠性較對策1 稍低。

1.3 主軸沉孔固定

研制一種防止機(jī)械密封失效的離心泵軸，即在泵主軸上鉆取沉孔固定機(jī)械密封軸套。對于非驅(qū)動端機(jī)械密封：拆除機(jī)械密封護(hù)罩和機(jī)械密封隔離液出口短節(jié)，將機(jī)械密封鎖片鎖緊，此時用樣沖或者小鉆頭依次標(biāo)記8 顆頂絲的中心位置，然后將機(jī)械密封拆除，之后再回裝軸承體和軸承。對于驅(qū)動端機(jī)械密封：斷開聯(lián)軸器中聯(lián)及泵端聯(lián)軸器，拆除機(jī)械密封護(hù)罩和機(jī)械密封隔離液出口短節(jié)；將機(jī)械密封鎖片鎖緊，此時用樣沖或者小鉆頭依次標(biāo)記8 顆頂絲的中心位置，然后將機(jī)械密封拆除；之后回裝軸承體和軸承。完成上述工作后，依次在泵軸上驅(qū)動端和非驅(qū)動端對8個已經(jīng)標(biāo)記的頂絲中心鉆孔鉆孔深度約2～3 mm，完成鉆孔之后清理鐵削并回裝機(jī)械密封和軸承體等部件。

綜合以上3 種方式，研制一種防止機(jī)械密封失效的離心泵軸十分有必要。

2 研制過程

2.1 研制內(nèi)容

鑒于以上對策，研制的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，開發(fā)防止機(jī)械密封失效的離心泵軸，能夠?qū)C(jī)械密封軸套及軸套附件聯(lián)結(jié)在一起，在保證機(jī)械密封傳動扭矩的同時，有效避免機(jī)械密封傳動中的頂絲打滑導(dǎo)致機(jī)械密封失效，確保機(jī)械密封端面的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和密封性，降低機(jī)械密封失效維修率，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。

防止機(jī)械密封失效的離心泵軸應(yīng)包括泵軸本體和軸套，軸套套設(shè)于泵軸本體表面，沿軸套的軸肩位置周向開設(shè)多個頂絲孔，泵軸本體上開設(shè)多個沉孔，頂絲孔和沉孔一一對應(yīng)且裝配與之相適應(yīng)的頂絲。軸套附件裝配于軸套上，為了達(dá)到較好的密封效果，軸套附件一般與軸套聯(lián)結(jié)在一起，軸套與泵軸本體裝配在一起，通過開設(shè)頂絲孔配合頂絲實(shí)現(xiàn)軸套與泵軸本體之間的穩(wěn)固連接，避免軸套與泵軸本體之間發(fā)生位移，從而減少泵軸本體的磨損，保證密封，避免發(fā)生泄漏。

多個所述頂絲孔以周向陣列的方式設(shè)置于所述軸套上，多個頂絲孔以周向陣列的方式設(shè)置于軸套上，提高了各頂絲孔之間的互換性。所述頂絲孔的數(shù)量為8 個，頂絲孔的數(shù)量設(shè)置為8 個，可以達(dá)到最佳的連接狀態(tài)，在不破壞軸套強(qiáng)度的前提下，保證軸套與泵軸本體連接良好。所述頂絲孔和沉孔的直徑為10 mm，直徑為10 mm 的頂絲孔可以達(dá)到最好的連接強(qiáng)度和連接穩(wěn)定，保證軸套與泵軸本體之間的穩(wěn)定，達(dá)到良好的密封效果。頂絲孔和沉孔的總深度為2～3 mm，保證良好的連接穩(wěn)定性，同時可以減少應(yīng)力集中程度，保證泵軸本體和軸套擁有足夠的強(qiáng)度。

2.2 實(shí)施方式

圖1 和圖2 為鉆孔完成后的離心泵軸的軸測圖和俯視圖。本實(shí)例中的防止機(jī)械密封失效的離心泵軸包括泵軸本體1 和軸套2。軸套套設(shè)于泵軸本體表面，沿軸套的軸肩位置周向開設(shè)多個頂絲孔，泵軸本體上開設(shè)多個沉孔，頂絲孔和沉孔一一對應(yīng)且裝配有與之

圖2 泵軸俯視圖

相適應(yīng)的頂絲。軸套附件裝配于軸套上，為了達(dá)到較好的密封效果，軸套2 附件一般與軸套聯(lián)結(jié)在一起，軸套與泵軸本體裝配在一起，通過開設(shè)頂絲孔配合頂絲實(shí)現(xiàn)軸套與泵軸本體之間的穩(wěn)固連接，避免軸套與泵軸本體之間發(fā)生位移，減少泵軸本體1 的磨損程度，保證密封效果，避免設(shè)備發(fā)生泄漏。

本研究實(shí)例中，多個頂絲孔3 以周向陣列的方式設(shè)置于軸套2 上，多個頂絲孔3 以周向陣列的方式設(shè)置于軸套2 上，提高了各頂絲孔之間的互換性。頂絲孔的數(shù)量設(shè)置為8 個，可以達(dá)到最佳的連接狀態(tài)，在不破壞軸套2 強(qiáng)度的前提下，保證軸套與泵軸本體連接良好。頂絲孔和沉孔的直徑為10 mm，直徑為10 mm 的頂絲孔可以達(dá)到最好的連接強(qiáng)度和連接穩(wěn)定，保證軸套與泵軸本體之間的穩(wěn)定性，達(dá)到良好的密封效果。頂絲孔和沉孔的總深度為2～3 mm，確保良好的連接穩(wěn)定性，同時減少應(yīng)力集中程度，保證泵軸本體和軸套擁有足夠的強(qiáng)度。

2.3 實(shí)施過程

對于非驅(qū)動端機(jī)械密封，可以拆除機(jī)械密封護(hù)罩和機(jī)械密封隔離液出口短節(jié)，將機(jī)械密封限位片鎖緊，用樣沖或者小鉆頭依次標(biāo)記8 顆頂絲的中心位置，然后將機(jī)械密封拆除，之后再回裝軸承體和軸承。

對于驅(qū)動端機(jī)械密封，可以斷開聯(lián)軸器中間節(jié)及泵端聯(lián)軸器，拆除機(jī)械密封護(hù)罩和機(jī)械密封隔離液出口短節(jié)；將機(jī)械密封限位片鎖緊，此時用樣沖或者小鉆頭依次標(biāo)記8 顆頂絲的中心位置，然后將機(jī)械密封拆除；之后回裝軸承體和軸承。完成上述工作后，依次在泵軸上驅(qū)動端和非驅(qū)動端對8 個已經(jīng)標(biāo)記的頂絲中心進(jìn)行鉆孔，鉆孔深度約2～3 mm，完成鉆孔之后清理鐵削并回裝機(jī)械密封和軸承體等部件。

圖3 為機(jī)械密封在泵軸安裝位置示意圖。本文研制的是一種防止機(jī)械密封失效的離心泵軸，通過沿軸套2 的軸肩周向設(shè)置頂絲對軸套2 與泵軸本體1 進(jìn)行連接，增強(qiáng)了軸套與泵軸之間的連接穩(wěn)定性和密封性，提高了機(jī)械密封的工作可靠性，延長了使用壽命，將機(jī)械密封軸套及軸套2 附件聯(lián)結(jié)在一起，在保證機(jī)械密封傳動扭矩的同時，有效避免機(jī)械密封傳動中的頂絲打滑和機(jī)械密封失效等情況，確保機(jī)械密封端面的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和密封性，使機(jī)械密封的運(yùn)行周期延長，降低機(jī)械密封失效維修率，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。

圖3 機(jī)械密封在泵軸安裝示意圖

3 效益分析

按照3 月更換一次計算原來每臺貧砜胺液泵每年需更換機(jī)械密封8 套（驅(qū)動端和非驅(qū)動端各4 套），每列裝置2 臺泵，3 列裝置共計48 套。每套機(jī)械密封維修費(fèi)約為7.8 萬元/套，則每年更換機(jī)械密封的修理成本費(fèi)用為：7.8×【(4+4) ×2×3】=374.4萬元/年。

考慮每年大修停產(chǎn)檢修按3 個月計算，即減少一次更換頻率（泵停用），需要刨除修理費(fèi)用為：7.8×【(1+1) ×2×3】=93.6 萬元/年。

泵軸進(jìn)行技術(shù)改造后，泵每年換一次機(jī)械密封（驅(qū)動端和非驅(qū)動端各1 套），機(jī)械密封修理成本費(fèi)用為：7.8×【（1+1）×2×3】=93.6 萬元/年。

每年節(jié)約維修成本為：374.4-93.6-93.6=187.2 萬元/年。

本研究經(jīng)濟(jì)考核指標(biāo)未考慮因?yàn)闄C(jī)械密封失效而導(dǎo)致裝置停產(chǎn)造成的產(chǎn)能損失。如2020 年12 月因貧砜胺液泵機(jī)械密封失效造成第三列裝置單列停車，僅耽誤的天然氣產(chǎn)量保守估計可達(dá)300 萬元，另外還可能導(dǎo)致嚴(yán)重的安全和環(huán)保事故，造成的經(jīng)濟(jì)損失更加無法估量。

4 結(jié)語

研制了一種防止機(jī)械密封失效的離心泵軸，通過沿軸套的軸肩周向設(shè)置頂絲對軸套與泵軸本體進(jìn)行連接，增強(qiáng)了軸套與泵軸之間的連接穩(wěn)定性和密封性，提高了機(jī)械密封的工作可靠性，延長了使用壽命。將機(jī)械密封軸套及軸套附件聯(lián)結(jié)在一起，在保證機(jī)械密封傳動扭矩的同時，有效避免機(jī)械密封傳動中的頂絲打滑進(jìn)而機(jī)械密封失效，確保機(jī)械密封端面的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和密封性，機(jī)械密封的運(yùn)行周期長，降低機(jī)械密封失效維修率，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，并且為天然氣凈化裝置的安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運(yùn)行和國內(nèi)高含硫天然氣田的高效開發(fā)提供了設(shè)備保障[6]。