成品油管道輸油主泵機(jī)械密封故障分析

張?zhí)m新

摘要：針對成品泵機(jī)械密封故障率高的問題，文章從烏蘭成品油泵現(xiàn)用約翰·克蘭單端面機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)特點出發(fā)，找出該類機(jī)械密封故障率高的根本原因。在此基礎(chǔ)上，對8648V型雙端面機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)原理、主要優(yōu)勢、現(xiàn)場安裝使用中存在的可改進(jìn)之處進(jìn)行了闡述。最后從機(jī)械密封的選型、現(xiàn)場安裝、泄漏監(jiān)測、使用管理方面提出建議。研究結(jié)果表明：現(xiàn)用單端面機(jī)械密封動環(huán)既參與軸向補償，又兼顧旋轉(zhuǎn)密封的結(jié)構(gòu)特點是導(dǎo)致其故障率高的主要原因；雙端面機(jī)械密封在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了一定優(yōu)化，穩(wěn)定性與安全性更高，但尚存在安裝困難、主密封溫度難以監(jiān)測的問題。因此，只有做好機(jī)械密封的選型、提高現(xiàn)場安裝的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以及完善日常使用和管理，才能逐步降低成品油泵機(jī)械密封故障率。

關(guān)鍵詞：機(jī)械密封；補償環(huán)；配合環(huán)；相應(yīng)對策

中圖分類號：TE973.9????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著石油化工行業(yè)的不斷發(fā)展，對管道企業(yè)的安全、平穩(wěn)以及盡可能的長周期運行提出了更高要求，而機(jī)泵的平穩(wěn)運轉(zhuǎn)是輸油站場所安全生產(chǎn)的核心[1]。輸油主泵機(jī)械密封一旦發(fā)生失效泄露，不僅會觸發(fā)泵機(jī)組保護(hù)停機(jī)，甚至?xí)?dǎo)致全線停輸事故；此外，成品油向外界大量泄漏，還可能引發(fā)著火、爆炸、人員傷亡等事故[2]。因此亟待尋求一系列行之有效地改進(jìn)措施，以解決現(xiàn)階段成品油泵機(jī)械密封故障率高的問題[3]。

為將成品油泵機(jī)械密封故障次數(shù)降到最低，盡可能提高泵機(jī)組運行可靠性，需要對現(xiàn)用成品油泵機(jī)械密封的故障狀況、故障原因進(jìn)行深入總結(jié)分析，找出其中規(guī)律，提出針對性措施，達(dá)到預(yù)防和減少機(jī)械密封故障目的[4]。

機(jī)械密封又稱端面密封，是一種用來解決旋轉(zhuǎn)軸與泵體之間密封的裝置[5]。工作狀態(tài)下，由密封油品壓力以及彈性元件的彈力所產(chǎn)生的閉合力，使機(jī)械密封的兩個端面緊密貼合，進(jìn)而使密封端面之間形成一個微小間隙，當(dāng)輸送的油品通過此間隙時，形成一層極薄的油膜，進(jìn)而阻止油品向外界泄漏，達(dá)到長期密封效果[6]。

1機(jī)械密封結(jié)構(gòu)組成

不同類型機(jī)械密封在結(jié)構(gòu)上存在一定差異，但均包括以下主要部分。

1.1動、靜環(huán)摩擦副（動、靜環(huán)）

動、靜環(huán)摩擦副為機(jī)械密封的主要密封原件，在工作狀態(tài)下，動、靜環(huán)摩擦副緊密貼合，起到防止介質(zhì)泄露的作用[7]。根據(jù)補償機(jī)構(gòu)設(shè)置以及動、靜環(huán)的補償能力，可將動、靜環(huán)進(jìn)一步分為：補償環(huán)和非補償環(huán)。補償環(huán)材質(zhì)相對較軟，可以軸向靈活移動，具有追隨性；自動補償密封面的磨損[1]，使動、靜環(huán)始終能保持良好貼合，不同類型的機(jī)械密封補償環(huán)分布情況不同[8]。

彈性元件在機(jī)械密封中主要起補償、預(yù)緊及緩沖作用。彈性原件應(yīng)當(dāng)始終保持良好的彈性才能保證動、靜環(huán)摩擦副的緊密貼合和補償環(huán)的追隨作用[9]。彈性元件的彈性和穩(wěn)定性直接決定機(jī)械密封端面比壓的大小，比壓過大，可能造成密封面之間的潤滑液膜厚度較小，一方面加劇動、靜環(huán)磨損，另一方面在摩擦副端面產(chǎn)生大量的摩擦熱，進(jìn)而破壞動、靜環(huán)端面材料原有性能，進(jìn)一步加劇密封端面的磨損[10]；端面比壓過小，密封端面處于液體摩擦狀態(tài)，摩擦副不能良好貼合，進(jìn)而導(dǎo)致泄漏[11]。

機(jī)械密封的輔助密封主要為 O 型圈、四氟擋圈等，以上部件不僅起到泵軸與軸套、動環(huán)與動環(huán)座、靜環(huán)與壓蓋、壓蓋與泵殼體等部位的靜密封作用，同時也具有一定的浮動、緩沖作用，使泵軸的振動不至于不加緩沖直接傳遞到主密封面、軸套、壓蓋等關(guān)鍵部位，避免因振動造成密封面磨損加劇甚至破壞[12]。

1.2傳動元件

傳動元件主要包括軸套、托架、定位螺栓等，主要是將泵軸的轉(zhuǎn)矩傳給動環(huán)，帶動動環(huán)旋轉(zhuǎn)。

1.3緊固件和防轉(zhuǎn)件

緊固件的作用是對動、靜環(huán)進(jìn)行定位、緊固，保證軸向定位準(zhǔn)確，使動靜環(huán)摩擦副處于正確的位置并保持良好的緊密貼合。防轉(zhuǎn)件主要作用是防止靜環(huán)轉(zhuǎn)動和脫出[13]。

2現(xiàn)用成品油泵機(jī)械密封結(jié)構(gòu)分析

烏蘭成品油管線蘇爾壽泵主要采用約翰·克蘭48 V、8B1HH型機(jī)械密封，兩種機(jī)械密封形式基本相同，僅在動、靜環(huán)結(jié)構(gòu)上存在微小差異，可相互通用。而原油魯爾泵采用切塔201A型機(jī)械密封，成品油、原油兩類機(jī)械密封主要部件基本相同，最大差異為約翰·克蘭48V、8B1HH型機(jī)械密封的補償機(jī)構(gòu)位于動環(huán)，即動環(huán)為補償環(huán)。而切塔201A型機(jī)械密封，補償機(jī)構(gòu)為靜環(huán)，靜環(huán)起補償作用，如圖1、圖2所示。

2.1補償環(huán)旋轉(zhuǎn)對機(jī)械密封軸向補償?shù)挠绊?/p>

無論是8B1HH型機(jī)械密封還是48V型機(jī)械密封，動環(huán)不僅跟隨泵軸旋轉(zhuǎn)，還參與軸向補償，因此要求動環(huán)在保證與動環(huán)座傳動機(jī)構(gòu)緊密貼合的同時存在一定的相對浮動性，能夠在彈性原件的帶動下軸向自由移動，因此，該類型的機(jī)械密封動環(huán)與動環(huán)座之間的傳動方式穩(wěn)定性差，動環(huán)與動環(huán)座之間活動度較大[14]。

實際工作條件下，啟停泵時，在瞬間大扭矩和振動的作用下，一方面可能導(dǎo)致動環(huán)傳動凸臺與動環(huán)座傳動槽卡死，致使動環(huán)無法自由回彈，補償功能減弱，工作時動靜環(huán)密封面間隙變大，造成泄漏量增加[15]。此外，對于8B1HH型機(jī)械密封，隨著使用時間的增加，動環(huán)外緣傳動槽磨損加劇，動環(huán)座無法將扭矩傳遞至動環(huán)，因此實際運行時，動環(huán)與動環(huán)座無法同步轉(zhuǎn)動，動環(huán)喪失隨動性，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)械密封完全失效，油品大量泄漏[16]。

2.2補償環(huán)旋轉(zhuǎn)對彈性元件穩(wěn)定的影響

約翰·克蘭的8B1HH 型、48V 型機(jī)械密封，均由多根彈簧共同作用提供軸向預(yù)緊力[17]。實際工作條件下，動環(huán)座帶動彈簧旋轉(zhuǎn)，泵軸的徑向振動直接作用于動環(huán)座，進(jìn)而作用于彈簧[18]。成品油泵單端面機(jī)械密封動環(huán)座與動環(huán)之間間隙相對較大，且動環(huán)活動度較大[19]。因此，泵軸振動促使彈簧在保持軸向快速伸縮的同時，在徑向相對于推環(huán)同樣存在一定的高頻往復(fù)運動，隨著運行時間的增加，彈簧穩(wěn)定性逐漸降低，彈簧無法穩(wěn)定的提供軸向彈力，部分彈簧甚至可能發(fā)生疲勞斷裂[20]。

彈簧預(yù)緊力無法均勻穩(wěn)定的施加至動環(huán)，動環(huán)垂直度不足，造成動環(huán)一側(cè)預(yù)緊力偏大，對應(yīng)該側(cè)動環(huán)端面與靜環(huán)貼合較緊，另一側(cè)與靜環(huán)相對貼合不足，造成動環(huán)偏磨。現(xiàn)場運行中表現(xiàn)為周期性泄漏[21]。

3雙端面機(jī)械密封結(jié)構(gòu)分析

針對現(xiàn)有成品油泵機(jī)械密封故障率高，并且機(jī)械密封一旦發(fā)生故障，極易導(dǎo)致大量成品油從泵內(nèi)直接泄漏噴出，造成環(huán)境污染，存在火災(zāi)爆炸等風(fēng)險的問題。雙端面機(jī)械密封可有效解決問題。

以約翰·克蘭8648V型雙端面機(jī)械密封舉例，該雙端面機(jī)械密封采用雙密封串聯(lián)不加壓布置結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)密封為接觸式高壓封液密封，用于密封泵輸送的成品油。而外密封為接觸式干運轉(zhuǎn)密封，正常工況為接觸式干運轉(zhuǎn)。對于8648V型雙端面機(jī)械密封，在實際運行中內(nèi)側(cè)密封起主要密封作用，密封原理與單端面密封相同，動、靜環(huán)端面互相貼合并相對潤滑組成密封端面，防止成品油泄漏。此外，相比于傳統(tǒng)的單端面機(jī)械密封，雙端面機(jī)械密封多了一對摩擦副，當(dāng)內(nèi)側(cè)密封發(fā)生失效泄漏時，外側(cè)密封能有效防止或緩沖泄漏油品從機(jī)械密封壓蓋處流出，進(jìn)而避免了成品油直接進(jìn)入大氣[22]。

3.1雙端面機(jī)械密封的優(yōu)勢

相比于目前使用的約翰·克蘭系列單端面機(jī)械密封，8648V型雙端面機(jī)械密封的內(nèi)密封為外置式靜止型機(jī)械密封，即動環(huán)僅參與旋轉(zhuǎn)，不具備軸向補償能力，動環(huán)與動環(huán)座之間通過傳動銷緊密結(jié)合，不存在相對運動，傳動銷將旋轉(zhuǎn)扭矩傳遞給動環(huán)，因此可以避免現(xiàn)用約翰·克蘭單端面機(jī)械密封由于動環(huán)與傳動機(jī)構(gòu)之間卡塞，造成動環(huán)喪失軸向移動補償能力，進(jìn)而導(dǎo)致密封面無法良好貼合的問題[23]。此外，8648V型內(nèi)密封動環(huán)與動環(huán)座、動環(huán)與軸套之間，均加設(shè)輔助密封“O 型圈”，起到一定的浮動緩沖作用，因此相比于傳統(tǒng)的單端面48V、8B1HH型機(jī)械密封，大大降低了因動環(huán)傳動部件磨損失效，導(dǎo)致的動環(huán)喪失隨動性風(fēng)險。

將補償機(jī)構(gòu)設(shè)置在靜環(huán)，彈簧不隨軸旋轉(zhuǎn)，還可有效避免彈簧因振動以及在高速旋轉(zhuǎn)時離心力所導(dǎo)致的變形失彈、疲勞斷裂等問題[24]。

除此之外，當(dāng)內(nèi)側(cè)密封失效發(fā)生大量泄漏時，外側(cè)密封能有效避免油品滲漏至大氣，因此相對于現(xiàn)用的成品油泵機(jī)械密封，8648V型雙端面機(jī)械密封在結(jié)構(gòu)上更加安全可靠。

3.2雙端面機(jī)械密封的改進(jìn)之處

盡管8648V型雙端面機(jī)械密封，在可靠性、安全性等方面相比現(xiàn)用8B1HH和48V型機(jī)械密封有大幅度提高，但是8648V型雙端面機(jī)械密封在現(xiàn)場安裝使用中仍存在一定的可改進(jìn)之處。

泵殼體至軸承箱距離相對較近，即機(jī)械密封的安裝空間有限。8648V型雙端面機(jī)械密封由于采用了兩對摩擦副串聯(lián)形式，機(jī)械密封整體較厚，對安裝空間的要求相對較高，進(jìn)而導(dǎo)致了雙端面機(jī)械密封現(xiàn)場安裝較為困難。

現(xiàn)用的8B1HH、48V 型單端面機(jī)械密封，其動、靜環(huán)密封端面位于靜環(huán)壓蓋內(nèi)部，即處于泵殼體外部，安裝在靜環(huán)壓蓋 Q 孔的溫度變送器，能夠?qū)?、靜環(huán)摩擦副的溫度進(jìn)行直接監(jiān)測，可及時準(zhǔn)確地反應(yīng)密封面的溫度狀況。

而8648V型雙端面機(jī)械密封采用了兩套密封串聯(lián)結(jié)構(gòu)，主密封部分完全深入泵殼體內(nèi)部。目前8648V 型雙端面密封僅在靜環(huán)壓蓋處 Q 孔安裝了溫度變送器用以監(jiān)測外密封溫度，而外密封在雙端面機(jī)械密封中屬于輔助密封，對于運行中起到主要密封作用的內(nèi)側(cè)密封，未設(shè)置溫度監(jiān)測，所以在運行過程中，運行人員無法掌握主密封處的溫度狀況。

實際運行過程中，當(dāng)機(jī)械密封出現(xiàn)懸液分離器故障、沖洗管線堵塞以及密封端面比壓過大等故障時[25]，會在密封端面產(chǎn)生大量的摩擦熱，且無法及時通過沖洗管線帶走摩擦熱，這必然會導(dǎo)致內(nèi)側(cè)密封動、靜環(huán)溫度升高，由于雙端面機(jī)械密封未設(shè)置主密封面溫度監(jiān)測，運行人員無法及時發(fā)現(xiàn)主密封面溫度異常，使動、靜環(huán)摩擦副在高溫條件下工作，因此密封端面存在熱裂和變形風(fēng)險，進(jìn)而導(dǎo)致主密封失效[26]。

4結(jié)論

盡管烏蘭線蘇爾壽12×14×23A（ B ）型輸油泵目前廣泛采用的密封形式為單端面動環(huán)補償型，但近年來單端面機(jī)械密封故障率居高不下，一旦發(fā)生失效泄漏，存在較大的安全風(fēng)險，因此，單端面動環(huán)補償型機(jī)械密封逐漸無法滿足輸油泵平穩(wěn)運行以及安全生產(chǎn)等方面的要求。

8648V型雙端面機(jī)械密封，當(dāng)內(nèi)密封失效時，能夠有效延緩或防止油品向外界泄漏，安全性相對較高；同時，雙端面機(jī)械密封在現(xiàn)場安裝使用方面已取得一定效果。盡管如此，雙端面機(jī)械密封在控制尺寸、內(nèi)密封溫度監(jiān)測方面，后期可進(jìn)一步優(yōu)化。

單端面靜環(huán)補償型機(jī)械密封在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、安裝、溫度監(jiān)測等方面具有優(yōu)勢。因此，可考慮對單端面靜環(huán)補償型機(jī)械密封進(jìn)行現(xiàn)場試驗，充分對比雙端面機(jī)械密封與單端面靜環(huán)補償型在現(xiàn)場安裝、后期使用、故障率、故障嚴(yán)重度等方面的差異，以進(jìn)一步確認(rèn)機(jī)械密封的選用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫見君，陳國旗，嵇正波，等.接觸式機(jī)械密封界面泄漏機(jī)理分析[J].化工學(xué)報，2018，69（4）：1528-1536.

[2] 張國濤，童寶宏，尹延國，等.環(huán)面接觸復(fù)層多孔軸承熱流體動壓潤滑性能及生/傳熱機(jī)制分析[J].機(jī)械工程學(xué)報，2019，55（21）：98-107.

[3] 陳匯龍，李同，任坤騰，等.端面變形對液體動壓型機(jī)械密封液膜瞬態(tài)特性的影響[J].化工學(xué)報，2017，68（4）：1533-1541.

[4] 寧秀秀，何鵬剛，白少先.螺旋槽端面氣膜密封結(jié)構(gòu)高溫特性研究[J].航空發(fā)動機(jī)，2019，45（2）：13-18．

[5] 廉鑫，張偉.化工機(jī)械密封故障原因及對策研究[J].中國設(shè)備工程，2021，482（18）：153-154.

[6] 趙逸群.石油化工機(jī)械裝置中泵類機(jī)械密封的應(yīng)用探討[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2021，41（10）：156-157.

[7] 徐魯帥，王赟磊，張帆，等.擾變工況下不同表面結(jié)構(gòu)機(jī)械密封瞬態(tài)特性分析[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，2020，54（1）：56-63．

[8] 孫電鋒，孫見君，於秋萍，等.非接觸式機(jī)械密封動力學(xué)研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2019，38（12）：5238-5246.

[9] 司喬瑞，崔強(qiáng)磊，袁建平，等.氣液兩相入流條件下離心泵內(nèi)部流動誘導(dǎo)特性實驗研究[J].振動與沖擊，2019，38（9）：15-21.

[10] 孟祥鎧，江瑩瑩，趙文靜，等.考慮空化效應(yīng)的螺旋槽機(jī)械密封液膜動力學(xué)特性研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報，2019，39（2）：171-180.

[11] 李勇凡，郝木明，孫鑫暉，等.動環(huán)補償型液膜密封三自由度動力學(xué)響應(yīng)特性分析[J].振動與沖擊，2019，38（1）：50-57，95.

[12] 李振濤，王赟磊，郝木明，等.溝槽參數(shù)對螺旋槽液膜密封空化誘發(fā)影響分析[J].化工進(jìn)展，2018，37（5）：1670-1679.

[13] 李振濤，王赟磊，郝木明，等.下游泵送螺旋槽密封空化試驗及性能分析[J].摩擦學(xué)學(xué)報，2017，37（6）：743-755.

[14] 於秋萍，孫見君，馬晨波.接觸式機(jī)械密封孔隙率及密封間隙研究[J].流體機(jī)械，2021，49（11）：54-61.

[15] 李彥啟，劉啟東，劉合榮，等.基于熱力耦合的鑲嵌式機(jī)械密封端面變形分析[J].潤滑與密封，2021，46（9）：113-119.

[16] 馬潤梅，趙祥，李雙喜，等.顆粒介質(zhì)用機(jī)械密封熱力耦合變形及摩擦磨損研究[J].化工學(xué)報，2021，72（11）：5726-5737，5893.

[17] 利歌.極端工況下機(jī)械密封的磨損性能[J].金屬功能材料，2021，28（3）：67-71．

[18] 陳志，蔡垚，顧燦鴻.基于分形理論的機(jī)械密封干摩擦?xí)r端面接觸特性的研究[J].工程科學(xué)與技術(shù)，2021，53（3）：188-196．

[19] 馬潤梅，趙祥，陳瀟竹，等.高速干摩擦機(jī)械密封的端面變形及摩擦磨損[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2022，48（7）：1174-1182.

[20] 王寧.石油化工機(jī)械裝置中泵類機(jī)械密封的應(yīng)用與對比[J].石化技術(shù)，2022，29（3）：223-224.

[21] 張勝國，韓君炎，封興良，等.終聚釜用機(jī)械密封失效分析及改進(jìn)措施[J].合成技術(shù)及應(yīng)用，2022，37（1）：50-54.

[22] 龔大強(qiáng).化工機(jī)械密封技術(shù)應(yīng)用研究[J].化工設(shè)計通訊，2021，47（6）：86-87.

[23] 廉鑫，張偉.化工機(jī)械密封故障原因及對策研究[J].中國設(shè)備工程，2021，482（18）：153-154.

[24] 張玉海.化工機(jī)械密封故障原因及解決策略[J].中國設(shè)備工程，2020，448（12）：143-144.

[25] 李濤.化工機(jī)械密封失效分析和裝配質(zhì)量控制[J].當(dāng)代化工研究，2020，64（11）：15-16.

[26] 孫立國.化工水泵機(jī)械密封問題成因及解決辦法[J].化學(xué)工程與裝備，2020，285（10）：174-175.