西部成品油管道輸油泵雙端面機(jī)械密封的研發(fā)及應(yīng)用

張明 胡旭 朱英斌 馬存新

1國家管網(wǎng)集團(tuán)西部管道有限責(zé)任公司

2中國石油大港油田石油工程研究院

3約翰克蘭科技天津有限公司

西部成品油管道自烏魯木齊首（泵）站，經(jīng)中間12 座泵站加壓及沿途分輸后，止于蘭州末站；管道全長1 842 km，設(shè)計(jì)輸量1 000×104t/a，壓力10.0 MPa，烏魯木齊—新堡段管徑559 mm，新堡—蘭州末站管徑508 mm，密閉輸送。輸油泵采用美國蘇爾壽12×14×23A HSB 和12×14×23B HSB 兩種型號泵，轉(zhuǎn)速2 981 r/min，配套約翰克蘭8B1HH型號機(jī)械密封。自2006 年西部成品油管道投產(chǎn)以來，8B1HH 機(jī)械密封出現(xiàn)近百余次故障，主要以機(jī)封泄漏、機(jī)封溫度高為主。隨著區(qū)域化管理全面實(shí)施縱深推進(jìn)[1]，西部管道公司建立“以調(diào)度運(yùn)行為核心的生產(chǎn)指揮體系”，無人站、少人站為西部成品油管道常態(tài)化管理模式。由于沿線站場多處于荒漠戈壁，社會(huì)依托條件極差，對輸送汽、柴油等易燃易爆危險(xiǎn)介質(zhì)的密封性提出了更嚴(yán)苛的要求，輸油站場輸油泵機(jī)械密封的穩(wěn)定可靠性直接影響生產(chǎn)安全[2]，因此優(yōu)化8B1HH 機(jī)械密封具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 8B1HH 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)及常見故障

8B1HH 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)如圖1 所示，補(bǔ)償機(jī)構(gòu)位于動(dòng)環(huán)上，動(dòng)環(huán)隨泵軸旋轉(zhuǎn)并參與軸向補(bǔ)償，即動(dòng)環(huán)為補(bǔ)償環(huán)。適用軸徑范圍25～115 mm，溫度5～30 ℃，介質(zhì)為汽、柴油，轉(zhuǎn)速0～3 000 r/min，配置Plan31 自沖洗系統(tǒng)及Plan65A 泄漏收集報(bào)警系統(tǒng)。

圖1 8B1HH 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)Fig.1 8B1HH mechanical seal structure

該機(jī)械密封為非旋轉(zhuǎn)式，補(bǔ)償環(huán)采用多彈簧支撐，安裝在動(dòng)環(huán)座內(nèi)，沖洗口位于靜環(huán)座的上方。經(jīng)多年使用，該機(jī)械密封出現(xiàn)的典型故障見圖2。推進(jìn)型設(shè)計(jì)依靠補(bǔ)償環(huán)處O 型圈動(dòng)態(tài)密封能力及密封的追隨能力保障彈簧補(bǔ)償作用，當(dāng)成品油中含有雜質(zhì)會(huì)引起動(dòng)環(huán)O 型圈滑動(dòng)補(bǔ)償卡滯造成二次密封失效（圖2a）。雜質(zhì)堆積在補(bǔ)償彈簧處，造成補(bǔ)償作用減弱或彈簧卡死無法有效密封[2-3]，彈簧卡死后密封端面比壓過大，機(jī)封溫度升高；密封端面采用動(dòng)環(huán)高壓錘頭設(shè)計(jì)，材質(zhì)為石墨，當(dāng)安裝不當(dāng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致密封動(dòng)環(huán)壓縮余量耗盡，錘頭與彈簧座易碰撞碎裂，受到應(yīng)力突變，環(huán)面易崩邊（圖2b）。補(bǔ)償環(huán)隨軸旋轉(zhuǎn)，與機(jī)械密封端蓋配合的泵體精度不良時(shí)容易導(dǎo)致配合環(huán)變形，從而使密封面接觸不均勻，發(fā)生偏磨，密封失效（圖2c）。采用窩式傳動(dòng)補(bǔ)償環(huán)，補(bǔ)償環(huán)與固定套之間出現(xiàn)相對運(yùn)動(dòng)易發(fā)生磨損，降低精度（圖2d 和圖2e）。沖洗液方向垂直補(bǔ)償環(huán)，從沖洗口出來的高壓介質(zhì)不斷沖刷補(bǔ)償環(huán)側(cè)面，而補(bǔ)償環(huán)材質(zhì)為石墨較軟，易受高速介質(zhì)沖刷（圖2f）。

圖2 8B1HH 機(jī)械密封失效Fig.2 8B1HH mechanical seal failure

2 8648VRS+SBXP雙端面機(jī)械密封設(shè)計(jì)

針對8B1HH 機(jī)械密封不足，結(jié)合西部成品油管道管理現(xiàn)狀，在保持原有沖洗和泄漏收集報(bào)警系統(tǒng)不變前提下，提出雙端面機(jī)械密封（串聯(lián)式雙密封）結(jié)構(gòu)（圖3），實(shí)現(xiàn)內(nèi)密封失效時(shí)，外密封承擔(dān)主密封作用，事故工況下無可見泄漏，給運(yùn)行維護(hù)檢修提供足夠應(yīng)急時(shí)間[4]。采用雙端面機(jī)械密封不加壓布置結(jié)構(gòu)，內(nèi)密封為接觸式高壓封液密封，非推進(jìn)式，用于密封泵送成品油；應(yīng)用蝶式耳式傳動(dòng)套解決傳動(dòng)中的磨損和卡滯，補(bǔ)償環(huán)設(shè)置在靜環(huán)座上軸向移動(dòng)補(bǔ)償，優(yōu)化沖洗口緩解沖洗液直接沖刷補(bǔ)償環(huán)和配合環(huán)，升級補(bǔ)償環(huán)、配合環(huán)材質(zhì)為SiC[5]；外密封為輔助密封，采用接觸式氣體潤滑（干運(yùn)轉(zhuǎn)密封），多彈簧平衡型設(shè)計(jì)，補(bǔ)償環(huán)配合環(huán)材料分別為SiC 和CARBON+DUPLEX S.S +ALLOY K-500（鑲嵌自潤滑石墨）[6]，正常運(yùn)行工況通過接觸干運(yùn)轉(zhuǎn)密封方式進(jìn)行密封介質(zhì)流體的揮發(fā)性控制，事故工況下為常規(guī)濕密封。

圖3 雙端面機(jī)械密封結(jié)構(gòu)Fig.3 Double mechanical seal structure

2.1 內(nèi)密封8648VRS 設(shè)計(jì)

2.1.1 內(nèi)密封補(bǔ)償環(huán)與配合環(huán)設(shè)計(jì)

內(nèi)密封8648VRS 密封端面采用約翰克蘭CSTEDY 有限元軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，端面平衡比為73%，端面比壓設(shè)計(jì)為0.6 MPa[7-8]，密封端面溫度及梯度分布見圖4。以西部成品油運(yùn)行工況為例，其密封端面模擬動(dòng)態(tài)運(yùn)行結(jié)果如圖5 所示。

圖4 密封端面溫度分布場Fig.4 Temperature distribution field of machinery seal

圖5 動(dòng)態(tài)運(yùn)行下的模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results under dynamic operation

由圖4、圖5 可知，密封端面溫度云圖顯示內(nèi)密封8648VRS 端面溫度最高點(diǎn)靠近內(nèi)徑，為118.8 ℃，因密封環(huán)外徑處先與液體接觸，對流換熱系數(shù)大、散熱效果好，端面外徑溫度低，端面溫度沿兩端面軸向逐漸下降；補(bǔ)償環(huán)面積小、高溫區(qū)小，配合環(huán)面積大，高溫區(qū)相對大，溫度區(qū)與接觸面積呈正比關(guān)系。模擬實(shí)際工況下的動(dòng)態(tài)運(yùn)行結(jié)果為：補(bǔ)償環(huán)受到以端面外徑為中心的傾覆力矩，產(chǎn)生了一定錐度，補(bǔ)償環(huán)和配合環(huán)未完全貼合，外徑處端面脫離程度最大，沿徑向向內(nèi)逐漸減小，補(bǔ)償環(huán)與配合環(huán)間形成了較合理間隙，保證了液膜穩(wěn)定，達(dá)到有效潤滑和散熱，且端面前沿溫度穩(wěn)定地保持在118.8 ℃，與有限元設(shè)計(jì)溫度一致。

2.1.2 內(nèi)密封8648VRS 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

8648VRS 密封采用高抗壓非推進(jìn)式橡膠波紋管二次密封技術(shù)[9]，利用流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的彈力保持補(bǔ)償環(huán)和配合環(huán)貼合追隨并相對滑動(dòng)[10]，對輸送介質(zhì)雜質(zhì)顆粒包容性更強(qiáng)，抗軸向竄動(dòng)能力達(dá)到±0.8 mm；補(bǔ)償環(huán)靜止型和配合環(huán)旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)可有效抵消泵體和軸對中偏差對機(jī)械密封動(dòng)靜環(huán)定位精度的影響，延長密封使用壽命；采用小面積補(bǔ)償環(huán)（SiC）和大面積配合環(huán)（SiC）設(shè)計(jì)，擴(kuò)大了換熱接觸面積，高性能密封摩擦副適于更嚴(yán)苛工況；補(bǔ)償環(huán)上推進(jìn)式O 型圈設(shè)計(jì)，消除泵軸竄動(dòng)產(chǎn)生的磨損。內(nèi)密封8648VRS 模型見圖6。

圖6 內(nèi)密封8648VRS 模型Fig.6 Model of 8648VRS inner seal

2.2 外密封SBXP 設(shè)計(jì)

SBXP 密封設(shè)計(jì)為多彈簧平衡型密封，與主密封串聯(lián)，旋轉(zhuǎn)整體配合環(huán)材質(zhì)為CARBON+DUPLEX S.S +ALLOY K-500（鑲嵌自潤滑石墨）[11]，補(bǔ)償環(huán)為高導(dǎo)熱系數(shù)抗粘著磨損的SiC 材料[12]；補(bǔ)償環(huán)O 型圈采用大斷面溝槽設(shè)計(jì)，軸向卡滯力較小，補(bǔ)償彈簧保證補(bǔ)償環(huán)與配合環(huán)貼合追隨實(shí)現(xiàn)密封；具備干運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)壓能力（最大動(dòng)壓為0.034 473 8 MPa，密封在介質(zhì)有氣化無沖洗條件下可干運(yùn)轉(zhuǎn)三年）、液體工況動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)能力（內(nèi)密封失效后，SBXP 密封作為傳統(tǒng)濕密封發(fā)揮密封功能）和靜壓密封能力（內(nèi)密封失效泵停運(yùn)后，SBXP 密封在承受介質(zhì)壓力下，無可見泄漏）。SBXP 密封模型見圖7。

圖7 SBXP 密封模型Fig.7 Model of SBXP seal

3 工廠試驗(yàn)和現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)

3.1 SBXP 密封工廠試驗(yàn)

為驗(yàn)證SBXP 密封干運(yùn)轉(zhuǎn)、液體工況動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)和耐靜壓密封能力，在工廠進(jìn)行了模擬現(xiàn)場工況試驗(yàn)，密封驗(yàn)證設(shè)計(jì)見圖8。常壓干運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)：常壓，試驗(yàn)介質(zhì)空氣，連續(xù)運(yùn)行9 h，每小時(shí)記錄密封端蓋溫度；（階梯）液壓動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)：壓力1～10 MPa，以1 MPa 為梯度，每個(gè)梯度運(yùn)轉(zhuǎn)30 min，記錄端蓋溫度和機(jī)封泄漏量；耐靜壓及液壓動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)：壓力10 MPa，先靜壓60 min，每10 min 記錄泄漏量，后連續(xù)運(yùn)行12 h，每小時(shí)記錄密封溫度和泄漏量：所有動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)轉(zhuǎn)速2 981 r/min，試驗(yàn)液體介質(zhì)為Mobil Velocite oil NO.15。SBXP 測試結(jié)果見圖9。

圖8 SBXP 密封能力驗(yàn)證試驗(yàn)Fig.8 SBXP sealing ability verification

由圖9 可知，常壓干運(yùn)轉(zhuǎn)下SBXP 密封端蓋溫度隨運(yùn)行時(shí)間變長呈下降趨勢，起始溫度最高為62.6 ℃，初始狀態(tài)下補(bǔ)償環(huán)和配合環(huán)之間摩擦因數(shù)大，密封端面磨損嚴(yán)重。隨著配合環(huán)中自潤滑石墨逐漸研磨析出，端面間摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定，密封面間形成自潤滑作用并促進(jìn)散熱，端面溫度隨時(shí)間變長最終趨于穩(wěn)定，此外補(bǔ)償環(huán)小面積密封寬度也有利于減少熱量產(chǎn)生。階梯壓力動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，模擬內(nèi)密封失效后驗(yàn)證SBXP 密封受到壓力沖擊時(shí)的密封性，SBXP 密封端面溫度隨壓力增大呈緩慢升高趨勢，原因隨介質(zhì)壓力增大密封面端面比壓變大，更多機(jī)械能轉(zhuǎn)化成摩擦熱，在最大壓力10 MPa 下溫度為41.1 ℃，密封泄漏量從壓力1 MPa 下4 mL/h 降低到10 MPa 泄漏量0.8 mL/h，未出現(xiàn)密封泄漏量超標(biāo)。模擬管道壓力10 MPa，靜壓60 min 未觀察到密封泄漏，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)12 h 密封泄漏量呈現(xiàn)出波動(dòng)性，最大泄漏量為1 mL/h，機(jī)封端蓋最高溫度為40.8 ℃，密封符合要求。干運(yùn)轉(zhuǎn)、液體工況動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)和耐靜壓試驗(yàn)驗(yàn)證了SBXP 密封性能，低摩擦和導(dǎo)熱良好的密封材料、合適的密封端面比壓及合理的密封環(huán)寬度保證了SBXP 密封性能。

圖9 SBXP 密封試驗(yàn)測試結(jié)果Fig.9 Results of SBXP sealing test

3.2 8648VRS+SBXP 雙端面密封工業(yè)性試驗(yàn)

工廠試驗(yàn)驗(yàn)證后，在西部成品油管道某輸油站成品油3#泵（12×14×23A HSB）開展了工業(yè)性試點(diǎn)應(yīng)用試驗(yàn)，通過實(shí)際工況進(jìn)一步檢驗(yàn)驗(yàn)證密封運(yùn)行可靠性，工業(yè)性應(yīng)用考核時(shí)間為5 000 h。

3.2.1 密封泄漏及溫度監(jiān)測

監(jiān)測8648VRS+SBXP 雙端面密封在輸送汽、柴油介質(zhì)環(huán)境中不同運(yùn)行時(shí)間下密封的泄漏量以及密封端蓋端面溫度（溫度傳感器）和軸套溫度（手持式測溫儀），數(shù)據(jù)記錄見表1。

表1 8648VRS+SBXP 密封運(yùn)行數(shù)據(jù)Tab.1 Operating data of 8648VRS+SBXP seal

由表1 可知，現(xiàn)場試驗(yàn)的8648VRS+SBXP 機(jī)械密封（內(nèi)密封）泄漏量呈現(xiàn)一定波動(dòng)性，最大漏量為4 滴/min，泄漏在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；密封端蓋端面最高溫度為46 ℃，與輸送介質(zhì)溫差最高僅為25 ℃。該機(jī)械密封內(nèi)密封補(bǔ)償環(huán)與配合環(huán)端面間通過沖洗液形成穩(wěn)定液膜，保障摩擦面對流傳熱效果達(dá)到產(chǎn)熱和散熱的平衡，外密封補(bǔ)償環(huán)在0.034 473 8 MPa彈簧動(dòng)壓下與鑲嵌有自潤滑石墨的配合環(huán)貼合追隨，既形成有效密封又不會(huì)產(chǎn)生大量熱量，保證了機(jī)械密封運(yùn)行穩(wěn)定、長壽命。

3.2.2 密封腔靜壓密封試驗(yàn)

工業(yè)性考核時(shí)間達(dá)到5 000 h 后，開展了密封腔靜壓密封試驗(yàn)，以模擬事故工況下內(nèi)密封失效，大量介質(zhì)排入內(nèi)密封泄漏收集腔，檢驗(yàn)SBXP 外密封的可靠性。泵腔壓力9.9 MPa，因內(nèi)密封不具備反壓工況能力，通過該密封端蓋預(yù)留通道向內(nèi)密封泄漏收集腔注入9.5 MPa 介質(zhì)，并堵塞內(nèi)密封排污通道，時(shí)間60 min，每15 min 記錄壓降和密封泄漏量，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 數(shù)據(jù)表明，泵腔壓力為9.9 MPa 下，模擬內(nèi)密封失效，內(nèi)密封泄漏收集腔在9.5 MPa 持續(xù)60 min 加壓下，無壓力下降和可見泄漏，SBXP外密封表現(xiàn)出良好的密封性。5 000 h 工業(yè)性試驗(yàn)后SBXP 密封表現(xiàn)出良好靜壓密封性。

表2 SBXP 密封模擬事故工況下靜壓密封試驗(yàn)Tab.2 Static pressure sealing test under simulated accident conditions by SBXP seal

3.2.3 密封端面磨損檢測

密封端面的摩擦磨損速度是決定密封是否穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵[13-14]，為評估8648VRS+SBXP 雙端面密封的壽命，工業(yè)性考核時(shí)間結(jié)束后選取補(bǔ)償環(huán)和配合環(huán)中心在12 點(diǎn)、3 點(diǎn)、6 點(diǎn)、9 點(diǎn)四個(gè)方向分別測量了8648VRS 和SBXP 密封端面的磨損量，并與密封端面內(nèi)外密封補(bǔ)償環(huán)和配合環(huán)（42.00、12.00、27.00、16.00 mm）原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，圖10 為工業(yè)性考核時(shí)間結(jié)束后測得的密封端面數(shù)據(jù)。由圖10 可知，內(nèi)密封8648VRS 補(bǔ)償環(huán)磨損量為0.06 mm，內(nèi)密封配合環(huán)磨損量較小，為0.01 mm，內(nèi)密封補(bǔ)償環(huán)在波紋管和介質(zhì)壓力作用下進(jìn)行補(bǔ)償，發(fā)生相對大的磨損量。外密封配合環(huán)鑲嵌石墨材質(zhì)相對SiC 補(bǔ)償環(huán)為易磨損軟材料，相互間發(fā)生干摩擦，磨損量為0.07 mm，相對較大，補(bǔ)償環(huán)SiC磨損量小，僅0.01 mm。數(shù)據(jù)表明5 000 h 工業(yè)性考核時(shí)間結(jié)束后內(nèi)外密封端面的磨損量均不超過0.08 mm，計(jì)算預(yù)測密封壽命完全滿足API682 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的三年25 000 h。

圖10 工業(yè)性考核時(shí)間結(jié)束后內(nèi)外密封端面數(shù)據(jù)Fig.10 Data of inner and outer seal face after industrial test time

3.2.4 密封端面形貌分析

圖11 為工業(yè)性考核時(shí)間結(jié)束后內(nèi)外密封端面的表面形貌，11a 和11b 分別是8648VRS 內(nèi)密封補(bǔ)償環(huán)和配合環(huán)表面形貌，11c 和11d 分別是SBXP 外密封補(bǔ)償環(huán)及配合環(huán)表面形貌。利用Taylor hobson公司TR200 粗糙度儀測量了各密封端面粗糙度，結(jié)果見圖12。

由圖11 可知，內(nèi)密封8648VRS 補(bǔ)償環(huán)表面（圖11a）摩擦磨損比配合環(huán)（圖11b）相對嚴(yán)重，表面輪廓起伏較大，波峰波谷差值達(dá)到12.024 5 μm（圖12a），因內(nèi)密封補(bǔ)償環(huán)受力面積較小，受波紋管與介質(zhì)壓力作用，軸向移動(dòng)追隨貼合配合環(huán)，在實(shí)現(xiàn)密封的過程中出現(xiàn)相對較大磨損。外密封小面積補(bǔ)償環(huán)在0.034 473 8 MPa 動(dòng)壓下與含自潤滑石墨的大面積配合環(huán)發(fā)生干摩擦，表面磨損明顯微觀形貌較粗糙（圖11c），反映到輪廓曲線波動(dòng)大，表面粗糙度最大達(dá)到1.421 5 μm（圖12c）；外密封配合環(huán)鑲嵌石墨表現(xiàn)出良好的自潤滑性，在表面形成一定厚度的摩擦潤滑膜，保持低而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，較好地保護(hù)了配合環(huán)密封端面（圖11d）。

圖11 工業(yè)性考核結(jié)束后密封端面形貌Fig.11 Seal appearance after industrial test

圖12 工業(yè)性考核結(jié)束后密封端面粗糙度Fig.12 Roughness of sealing face after industrial test

4 結(jié)論

（1）8648VRS+SBXP 雙端面密封配合環(huán)僅參與旋轉(zhuǎn)，補(bǔ)償環(huán)利用波紋管和彈簧伸縮，對軸竄適應(yīng)性更強(qiáng)，解決了密封圈滑動(dòng)補(bǔ)償卡滯難題，密封結(jié)構(gòu)比8B1HH 密封更合理更科學(xué)。

（2）補(bǔ)償環(huán)和配合環(huán)材料得到升級，工廠試驗(yàn)和工業(yè)性考核表明，該密封適合西部成品油管道運(yùn)行工況，SBXP 外密封可在干摩擦狀態(tài)下長周期穩(wěn)定運(yùn)行，在干、濕（承壓10 MPa）環(huán)境中均表現(xiàn)出良好的密封性，解決了內(nèi)密封（主密封）失效后泵腔介質(zhì)泄漏到環(huán)境中這一運(yùn)行難題

（3）數(shù)據(jù)表明，8648VRS+SBXP 雙端面內(nèi)外密封壽命均能達(dá)到API682 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的25 000 h，建議在大落差站場、8B1HH 機(jī)械密封故障多、社會(huì)依托差的輸油站或輸油泵上逐步推廣應(yīng)用以代替原8B1HH 機(jī)械密封。