海上平臺(tái)注水泵機(jī)械密封選用分析

楊天郁，蘇承剛，鞠兆剛，胡志成，劉朋遠(yuǎn)，張 博，劉 巖

（1.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452；2.中海油天津分公司遼東作業(yè)公司，天津 300459）

1 注水泵機(jī)械密封

海上采油平臺(tái)注水泵多采用水平剖分式多級(jí)離心泵，具有軸向力小、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)端與非驅(qū)動(dòng)端各有一套機(jī)械密封（圖1、圖2）。

圖1 中開(kāi)型多級(jí)離心泵結(jié)構(gòu)

圖2 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

注水泵介質(zhì)為原油開(kāi)采后分離出來(lái)的水或地下水。伴隨渤海區(qū)域油氣資源的開(kāi)采，渤海區(qū)域海上石油平臺(tái)注水溫度根據(jù)平臺(tái)及環(huán)境溫度不同在30～80 ℃，注水壓力達(dá)到7.5～14 MPa，pH 值6.5～7.5，主要為從地下開(kāi)采的地下水循環(huán)利用，水質(zhì)含鹽量低。生產(chǎn)水中主要雜質(zhì)為未分離干凈的原油及少量核桃殼濾芯碎片，在注水泵前端安裝過(guò)濾器以過(guò)濾大顆粒雜質(zhì)。

為了使機(jī)械密封性能得到充分發(fā)揮，必須按照使用條件正確選型，選型要考慮的主要參數(shù)有密封腔體壓力、流體溫度、密封轉(zhuǎn)軸速度、被密封流體的特性和泄漏要求等。

2 注水泵機(jī)械密封常見(jiàn)故障分析

2.1 現(xiàn)用機(jī)械密封型式

海上平臺(tái)注水泵常用的機(jī)械密封種類(lèi)并不多，以載荷系數(shù)區(qū)分可以分為非平衡式、部分平衡式和過(guò)平衡式；以彈性元件類(lèi)型區(qū)分可以分為單彈簧式、多彈簧式、波紋管式。動(dòng)靜環(huán)材料也有所區(qū)別，有硬質(zhì)合金—石墨，硬質(zhì)合金—硬質(zhì)合金，硬質(zhì)合金—碳化硅等。動(dòng)環(huán)軸套的緊固方式為頂絲式和脹緊式。

2.2 波紋管斷裂導(dǎo)致介質(zhì)大量泄漏

（1）某采油平臺(tái)注水泵，在更換機(jī)械密封較短的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)大量泄漏，拆檢發(fā)現(xiàn)在波紋管接近密封面處波紋管出現(xiàn)裂紋，因機(jī)封腔室壓力波動(dòng)較大、壓力變高所致，當(dāng)介質(zhì)波動(dòng)、壓力過(guò)高后會(huì)造成波紋管發(fā)生拉伸及扭變，波紋管金屬材料在交變運(yùn)動(dòng)的情況下產(chǎn)生局部應(yīng)力，因此發(fā)生斷裂。雖然機(jī)械密封在設(shè)計(jì)初期具備承受一定壓力的能力，但設(shè)計(jì)參數(shù)是依照正常工況，忽略了流體變化的因素，最終導(dǎo)致其快速損壞。

（2）某采油平臺(tái)注水泵運(yùn)行一段周期后，新安裝的波紋管機(jī)械密封高溫冒煙、快速泄漏，最終分析為機(jī)械密封腔室壓力過(guò)高所致。因波紋管在強(qiáng)壓強(qiáng)作用下是波形受力，也是整個(gè)機(jī)械密封最薄弱處，力直接作用于波紋管表面導(dǎo)致拉伸，動(dòng)靜面貼合壓緊力過(guò)大，因此會(huì)發(fā)生冒煙泄漏。

波紋管機(jī)械密封雖然有零部件少、組裝方便、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但更適用于壓力較低、流程介質(zhì)變化相對(duì)穩(wěn)定的設(shè)備，壓力高、壓力波動(dòng)較大的工況會(huì)導(dǎo)致故障頻發(fā)。

2.3 單彈簧的機(jī)械密封

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，單彈簧的機(jī)械密封損壞率較低，能承受較大程度的交變載荷及機(jī)封腔室壓力過(guò)高的情況。其彈簧的纏繞方向應(yīng)與泵的旋轉(zhuǎn)方向一致，根據(jù)旋向的不同選用不同旋向的彈簧，在維修人員不熟知的情況下容易造成返工。一般單彈簧的總成長(zhǎng)度較長(zhǎng)，在設(shè)備的密封腔室內(nèi)空間占據(jù)較大。

2.4 多彈簧的機(jī)械密封

機(jī)封零部件過(guò)多，密封件坐在托墊上，密封件開(kāi)有軸向?qū)虿?，外端面有防止脫落的卡圈，由于零部件較多，加大了故障率。首先軸線運(yùn)動(dòng)需要導(dǎo)向，會(huì)造成卡澀情況的發(fā)生；卡圈在機(jī)封運(yùn)轉(zhuǎn)中有脫落的情況發(fā)生；由于多彈簧被機(jī)封護(hù)套掩蓋，介質(zhì)中的雜質(zhì)容易聚集，無(wú)法通過(guò)水的直接沖刷進(jìn)行清理，會(huì)造成彈簧失去彈性。由于多彈簧的組合安裝，對(duì)彈簧的彈力從設(shè)計(jì)角度要求較高，多次發(fā)生集裝式機(jī)械密封安裝后高溫冒煙，通過(guò)減少?gòu)椈傻臄?shù)量做臨時(shí)處理，但減少?gòu)椈傻臋C(jī)械密封無(wú)法承受泵腔高壓力和流程介質(zhì)不穩(wěn)定的場(chǎng)合。

2.5 其他部件失效分析

（1）動(dòng)靜環(huán)磨損。注水泵工作壓力大，因此動(dòng)靜環(huán)的端面比壓比較大，泵軸轉(zhuǎn)速高，同時(shí)介質(zhì)中可能存在雜質(zhì)，較軟的動(dòng)靜環(huán)在這種工況下多出現(xiàn)動(dòng)靜環(huán)磨損量大。單彈簧式機(jī)械密封壓力不均勻，容易發(fā)生偏磨與側(cè)漏，不適用于軸徑大的情況。動(dòng)靜環(huán)出現(xiàn)磨損后相當(dāng)于端面壓力減少，密封效果下降。

（2）輔助密封圈失效。在使用過(guò)程中，輔助密封圈會(huì)因?yàn)楦邷爻霈F(xiàn)老化，注水中含有少量原油，也會(huì)出現(xiàn)不耐油而過(guò)早失效。因?yàn)閴毫透邷赜谰米冃?、失去彈性，出現(xiàn)扭曲和擠出損傷，輔助密封圈失去密封能力，介質(zhì)會(huì)直接泄漏。

（3）動(dòng)環(huán)與軸套卡澀。在有雜質(zhì)或易結(jié)晶的介質(zhì)中，雜質(zhì)或結(jié)晶出現(xiàn)在動(dòng)環(huán)和軸套之間時(shí)可能出現(xiàn)動(dòng)環(huán)卡死，造成密封失效。

3 選用分析

針對(duì)不同類(lèi)型機(jī)械密封結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的故障，需要選擇故障率最低的結(jié)構(gòu)作為未來(lái)注水泵機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)。

3.1 整體結(jié)構(gòu)

非平衡式機(jī)械密封適用于低壓場(chǎng)合，部分平衡式機(jī)械密封適用于高壓場(chǎng)合，而注水泵工作壓力多在7.5 MPa 以上，工作壓力很大，因此需要選用平衡式機(jī)械密封。注水泵使用的機(jī)械密封尺寸較大，由于在海上采油平臺(tái)不具備開(kāi)蓋精準(zhǔn)測(cè)量的條件，采用集裝型機(jī)械密封可以保證端面比壓在準(zhǔn)確范圍內(nèi)。綜上所述，注水泵的機(jī)械密封選用集裝型平衡式機(jī)械密封。

3.2 彈性元件類(lèi)型

金屬波紋管式機(jī)械密封在軸上無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，對(duì)軸無(wú)磨損，浮動(dòng)性好，但在注水泵高壓的工況下波紋管焊接處由于疲勞可能會(huì)被擊穿，造成密封失效。單彈簧式機(jī)械密封用于軸徑較小、對(duì)緩沖性要求不高的場(chǎng)合，適用于腐蝕性與易結(jié)晶介質(zhì)的情況，注水泵直徑一般較大，單彈簧式常常會(huì)造成偏磨引起泄漏。多彈簧式機(jī)械密封用于大軸徑、弱腐蝕和壓縮量變化不大的場(chǎng)合，比壓均勻，適用于高速大直徑工況、對(duì)介質(zhì)的潔凈度要求較高、不易結(jié)晶的場(chǎng)合。結(jié)合上文提到的常見(jiàn)故障，在注水泵水質(zhì)好、不易結(jié)垢的的條件下，高壓高速大軸徑建議選擇多彈簧式，但須控制彈簧的直徑，采取良好的導(dǎo)向設(shè)計(jì)，不宜選用太小的彈簧避免發(fā)生卡滯；在水質(zhì)較差、對(duì)機(jī)械密封總成長(zhǎng)度沒(méi)有要求的情況下，選用單彈簧式機(jī)械密封。

4 材料選擇

常見(jiàn)動(dòng)靜環(huán)材料包括石墨、碳化鎢（WC）、硬質(zhì)合金、工程陶瓷等，注水泵介質(zhì)為地下水，并含有少量未分離干凈的原油與核桃殼濾芯碎片，實(shí)際工況類(lèi)似含泥沙的河水，參考表1 同時(shí)為減少磨損，采用WC—硬質(zhì)合金作為動(dòng)靜環(huán)材料。

常見(jiàn)的輔助密封圈材料包括丁腈橡膠、氟橡膠、硅橡膠等，注水泵介質(zhì)溫度最高到達(dá)80 ℃以上，輔助密封圈材料必須要耐高溫，同時(shí)介質(zhì)中可能含有少量原油，輔助密封圈材料對(duì)介質(zhì)必須有耐受性，參考表1 同時(shí)考慮成本，采用丁腈橡膠作為輔助密封圈材料，或性能更好的氟橡膠。

5 結(jié)論

渤海區(qū)域海上采油平臺(tái)注水泵機(jī)械密封，在選用上并不是某一種類(lèi)型的機(jī)械密封都能夠適用，必須根據(jù)注水的水質(zhì)為選用條件，水質(zhì)好宜選用整體結(jié)構(gòu)為集裝型平衡式，動(dòng)靜環(huán)宜采用為WC—硬質(zhì)合金，輔助密封圈材料為丁腈橡膠或氟橡膠，彈性元件選用多彈簧式，單彈簧式更適用工況較惡劣的場(chǎng)合。上述選用原則能夠適應(yīng)大多數(shù)注水工況，既能保障海上安全生產(chǎn)，又能減少維修頻率，同時(shí)兼顧節(jié)能環(huán)保。