雙端面機械密封在離心原油泵上的應用

張治恒

（大慶油田有限責任公司天然氣分公司，黑龍江大慶 163000）

0 引言

ZE/ZA 型離心泵結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、運行穩(wěn)定，廣泛應用于煉廠、化工等行業(yè)。雙端面密封比單端面機械密封具有更好的安全性、密封性能，一般適用在強腐蝕、高溫、易燃易爆、有毒有害等危險介質(zhì)的工作環(huán)境。天然氣分公司某原油穩(wěn)定裝置使用ZA/ZE 型離心泵傳輸原油，具有有毒有害、易燃易爆和高溫等危害。為提高設(shè)備安全性，將原設(shè)計的單端面機械密封結(jié)構(gòu)改造為雙端面密封結(jié)構(gòu)。雙端面機械密封結(jié)構(gòu)與單端面機械密封結(jié)構(gòu)存在一定差異，不只是將兩個單端面并排重復安裝。在一些高危環(huán)境中，能夠有效防止高危介質(zhì)泄漏，同時在密封具有較高壓力時，能夠合理分配介質(zhì)在機械密封端面前后壓差，增加密封工作的壓力工作范圍。并且通過配套的冷卻循環(huán)系統(tǒng)，向雙端面密封中的密封腔內(nèi)注入潤滑劑，又能夠改善機械密封的運行工況，提高雙端面密封的使用壽命。

1 基本原理

單端面機械密封與雙端面機械密封的原理具有很多相似處，主要是垂直于旋轉(zhuǎn)軸線摩擦副在危險介質(zhì)壓力和補償機構(gòu)彈力的作用下進行密切的貼合，保持相對滑動，產(chǎn)生壓力進而防止介質(zhì)泄漏。天然氣分公司某原穩(wěn)裝置采用的雙端面機械密封為背對背式平衡型機械密封。

在正常工況下，危險介質(zhì)產(chǎn)生的壓力和彈性元器件相互作用下，在機械密封的端面上形成一個符合設(shè)計要求的壓比（壓縮量），使動靜環(huán)摩擦副緊密貼合，同時在摩擦副間隙的腔內(nèi)形成一個非常薄的液膜，實現(xiàn)密封目的。雙端面機械密封的優(yōu)勢在于，其具有兩道密封端面，如果第一道機械密封失效時，第二道機械密封仍然可進行保護，防止介質(zhì)泄漏、污染。通過外供的輔助冷卻系統(tǒng)，向雙端面密封的密封腔內(nèi)注入密封液，達到密封、潤滑和冷卻的作用，同時通過內(nèi)置的泵效環(huán)進行循環(huán)冷卻使用。

2 設(shè)計技術(shù)分析

天然氣分公司某原穩(wěn)裝置使用的原油泵為大連蘇爾壽泵及壓縮機有限公司生產(chǎn)的ZA/ZE150-4400 型離心泵，設(shè)計排量310 m3/h，正常工況下泵出口壓力約為1.5 MPa。其中兩臺穩(wěn)前泵用于輸送穩(wěn)前原油，介質(zhì)溫度約為60 ℃，兩臺穩(wěn)后泵用于輸送穩(wěn)后原油，介質(zhì)溫度約為170 ℃。原廠采用非平衡型單端面波紋管機械密封，利用自身介質(zhì)進行反沖洗。由于傳輸?shù)脑徒橘|(zhì)具有易結(jié)焦、高溫、成分復雜、工況變化頻繁等因素，往往使用壽命不長，平均每8000 h 需更換一次機械密封，并具有一定泄漏量?；緟?shù)見表1。

雙端面機械密封與單端面密封相比，雙端面機械密封在結(jié)構(gòu)上增加了一套摩擦副，每套摩擦副相應由兩套動環(huán)和靜環(huán)組成。考慮到天然氣分公司原穩(wěn)裝置所傳輸?shù)慕橘|(zhì)原油為閃蒸烴類，具有危險有毒，易熱傳導、含有一定量的固體顆粒且易聚合的特點，因此在改造過程中選用背對背式的有壓密封系統(tǒng)。

在本系統(tǒng)中，主要零部件包括蛇管式換熱器、囊式蓄能器、壓力溫度指示儀表等。系統(tǒng)主要應用API682 布置方式3 的密封沖洗方案。通過蛇管式換熱器來冷卻二級機械密封在設(shè)備運轉(zhuǎn)過程中因摩擦及攪拌產(chǎn)生的熱能，由密封結(jié)構(gòu)中的泵效環(huán)為其提供循環(huán)的動力。囊式蓄能器為密封系統(tǒng)提供穩(wěn)定壓力，遇到緊急情況時，能夠保證設(shè)備密封泄漏后，系統(tǒng)中仍有一定時間保證壓力穩(wěn)定，并為密封系統(tǒng)提供約1.5 L 的密封液補充量。系統(tǒng)內(nèi)各參數(shù)根據(jù)API682 設(shè)定，介質(zhì)側(cè)密封腔壓力P，隔離液壓力P+（0.2～0.3）MPa，壓力變送器低壓報警P+0.1 MPa，蓄能器預充氣壓力P×（0.5～0.9）MPa。

當泵內(nèi)危險介質(zhì)經(jīng)葉輪背面與泵殼體的間隙向密封腔內(nèi)泄漏時，因受到節(jié)流減壓作用，其密封腔介質(zhì)的壓力P 應小于出口壓力P出。依據(jù)實驗可知，關(guān)于單級懸臂式的離心泵，當其出口壓力不變時，它的密封腔內(nèi)的壓力用公式P=（1/3～1/5）P出進行粗略估算。天然氣分公司原穩(wěn)裝置所用的離心泵出口壓力P出為1.5 MPa。因此，計算得出系統(tǒng)內(nèi)各參數(shù)設(shè)定，介質(zhì)側(cè)密封腔壓力0.4 MPa，隔離液壓力0.6～0.7 MPa，壓力變送器低壓報警0.5 MPa，蓄能器預充氣壓力0.2～0.36 MPa。

表1 ZA/ZE150-4400 型離心泵性能參數(shù)

在密封系統(tǒng)中隔離液的壓力如果小于0.5 MPa 時，那么就會觸發(fā)壓力報警，產(chǎn)生壓力報警信號，提示維修人員需向密封系統(tǒng)的密封腔內(nèi)補充隔離液，一般情況下用密封系統(tǒng)自帶的手動補液泵進行操作補充隔離液，實際操作時補充隔離液的壓力控制可以通過壓力指示器來獲取，一般控制范圍是0.6～0.7 MPa。

3 技術(shù)改造及應用效果

天然氣分公司原穩(wěn)裝置原油泵雙端面機械密封改造項目于2019 年原穩(wěn)裝置檢修期間進行，主要工作內(nèi)容如下。

3.1 安裝4 臺輔助冷卻設(shè)備

現(xiàn)場選取原油泵旁合適位置，利用地釘固定輔助冷卻設(shè)備。更換4 臺原油泵原波紋管機械密封為雙端面機械密封。泵修隊伍對4 臺原油泵機械密封進行改造，泄壓后打開泵殼，取下葉輪，拆卸軸封及填料，拆卸機械密封，安裝集成式雙端面機械密封，調(diào)整后按照相反順序回裝。最后連接輔助冷卻系統(tǒng)各連接管路。

3.2 安裝穩(wěn)前泵水系統(tǒng)

從來回水匯管上選取合適點位開孔鋪設(shè)兩條管線至穩(wěn)前原油泵。連接輔助冷卻水系統(tǒng)上換熱器的冷卻水進出口管線。同時在穩(wěn)后泵的回水管線上增設(shè)壓力緩沖罐，平衡來回水壓力。

3.3 投產(chǎn)前調(diào)試

對系統(tǒng)內(nèi)囊式蓄能器充入3.5 MPa 氮氣，檢測氣囊有無漏氣現(xiàn)象。氣囊在不放氣情況下使用手動補液泵向系統(tǒng)內(nèi)打油壓至4.0 MPa，檢查各接頭及焊口處是否有滲漏現(xiàn)象。打壓合格后，將油壓泄掉，并將蓄能器壓力調(diào)節(jié)至設(shè)計要求。向補液泵內(nèi)注入15#工業(yè)白油，扳動補液泵手柄注入白油。打開放空閥排凈罐內(nèi)氣體至白油內(nèi)無氣泡。注入同時需不停對主泵進行盤車，同時觀察補液泵罐內(nèi)液位，待液位降低后需向補液泵罐內(nèi)補充白油，保持盤車操作。關(guān)閉排氣口閥門。停止盤車，繼續(xù)注液，待壓力表指針達到0.6 MPa 時停止注液。關(guān)閉補液泵與管線的連接閥門，觀察壓力表指針，若度數(shù)穩(wěn)定，說明系統(tǒng)管線密封良好，注液完成。啟動原油泵試運，檢查溫升情況及隔離液壓力變化情況，檢查隔離液循環(huán)是否正常。調(diào)試完成。改造現(xiàn)場實際效果見圖1。

項目完工后，對4臺原油泵雙端機封及其輔助冷卻設(shè)備，在原穩(wěn)烘爐（原油溫度約為55 ℃）和正常運行（穩(wěn)前油約為55 ℃，穩(wěn)后油約為170 ℃）兩類工況下進行為期10 天的運行考核。主要考核參數(shù)包括冷卻液冷卻后溫度，油溫、機械密封泄漏情況及冷卻液穩(wěn)壓情況等。

圖1 雙端面密封安裝現(xiàn)場

4 使用維護注意事項

如果泵在運行過程中忽然有少量泄漏，可能是因為密封正常磨損達到了使用壽命，也可能是工況發(fā)生改變或操作、維修維護不當造成，舉例如下。

（1）氣蝕、抽空或長時間憋壓。

（2）機泵實際輸出流量小，大量介質(zhì)泵內(nèi)循環(huán)，熱量聚集，引起氣化導致密封失效。

（3）密封端面件有雜質(zhì)、結(jié)焦、聚合物等未被清理，導致摩擦副因粘連撕扯密封面。

（4）泵運行的周圍環(huán)境溫度發(fā)生較大變化。

（5）啟停泵操作、負荷調(diào)整、工藝介質(zhì)組份等變化、調(diào)整頻繁。

（6）突然間停電或機械故障停機等。

對于雙端面機械密封在使用、維護和檢修工作中需注意以下3 方面。

（1）增加對密封罐端面的潤滑，能夠有效減少磨損和延長使用壽命，摩擦和攪拌產(chǎn)生的熱量也可以由潤滑劑帶走。因此在雙端面機械密封中，對隔離液潤滑冷卻溫度的監(jiān)測十分重要，需要重點關(guān)注隔離液冷卻溫度，如有異常及時處理。

（2）做好密封端面的反沖洗，能夠從根本上及時將機械摩擦產(chǎn)生的熱能和摩擦產(chǎn)生的雜質(zhì)傳遞出去。避免兩個端面間的隔離液膜建立不穩(wěn)定，產(chǎn)生干摩擦現(xiàn)象，損壞密封。因此在機械密封使用過程中要絕對保證沖洗冷卻液的供給順暢和沖洗液的充足，同時要按設(shè)計要求定期進行清理和保養(yǎng)。

（3）日常運行中，隔離液儲量會因管線接頭滲漏等有所流失，因此要時常檢查輔助系統(tǒng)運行情況，保證隔離液系統(tǒng)的液位、壓力在設(shè)計要求范圍內(nèi)，確保各密封處良好。若密封液壓力降低，需使用補液泵向系統(tǒng)內(nèi)補充密封液。同時注意觀察補液罐內(nèi)密封液液位，油位降低時進行補充。