儀征—長(zhǎng)嶺原油管道輸油泵機(jī)械密封的匹配性研究

邢世平，陳 彬，喻志芳

（中國(guó)石化管道儲(chǔ)運(yùn)分公司儀長(zhǎng)輸油處，湖北武漢 430077）

儀征—長(zhǎng)嶺原油管道輸油泵機(jī)械密封的匹配性研究

邢世平，陳 彬，喻志芳

（中國(guó)石化管道儲(chǔ)運(yùn)分公司儀長(zhǎng)輸油處，湖北武漢 430077）

通過(guò)對(duì)儀—長(zhǎng)輸油處主輸油泵進(jìn)口機(jī)械密封損壞和失效的原因分析，并參考國(guó)外機(jī)械密封在設(shè)計(jì)上的成功之處，對(duì)機(jī)械密封進(jìn)行了匹配性研究和改造，在不改變?cè)忻芊廨d荷系數(shù)的情況下，采取措施改變密封端面的摩擦狀態(tài)，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(jīng)濟(jì)效益。

主輸油泵；機(jī)械密封；匹配性研究；泄漏；全液相

1 概況

儀—長(zhǎng)原油管道起于江蘇省儀征市，止于湖南省長(zhǎng)嶺市，途經(jīng)江蘇、安徽、江西、湖北、湖南5省。該管道于2005年12月投入運(yùn)營(yíng)，管道入口輸量為2 700萬(wàn)t/a，管道沿途逐站分輸，依次向安慶、九江、武漢、荊門(mén)、長(zhǎng)嶺5家煉化企業(yè)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(jù)管輸原油物性，全線為加壓加熱輸送方式，共有和縣、無(wú)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(guó)魯爾公司生產(chǎn)的ZM型泵，共有39臺(tái)，該型號(hào)輸油泵是目前世界上技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量可靠、監(jiān)測(cè)設(shè)施完善的多級(jí)重型離心泵，已廣泛應(yīng)用于中石油、中石化長(zhǎng)輸管道上，我公司魯寧管道、甬滬寧管道也大多采用該型號(hào)泵，為儀—長(zhǎng)線的正常原油供應(yīng)做出了很大貢獻(xiàn)。

由于輸送介質(zhì)為原油，進(jìn)口壓力高，并具有不同批次油品黏度變化大的特點(diǎn)，因而其密封技術(shù)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(jīng)節(jié)流孔板后對(duì)密封腔進(jìn)行沖洗，形成一個(gè)密封循環(huán)冷卻系統(tǒng)。使用介質(zhì)為原油 （含雜質(zhì)），溫度40~60℃，壓力＜10 MPa，轉(zhuǎn)速2 950 r/min。

密封裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

2 故障現(xiàn)象及分析

2.1 機(jī)械密封的損壞

自2008年年底以來(lái)，該泵已接連出現(xiàn)幾起機(jī)械密封嚴(yán)重失效必須進(jìn)行更換的情況，將進(jìn)口密封裝置解體后發(fā)現(xiàn)有下列嚴(yán)重?fù)p壞現(xiàn)象：

（1）動(dòng)靜環(huán)結(jié)焦嚴(yán)重。

（2）靜環(huán)偶有碎裂。

（3）靜環(huán)密封O形圈偶有斷裂。

2.2 故障分析

針對(duì)以上現(xiàn)象我們組織技術(shù)力量對(duì)其進(jìn)行分析，認(rèn)為：對(duì)于高壓機(jī)械密封裝置，其端面比壓的選擇是設(shè)計(jì)成敗的重中之重，如果比壓過(guò)高，端面間摩擦劇烈，產(chǎn)生大量的摩擦熱，會(huì)造成原油輕烴組分的汽化，端面液膜不易形成，動(dòng)靜環(huán)間呈現(xiàn)氣液兩相狀態(tài)，會(huì)使端面間組份產(chǎn)生炭化；如果比壓過(guò)低，高壓下輕烴組分的滲透性很強(qiáng)，形成液膜過(guò)厚，易產(chǎn)生泄漏。根據(jù)失效現(xiàn)象和靜環(huán)尺寸，我們初步判斷為載荷系數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)大，造成高壓下端面比壓過(guò)大。正確的設(shè)計(jì)載荷系數(shù)是端面間形成合適的液膜厚度且不發(fā)生泄漏的有效方法，但是這需要大量的試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，不適合解決目前的問(wèn)題。為此，采用了現(xiàn)在比較先進(jìn)的強(qiáng)制潤(rùn)滑型密封端面的設(shè)計(jì)，又稱流體動(dòng)壓式密封設(shè)計(jì)：在不改變現(xiàn)有密封載荷系數(shù)的情況下，采取措施改變端面的摩擦狀態(tài)，變氣液兩相為全液相。這樣做的好處是，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)小，能起到立竿見(jiàn)影的效果。具體措施是在靜環(huán)端面上開(kāi)月牙狀動(dòng)壓槽 （見(jiàn)圖2）。

當(dāng)密封環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，動(dòng)壓槽能使液體強(qiáng)制性地進(jìn)入端面進(jìn)行冷卻，在密封環(huán)的初始表面上形成與槽數(shù)相等的流體動(dòng)力楔和高壓區(qū)，由于切向流和壓力降，在每一個(gè)槽后形成慧尾狀的潤(rùn)滑楔。隨著密封面上載荷和滑動(dòng)速度r的增加，摩擦系數(shù)反而減?。ㄒ?jiàn)圖3~4）。

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

原密封補(bǔ)償環(huán)碎裂，而且碎裂得十分有規(guī)律，在O形圈接觸面左側(cè)，環(huán)面碎裂為3~4塊，而接觸面右側(cè)，環(huán)面保持完整。對(duì)此，我們利用進(jìn)口密封環(huán)尺寸數(shù)據(jù)建模進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在密封結(jié)構(gòu)運(yùn)行一段時(shí)間后，靜環(huán)的熱變形如圖5（a），而靜環(huán)的壓力變形如圖5（b）所示，兩個(gè)相反的變形方向?qū)е缕渥冃蔚闹c(diǎn)恰恰就是O形圈接觸環(huán)帶，這說(shuō)明靜環(huán)在熱變形過(guò)程中，當(dāng)變形達(dá)到一定量時(shí)，在O形圈槽部位受到阻礙，產(chǎn)生巨大內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致破裂；而在靜環(huán)尾部由于溫度低，變形量小而保持完整。

在分析進(jìn)口機(jī)械密封失效現(xiàn)象時(shí)，也總結(jié)出了其設(shè)計(jì)上的成功之處：

（1）一般國(guó)內(nèi)高壓密封的設(shè)計(jì)通常采用動(dòng)環(huán)補(bǔ)償式，旋轉(zhuǎn)部件多，易產(chǎn)生動(dòng)不平衡問(wèn)題；而在我們這樣的高壓工況下，國(guó)外密封采用靜止式設(shè)計(jì)，旋轉(zhuǎn)部件少，而且彈簧不與介質(zhì)接觸，管道中的雜質(zhì)對(duì)彈簧沒(méi)有阻塞作用，這對(duì)水聯(lián)運(yùn)以來(lái)管道雜質(zhì)多的情況非常有效。

（2）國(guó)內(nèi)在設(shè)計(jì)靜環(huán)防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)時(shí)通常采用固定銷防轉(zhuǎn)，銷與防轉(zhuǎn)槽之間為線接觸，在高壓?jiǎn)?dòng)泵時(shí)，巨大的扭矩往往將靜環(huán)尾部防轉(zhuǎn)銷凹槽打碎，造成靜環(huán)破裂；而國(guó)外在靜環(huán)的防轉(zhuǎn)上采用了新穎的防轉(zhuǎn)措施，在這種活動(dòng)防轉(zhuǎn)銷的設(shè)計(jì)中，銷與防轉(zhuǎn)槽之間為面接觸，有效地減少了大扭矩啟動(dòng)時(shí)銷與槽之間的撞擊力。經(jīng)我們觀察，未發(fā)生一例靜環(huán)尾部碎裂現(xiàn)象。

（3）同樣尺寸的密封結(jié)構(gòu)，國(guó)外設(shè)計(jì)時(shí)其彈簧數(shù)量比國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的多一倍，最多達(dá)到31個(gè)彈簧，而且是奇數(shù)。經(jīng)我們仔細(xì)分析，彈簧數(shù)量多可提高圓周上彈簧力的均勻性，奇數(shù)彈簧設(shè)計(jì)只是為了避開(kāi)背部冷孔而少加工了一個(gè)彈簧孔。

3 總體改造方案

（1）調(diào)整布水環(huán)孔分布角度，避開(kāi)沖洗孔。

（2）采用流體動(dòng)壓式密封端面設(shè)計(jì)。

（3）采用靜止式密封補(bǔ)償環(huán)設(shè)計(jì)。

（4）采用大數(shù)量彈簧加載。

（5）靜環(huán)采用活動(dòng)防轉(zhuǎn)銷防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。

（6）將載荷系數(shù)保持在 0.72，反壓系數(shù)取0.65。

（7）將動(dòng)靜環(huán)的高寬比適當(dāng)加大，減小壓力變形。

（8）動(dòng)靜環(huán)材質(zhì)采用國(guó)外常壓燒結(jié)，以增大動(dòng)靜環(huán)間抗燒蝕能力。

4 密封設(shè)計(jì)計(jì)算 （見(jiàn)圖6）

（1）設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

靜環(huán)端面外徑D2：123.5 mm

靜環(huán)端面內(nèi)徑D1：111.5 mm

靜環(huán)O形圈內(nèi)徑de：115 mm

介質(zhì)壓力P：9 MPa

每套密封彈簧數(shù)n：31件

彈簧剛度Kq：2.6 N/mm

設(shè)計(jì)壓縮量h：4 mm

反壓系數(shù)λ：0.65

設(shè)計(jì)載荷系數(shù)K：0.72

（2）彈簧比壓Ps的計(jì)算式：

根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算得Ps=0.145 MPa

（3）載荷系數(shù)K由下式計(jì)算：

計(jì)算得K=0.72

（3）端面比壓Pb的計(jì)算式為：

Pb=Ps+P （K-λ）

計(jì)算得Pb=0.775 MPa，在正常范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)我們的匹配性研究設(shè)計(jì)和試用，改進(jìn)后的密封裝置在2008年10月裝機(jī)一直正常運(yùn)行至今，壽命已超過(guò)進(jìn)口產(chǎn)品，徹底消除了主輸泵密封裝置的泄漏隱患，而且價(jià)格僅僅是進(jìn)口機(jī)械密封裝置的1/3，取得很大的經(jīng)濟(jì)效益，也為其他高壓油泵密封裝置的設(shè)計(jì)提供了寶貴的借鑒意義。

[1]楊筱蘅.輸油管道設(shè)計(jì)與管理[M].東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2006.

[2]張誠(chéng).原油管道運(yùn)行技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2009.

[3]蒲家寧.管道水擊分析與控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

[4]范才明.管道輸油泵機(jī)械密封非正常損壞的預(yù)防措施[J].管道儲(chǔ)運(yùn)，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(tái)人，工程師，1992年畢業(yè)于承德石油高等技術(shù)?？茖W(xué)校自動(dòng)化專業(yè)，主要從事輸油設(shè)備運(yùn)行、維護(hù)等工作。

2010-08-11；

2011-06-17