多彈簧機(jī)械密封在注水泵上的應(yīng)用與改進(jìn)分析

高峰

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452）

油田注水是保持油層壓力、降低原油遞減率的主要措施，注水泵機(jī)組是油田注水的關(guān)鍵設(shè)備。KHP170-140×10型注水泵是由佛山水泵廠生產(chǎn)的應(yīng)用于海上平臺的高壓注水設(shè)備，在海上平臺應(yīng)用非常廣泛，該泵由1120kW的電機(jī)驅(qū)動，承擔(dān)著平臺注水的重要任務(wù)。

自平臺投產(chǎn)以來，因介質(zhì)內(nèi)含有細(xì)砂，連續(xù)長時間運(yùn)轉(zhuǎn)等原因，2020年注水泵機(jī)組已經(jīng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)了18000h，期間損壞機(jī)械密封12套，機(jī)封平均壽命不到1500h。2020年6月，注水泵的驅(qū)動端機(jī)封出現(xiàn)頻繁泄漏的情況，在拆檢過程中發(fā)現(xiàn)機(jī)封的動靜環(huán)密封面嚴(yán)重磨損，有些新機(jī)封剛剛運(yùn)行幾天就會出現(xiàn)泄漏的情況，找出機(jī)封頻繁損壞的根本原因成為保證注水的首要任務(wù)。

1 機(jī)封的組成及工作原理

機(jī)械密封是一種用于流體旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸向密封裝置，它一般由4部分組成，即由動環(huán)和靜環(huán)組成的密封端面（摩擦副）；以彈性元件為主要零件的緩沖補(bǔ)償機(jī)構(gòu)；輔助密封圈；使動環(huán)隨軸旋轉(zhuǎn)的傳動機(jī)構(gòu)。緩沖補(bǔ)償機(jī)構(gòu)一般采用彈簧和波紋管兩種形式，其中波紋管可采用橡膠、聚四氟乙烯和焊接金屬等材料制作。

工作原理：機(jī)械密封亦稱端面密封，其有一對垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的端面，該端面在流體壓力及補(bǔ)償機(jī)械外彈力的作用下，依賴輔助密封的配合與另一端保持貼合，并相對滑動，從而防止流體泄漏。由于其密封性能穩(wěn)定、泄漏量少、功耗低、使用壽命長、對軸承磨損小、耐振性強(qiáng)、密封參數(shù)高的特點(diǎn)，使用范圍十分廣泛。

2 存在的問題及原因分析

2.1 機(jī)械密封損壞的原因

根據(jù)統(tǒng)計，機(jī)械密封使用壽命平均不到1500h，特別是2020年以來，使用壽命更是縮短到了不到800h，由此導(dǎo)致設(shè)備頻繁地停機(jī)，嚴(yán)重影響設(shè)備的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)和油田注水。從驅(qū)動端的機(jī)封腔室壓力和機(jī)封拆檢情況看，密封失效形式主要有磨損、波紋管破裂、波紋管彈性失效、鎖緊裝置失效等原因，經(jīng)分析造成失效的主要原因有以下幾種：（1）注水泵驅(qū)動端腔室壓力高。（2）波紋管機(jī)封在高腔室壓力下無法正常使用。（3）軸套的螺釘鎖緊形式在高腔室壓力下無法長時間有效鎖緊。

2.2 機(jī)封損壞的原因分析

機(jī)封受力情況如下（如圖1）。

圖1 機(jī)封受力情況

動環(huán)受力：Ft為彈簧力；Fp為介質(zhì)壓力；Fm為液膜壓力。

多彈簧推進(jìn)式機(jī)械密封的受力情況：

圖2 多彈簧機(jī)封受力情況

3 提高機(jī)封使用壽命的措施及效果

3.1 彈簧式機(jī)械密封的優(yōu)點(diǎn)

多彈簧的排列方式使得密封端面承受壓力更加均勻；動環(huán)與軸套之間、靜環(huán)與壓蓋之間由原來的密封膠圈改為現(xiàn)有的螺栓和墊片連接，從而使這兩處的密封和連接更加可靠；軸和軸套不受磨損；抗振性好，對旋轉(zhuǎn)軸的振動、偏擺以及軸對密封腔的偏斜適應(yīng)性強(qiáng)；可避免因機(jī)泵反轉(zhuǎn)造成的密封失效；能夠承受較高的腔室壓力。

3.2 波紋管機(jī)械密封的缺點(diǎn)

波紋管是該類密封的彈性補(bǔ)償元件，由于長期處在高溫、高壓、振動、腐蝕等環(huán)境中，波紋管焊接部位因疲勞易出現(xiàn)裂紋，甚至斷裂，波紋管密封一旦泄漏，往往就要更換整套密封，造成很大的浪費(fèi)；對冷卻水質(zhì)要求高，密封的冷卻水套和密封彈性體之間間隙過小，在泵運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，冷卻水中的鹽類和雜質(zhì)在波紋管上結(jié)晶、沉淀后形成水垢，當(dāng)水垢積累到一定程度時，就會使波紋管的彈性降低或喪失，導(dǎo)致密封動環(huán)與靜環(huán)之間端面貼合不緊而造成密封泄漏。腔室壓力較高時，動靜環(huán)之間的間隙將逐漸增大，無法起到密封的效果。

3.3 機(jī)封形式的改造

針對波紋管式機(jī)封和彈簧式機(jī)械密封的特點(diǎn)，以及對現(xiàn)場情況的分析，將對機(jī)封進(jìn)行以下改型。

（1）補(bǔ)償機(jī)構(gòu)形式的改造。將補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的形式從波紋管式更換為多彈簧式，多彈簧式的機(jī)封壓力分布更加均勻，更適合高速和大軸頸的泵。（2）鎖緊方式的改造。將軸套鎖緊方式由螺釘式改為盤式鎖緊，不僅拆裝方便，傳遞孔徑大，盤式鎖緊具有更大的鎖緊力，軸套不易發(fā)生相對的滑動，能夠保證軸套固定狀態(tài)，減少了相對位移，杜絕了動靜環(huán)密封面的磨損和所承受的沖擊。（3）密封面材質(zhì)的改造。將密封面的材質(zhì)進(jìn)行換型，硬質(zhì)合金材質(zhì)具有硬度高、耐磨和韌性較好的性能，因此，將原來的石墨—石墨材料改為硬質(zhì)合金—碳化硅，在調(diào)整后試運(yùn)行，其密封效果得到了明顯的改善，并且由于磨損的密封面較輕，可以對其進(jìn)行研磨修復(fù)，重復(fù)使用，這樣大大節(jié)約了維修成本。（4）節(jié)流襯套的改造。經(jīng)過對泵體進(jìn)行解體檢查，判斷泵體腔室壓力過高的主要原因是節(jié)流襯套的磨損，襯套間隙的增大促使泵體第七級葉輪進(jìn)口較高壓力竄向機(jī)封腔室，導(dǎo)致機(jī)封腔室壓力過高。為了從根源上解決這一問題，將節(jié)流襯套形式改為螺旋套，材質(zhì)改為碳化硅，提高了節(jié)流襯套的耐磨性，從而確保了注水泵驅(qū)動端腔室壓力的正常狀態(tài)。

3.4 改造效果

對注水泵C進(jìn)行升級改造，其他泵作為對比，經(jīng)過6個月的持續(xù)觀察，現(xiàn)場無泄漏，腔室壓力為0.55MPa，未有明顯增加。配合在線振動檢測系統(tǒng)針對注水泵全面監(jiān)控，機(jī)械人員可以通過這些數(shù)據(jù)對注水泵出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析，提前做好預(yù)知性維修，保障注水泵的安全運(yùn)行狀態(tài)。

4 結(jié)語

經(jīng)過改型的機(jī)封，無論從承受壓力、材質(zhì)的耐磨性能、軸套鎖緊的可靠性以及研磨的重復(fù)利用率上都有較大提升，保證了設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行，為注水泵返陸地檢修贏得時間，同時，也保質(zhì)保量完成注水任務(wù)。年初計劃注水量為273萬方，實(shí)際完成注水量為281萬方，超出注水指標(biāo)2.9%。