TDWY型整桶式多級(jí)離心輸油泵可靠性研究

景萬德，王小麗，周善興，汪 勇

（中國石油長慶油田分公司第一采油廠，陜西 延安 716000）

由于多級(jí)離心輸油泵排量大、揚(yáng)程高、運(yùn)行參數(shù)調(diào)整方便、結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低等諸多優(yōu)點(diǎn)，在油田生產(chǎn)現(xiàn)場廣泛應(yīng)用。但是，其目前使用的可靠性還比較低，故障率相對較高。為此，研制出了高可靠性、零故障免維修的TDWY系列整桶式多級(jí)離心泵。

一、多級(jí)離心泵的破壞形式

（1）葉輪口環(huán)及軸柄嚴(yán)重磨損，造成泵內(nèi)容積損失增大，軸向力平衡嚴(yán)重失調(diào)，泵的流量、揚(yáng)程參數(shù)降低。主要原因：介質(zhì)含砂量大；泵軸剛性差；導(dǎo)葉設(shè)計(jì)不合理。使得泵轉(zhuǎn)子部分產(chǎn)生不對稱徑向力。

（2）平衡盤嚴(yán)重磨損造成轉(zhuǎn)子部件軸向竄動(dòng)增大，葉輪蓋板磨損失效，甚至造成泵轉(zhuǎn)子部分軸向力傳給電機(jī)，使電機(jī)損壞。主要原因，介質(zhì)含砂量大；泵運(yùn)行工況變化大；泵啟動(dòng)停車頻繁。軸向力平衡系統(tǒng)也有必要改進(jìn)。

（3）軸封磨損失效。隨著轉(zhuǎn)子部件軸向運(yùn)動(dòng)量增大，軸封隨動(dòng)性差、泄漏量大，污染環(huán)境。主要原因：軸封自然磨損。機(jī)封垢蝕后隨動(dòng)性差，泵軸向運(yùn)動(dòng)量大。

（4）平衡管垢蝕堵塞，軸向力平衡系統(tǒng)破壞。

（5）泵進(jìn)口過濾器過濾不嚴(yán)，雜質(zhì)進(jìn)入泵內(nèi)，葉輪流道堵塞，泵流量揚(yáng)程降低。

（6）軸承損壞。主要原因是潤滑不好；轉(zhuǎn)子部件未鎖緊。

二、多級(jí)離心泵故障頻率分布

2005年對安塞油田多級(jí)離心泵的維修情況及故障頻率分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析：多級(jí)離心泵30臺(tái)，年維修72次，每臺(tái)平均維修2.4次，年維修直接費(fèi)用24萬元。1年內(nèi)故障頻率分布見表1。

表1

從上述多級(jí)離心泵1年內(nèi)故障頻率的統(tǒng)計(jì)分析看，多級(jí)離心泵的故障，主要產(chǎn)生在軸向力平衡系統(tǒng)和軸封系統(tǒng)。該兩系統(tǒng)的故障占到全部故障的90%以上。因此提高多級(jí)離心泵軸向力平衡系統(tǒng)和軸端密封系統(tǒng)的可靠性，是延長多級(jí)離心泵零故障免維修周期的關(guān)鍵。

三、TDWY型整桶式無泄漏多級(jí)離心泵可靠性分析

TDWY型整桶式無泄漏多級(jí)離心泵的零故障免維修周期長，主要采用了復(fù)合式無磨擦軸向力平衡技術(shù)和微循環(huán)組合密封技術(shù)。

1.復(fù)合式無磨擦軸向力平衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

如圖1所示，復(fù)合式無磨擦軸向力平衡系統(tǒng)主要由平衡鼓、平衡盤、限位軸承等組成。A腔與泵出口相通，B腔與泵進(jìn)口相通，E腔經(jīng)孔D與B腔或泵進(jìn)口相通。平衡鼓用平鍵與葉輪串聯(lián)固定安裝在泵軸上。平衡盤固定安裝在泵出水段上。限位軸承為向心推力球軸承，可以承受一定的軸向推力，其內(nèi)圈通過鎖緊螺母固定安裝在泵軸上，其外圈通過軸承壓蓋限位于軸承體內(nèi)，使泵轉(zhuǎn)子部件可以作設(shè)定量的軸向運(yùn)動(dòng)

與傳統(tǒng)離心泵結(jié)構(gòu)形式比較，多級(jí)離心泵由于液流作用在葉輪表面上的力不平衡，以及液體給葉輪的動(dòng)量沖力等原因，使得泵工作時(shí)產(chǎn)生很大的軸向力N，其方向指向葉輪進(jìn)口。該軸向力若不進(jìn)行平衡抵消，泵將無法工作。為了平衡軸向力N，設(shè)計(jì)了上述軸向力平衡機(jī)構(gòu)。泵工作時(shí)末級(jí)葉輪出口處壓力作用于平衡鼓右端面，產(chǎn)生平衡力F1，設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定F1略大于N，泵轉(zhuǎn)子部分向左運(yùn)動(dòng)，間隙b2關(guān)閉。平衡鼓右端壓力經(jīng)間隙b1到達(dá)平衡鼓左端C腔，產(chǎn)生反向推力F2，設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定F1-F2＜N。使得泵轉(zhuǎn)子部分向右運(yùn)動(dòng)，間隙b2打開，C腔壓力下降，F(xiàn)2減少。b2打開至F1-F2=N時(shí)為止，此時(shí)泵軸向力自動(dòng)得到完全平衡。

由于液體流經(jīng)b1、b2間隙的阻力作用和轉(zhuǎn)子部分左右運(yùn)動(dòng)的慣性力作用，使得平衡盤和平衡鼓在間隙b2處經(jīng)常產(chǎn)生瞬間摩擦接觸，這是平衡機(jī)構(gòu)磨損失效的根本原因。本技術(shù)的軸向力平衡機(jī)構(gòu)，大部分的軸向力已由平衡鼓右邊F1抵消，平衡盤和間隙b2只是對較小的殘余軸向力F2作二次平衡。這樣轉(zhuǎn)子部分軸向運(yùn)動(dòng)量較小，慣性力較小，轉(zhuǎn)子部件較小運(yùn)動(dòng)量的較小慣性力由軸向限位軸承承擔(dān)，使得平衡盤和平衡鼓磨合后不再繼續(xù)磨損。因此該軸向力平衡系統(tǒng)稱之為復(fù)合式無磨擦軸向力平衡系統(tǒng)?？梢詮母旧舷嗉?jí)離心泵的此破壞形式，大大提高了多級(jí)離心泵的使用壽命。

對運(yùn)行了10 000h的TDWY60-50x7型泵進(jìn)行解體檢查，經(jīng)檢測軸向力平衡系統(tǒng)無任何磨損。

2.微循環(huán)動(dòng)靜組合密封

TDWY型整桶式無泄漏多級(jí)離心泵，采用微循環(huán)動(dòng)靜組合密封技術(shù)，較好地解決了密封泄漏難題。

微循環(huán)動(dòng)靜組合密封技術(shù)。是利用疏導(dǎo)的辦法，在密封部位建立微循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，使泄漏點(diǎn)產(chǎn)生一定的負(fù)壓，從而達(dá)到變密封泵內(nèi)介質(zhì)為密封泵外空氣的效果。

如圖2，取截面Ⅰ-Ⅰ和截面Ⅱ-Ⅱ，

列出液體流動(dòng)的能量方程式：

式中：P1、P2、U1、U2、Z1、Z2分別為截面Ⅰ-Ⅰ和截面Ⅱ-Ⅱ處的壓力、流速、高度。

設(shè)微循環(huán)孔的面積為f，流過該孔的微循環(huán)流量為Q則：

實(shí)際應(yīng)用中P1為可知，在油田集輸系統(tǒng)中P1≈0.1MPa，P2可以根據(jù)密封效果設(shè)定，一般P2設(shè)定為-0.01～0MPa。因此△P=0.1～0.11MPa。

從方程（2）可知，選擇Q和f，可以滿足△P值。其中f由加工確定，Q由微循環(huán)泵流量確定。因此上述微循環(huán)密封技術(shù)在理論和實(shí)踐上都成立。

微循環(huán)密封系統(tǒng)關(guān)鍵是建立微循環(huán)。該循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)泵可以是離心泵，也可以是容積泵。微循環(huán)密封理論上可以不受密封壓力的限制，當(dāng)密封壓力很高時(shí)可采用容積泵建立微循環(huán)。

微循環(huán)密封系統(tǒng)，密封效率高，消耗能量小。根據(jù)上述能量轉(zhuǎn)換計(jì)算，一般進(jìn)口壓力在0.1MPa以下的泵，做到完全無泄漏，密封消耗的功率可以控制在50W以下。這是其他密封技術(shù)不可比擬的。

微循環(huán)密封由傳統(tǒng)密封的密封泵內(nèi)介質(zhì)轉(zhuǎn)化為密封泵外空氣，因此對密封介質(zhì)的要求不高，尤其對含磨料介質(zhì)的密封，優(yōu)勢更加明顯。

式中泵進(jìn)口壓力P1在一定范圍內(nèi)變化，對密封腔內(nèi)的P2影響很小。

從微循環(huán)密封的能量方程還可以看出，流經(jīng)循環(huán)孔的流量Q和孔前后的壓力差△P的平方根成正比。而且由于該孔是薄壁小孔，受到磨擦阻力的作用很小。所以流量Q受到液體黏性及溫度的影響很小。

微循環(huán)密封系統(tǒng)，泵工作時(shí)對泵外空氣的密封和泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的靜密封，是靠雙向密封的浮動(dòng)環(huán)（或雙作用的機(jī)械密封）實(shí)現(xiàn)的。由于泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的△P很小，因此浮動(dòng)密封環(huán)受到正壓力N很小，浮動(dòng)密封環(huán)結(jié)合面十分光滑，磨擦系數(shù)小，產(chǎn)生的磨擦力很小。浮動(dòng)環(huán)磨擦產(chǎn)生的熱量又被微循環(huán)介質(zhì)帶走。這樣浮動(dòng)環(huán)的密封十分可靠，壽命長，基本沒有磨損。

綜上所述，微循環(huán)動(dòng)靜組合密封完全能夠達(dá)到無泄漏的效果。而且運(yùn)行可靠，使用壽命長，從根本上消除了多級(jí)離心泵的泄漏，又進(jìn)一步延長了多級(jí)離心泵零故障免維修的使用周期。

四、結(jié)論

由于該型泵采取了復(fù)合式無磨擦軸向力平衡技術(shù)和微循環(huán)組合密封技術(shù)，與常規(guī)離心泵單靠平衡盤或平衡鼓進(jìn)行軸向力平衡形式想比較，壽命、穩(wěn)定性、免修期周期大幅提升，從2004年開始，先后在安塞油田使用TDWY60-50、TDWY120-50、TDWY100-30、TDWY85-67、TDWY45-50、TDWY25-50等系列整桶式多級(jí)離心泵40余臺(tái)，該型泵平均免維修運(yùn)行周期達(dá)到了24個(gè)月，可靠性大幅度提升。