西部成品油管道輸油泵雙端面機械密封的研發及應用

張明 胡旭 朱英斌 馬存新

1國家管網集團西部管道有限責任公司

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，設計輸量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，轉速2 981 r/min，配套約翰克蘭8B1HH型號機械密封。自2006 年西部成品油管道投產以來，8B1HH 機械密封出現近百余次故障，主要以機封泄漏、機封溫度高為主。隨著區域化管理全面實施縱深推進[1]，西部管道公司建立“以調度運行為核心的生產指揮體系”，無人站、少人站為西部成品油管道常態化管理模式。由于沿線站場多處于荒漠戈壁，社會依托條件極差，對輸送汽、柴油等易燃易爆危險介質的密封性提出了更嚴苛的要求，輸油站場輸油泵機械密封的穩定可靠性直接影響生產安全[2]，因此優化8B1HH 機械密封具有重要的現實意義。

1 8B1HH 機械密封結構及常見故障

8B1HH 機械密封結構如圖1 所示，補償機構位于動環上，動環隨泵軸旋轉并參與軸向補償，即動環為補償環。適用軸徑范圍25～115 mm，溫度5～30 ℃，介質為汽、柴油，轉速0～3 000 r/min，配置Plan31 自沖洗系統及Plan65A 泄漏收集報警系統。

圖1 8B1HH 機械密封結構Fig.1 8B1HH mechanical seal structure

該機械密封為非旋轉式，補償環采用多彈簧支撐，安裝在動環座內，沖洗口位于靜環座的上方。經多年使用，該機械密封出現的典型故障見圖2。推進型設計依靠補償環處O 型圈動態密封能力及密封的追隨能力保障彈簧補償作用，當成品油中含有雜質會引起動環O 型圈滑動補償卡滯造成二次密封失效（圖2a）。雜質堆積在補償彈簧處，造成補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，機封溫度升高；密封端面采用動環高壓錘頭設計，材質為石墨，當安裝不當時會導致密封動環壓縮余量耗盡，錘頭與彈簧座易碰撞碎裂，受到應力突變，環面易崩邊（圖2b）。補償環隨軸旋轉，與機械密封端蓋配合的泵體精度不良時容易導致配合環變形，從而使密封面接觸不均勻，發生偏磨，密封失效（圖2c）。采用窩式傳動補償環，補償環與固定套之間出現相對運動易發生磨損，降低精度（圖2d 和圖2e）。沖洗液方向垂直補償環，從沖洗口出來的高壓介質不斷沖刷補償環側面，而補償環材質為石墨較軟，易受高速介質沖刷（圖2f）。

圖2 8B1HH 機械密封失效Fig.2 8B1HH mechanical seal failure

2 8648VRS+SBXP雙端面機械密封設計

針對8B1HH 機械密封不足，結合西部成品油管道管理現狀，在保持原有沖洗和泄漏收集報警系統不變前提下，提出雙端面機械密封（串聯式雙密封）結構（圖3），實現內密封失效時，外密封承擔主密封作用，事故工況下無可見泄漏，給運行維護檢修提供足夠應急時間[4]。采用雙端面機械密封不加壓布置結構，內密封為接觸式高壓封液密封，非推進式，用于密封泵送成品油；應用蝶式耳式傳動套解決傳動中的磨損和卡滯，補償環設置在靜環座上軸向移動補償，優化沖洗口緩解沖洗液直接沖刷補償環和配合環，升級補償環、配合環材質為SiC[5]；外密封為輔助密封，采用接觸式氣體潤滑（干運轉密封），多彈簧平衡型設計，補償環配合環材料分別為SiC 和CARBON+DUPLEX S.S +ALLOY K-500（鑲嵌自潤滑石墨）[6]，正常運行工況通過接觸干運轉密封方式進行密封介質流體的揮發性控制，事故工況下為常規濕密封。

圖3 雙端面機械密封結構Fig.3 Double mechanical seal structure

2.1 內密封8648VRS 設計

2.1.1 內密封補償環與配合環設計

內密封8648VRS 密封端面采用約翰克蘭CSTEDY 有限元軟件進行設計計算，端面平衡比為73%，端面比壓設計為0.6 MPa[7-8]，密封端面溫度及梯度分布見圖4。以西部成品油運行工況為例，其密封端面模擬動態運行結果如圖5 所示。

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

圖5 動態運行下的模擬結果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密封8648VRS 端面溫度最高點靠近內徑，為118.8 ℃，因密封環外徑處先與液體接觸，對流換熱系數大、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；補償環面積小、高溫區小，配合環面積大，高溫區相對大，溫度區與接觸面積呈正比關系。模擬實際工況下的動態運行結果為：補償環受到以端面外徑為中心的傾覆力矩，產生了一定錐度，補償環和配合環未完全貼合，外徑處端面脫離程度最大，沿徑向向內逐漸減小，補償環與配合環間形成了較合理間隙，保證了液膜穩定，達到有效潤滑和散熱，且端面前沿溫度穩定地保持在118.8 ℃，與有限元設計溫度一致。

2.1.2 內密封8648VRS 結構設計

8648VRS 密封采用高抗壓非推進式橡膠波紋管二次密封技術[9]，利用流體壓力和補償機構的彈力保持補償環和配合環貼合追隨并相對滑動[10]，對輸送介質雜質顆粒包容性更強，抗軸向竄動能力達到±0.8 mm；補償環靜止型和配合環旋轉設計可有效抵消泵體和軸對中偏差對機械密封動靜環定位精度的影響，延長密封使用壽命；采用小面積補償環（SiC）和大面積配合環（SiC）設計，擴大了換熱接觸面積，高性能密封摩擦副適于更嚴苛工況；補償環上推進式O 型圈設計，消除泵軸竄動產生的磨損。內密封8648VRS 模型見圖6。

圖6 內密封8648VRS 模型Fig.6 Model of 8648VRS inner seal

2.2 外密封SBXP 設計

SBXP 密封設計為多彈簧平衡型密封，與主密封串聯，旋轉整體配合環材質為CARBON+DUPLEX S.S +ALLOY K-500（鑲嵌自潤滑石墨）[11]，補償環為高導熱系數抗粘著磨損的SiC 材料[12]；補償環O 型圈采用大斷面溝槽設計，軸向卡滯力較小，補償彈簧保證補償環與配合環貼合追隨實現密封；具備干運轉動壓能力（最大動壓為0.034 473 8 MPa，密封在介質有氣化無沖洗條件下可干運轉三年）、液體工況動運轉能力（內密封失效后，SBXP 密封作為傳統濕密封發揮密封功能）和靜壓密封能力（內密封失效泵停運后，SBXP 密封在承受介質壓力下，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 工廠試驗和現場工業性試驗

3.1 SBXP 密封工廠試驗

為驗證SBXP 密封干運轉、液體工況動運轉和耐靜壓密封能力，在工廠進行了模擬現場工況試驗，密封驗證設計見圖8。常壓干運轉試驗：常壓，試驗介質空氣，連續運行9 h，每小時記錄密封端蓋溫度；（階梯）液壓動運轉試驗：壓力1～10 MPa，以1 MPa 為梯度，每個梯度運轉30 min，記錄端蓋溫度和機封泄漏量；耐靜壓及液壓動運轉試驗：壓力10 MPa，先靜壓60 min，每10 min 記錄泄漏量，后連續運行12 h，每小時記錄密封溫度和泄漏量：所有動運轉試驗轉速2 981 r/min，試驗液體介質為Mobil Velocite oil NO.15。SBXP 測試結果見圖9。

圖8 SBXP 密封能力驗證試驗Fig.8 SBXP sealing ability verification

由圖9 可知，常壓干運轉下SBXP 密封端蓋溫度隨運行時間變長呈下降趨勢，起始溫度最高為62.6 ℃，初始狀態下補償環和配合環之間摩擦因數大，密封端面磨損嚴重。隨著配合環中自潤滑石墨逐漸研磨析出，端面間摩擦因數趨于穩定，密封面間形成自潤滑作用并促進散熱，端面溫度隨時間變長最終趨于穩定，此外補償環小面積密封寬度也有利于減少熱量產生。階梯壓力動運轉試驗，模擬內密封失效后驗證SBXP 密封受到壓力沖擊時的密封性，SBXP 密封端面溫度隨壓力增大呈緩慢升高趨勢，原因隨介質壓力增大密封面端面比壓變大，更多機械能轉化成摩擦熱，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，未出現密封泄漏量超標。模擬管道壓力10 MPa，靜壓60 min 未觀察到密封泄漏，連續運轉12 h 密封泄漏量呈現出波動性，最大泄漏量為1 mL/h，機封端蓋最高溫度為40.8 ℃，密封符合要求。干運轉、液體工況動運轉和耐靜壓試驗驗證了SBXP 密封性能，低摩擦和導熱良好的密封材料、合適的密封端面比壓及合理的密封環寬度保證了SBXP 密封性能。

圖9 SBXP 密封試驗測試結果Fig.9 Results of SBXP sealing test

3.2 8648VRS+SBXP 雙端面密封工業性試驗

工廠試驗驗證后，在西部成品油管道某輸油站成品油3#泵（12×14×23A HSB）開展了工業性試點應用試驗，通過實際工況進一步檢驗驗證密封運行可靠性，工業性應用考核時間為5 000 h。

3.2.1 密封泄漏及溫度監測

監測8648VRS+SBXP 雙端面密封在輸送汽、柴油介質環境中不同運行時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），數據記錄見表1。

表1 8648VRS+SBXP 密封運行數據Tab.1 Operating data of 8648VRS+SBXP seal

由表1 可知，現場試驗的8648VRS+SBXP 機械密封（內密封）泄漏量呈現一定波動性，最大漏量為4 滴/min，泄漏在標準范圍內；密封端蓋端面最高溫度為46 ℃，與輸送介質溫差最高僅為25 ℃。該機械密封內密封補償環與配合環端面間通過沖洗液形成穩定液膜，保障摩擦面對流傳熱效果達到產熱和散熱的平衡，外密封補償環在0.034 473 8 MPa彈簧動壓下與鑲嵌有自潤滑石墨的配合環貼合追隨，既形成有效密封又不會產生大量熱量，保證了機械密封運行穩定、長壽命。

3.2.2 密封腔靜壓密封試驗

工業性考核時間達到5 000 h 后，開展了密封腔靜壓密封試驗，以模擬事故工況下內密封失效，大量介質排入內密封泄漏收集腔，檢驗SBXP 外密封的可靠性。泵腔壓力9.9 MPa，因內密封不具備反壓工況能力，通過該密封端蓋預留通道向內密封泄漏收集腔注入9.5 MPa 介質，并堵塞內密封排污通道，時間60 min，每15 min 記錄壓降和密封泄漏量，試驗數據見表2。

表2 數據表明，泵腔壓力為9.9 MPa 下，模擬內密封失效，內密封泄漏收集腔在9.5 MPa 持續60 min 加壓下，無壓力下降和可見泄漏，SBXP外密封表現出良好的密封性。5 000 h 工業性試驗后SBXP 密封表現出良好靜壓密封性。

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定可靠的關鍵[13-14]，為評估8648VRS+SBXP 雙端面密封的壽命，工業性考核時間結束后選取補償環和配合環中心在12 點、3 點、6 點、9 點四個方向分別測量了8648VRS 和SBXP 密封端面的磨損量，并與密封端面內外密封補償環和配合環（42.00、12.00、27.00、16.00 mm）原始數據進行對比，圖10 為工業性考核時間結束后測得的密封端面數據。由圖10 可知，內密封8648VRS 補償環磨損量為0.06 mm，內密封配合環磨損量較小，為0.01 mm，內密封補償環在波紋管和介質壓力作用下進行補償，發生相對大的磨損量。外密封配合環鑲嵌石墨材質相對SiC 補償環為易磨損軟材料，相互間發生干摩擦，磨損量為0.07 mm，相對較大，補償環SiC磨損量小，僅0.01 mm。數據表明5 000 h 工業性考核時間結束后內外密封端面的磨損量均不超過0.08 mm，計算預測密封壽命完全滿足API682 標準規定的三年25 000 h。

圖10 工業性考核時間結束后內外密封端面數據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 為工業性考核時間結束后內外密封端面的表面形貌，11a 和11b 分別是8648VRS 內密封補償環和配合環表面形貌，11c 和11d 分別是SBXP 外密封補償環及配合環表面形貌。利用Taylor hobson公司TR200 粗糙度儀測量了各密封端面粗糙度，結果見圖12。

由圖11 可知，內密封8648VRS 補償環表面（圖11a）摩擦磨損比配合環（圖11b）相對嚴重，表面輪廓起伏較大，波峰波谷差值達到12.024 5 μm（圖12a），因內密封補償環受力面積較小，受波紋管與介質壓力作用，軸向移動追隨貼合配合環，在實現密封的過程中出現相對較大磨損。外密封小面積補償環在0.034 473 8 MPa 動壓下與含自潤滑石墨的大面積配合環發生干摩擦，表面磨損明顯微觀形貌較粗糙（圖11c），反映到輪廓曲線波動大，表面粗糙度最大達到1.421 5 μm（圖12c）；外密封配合環鑲嵌石墨表現出良好的自潤滑性，在表面形成一定厚度的摩擦潤滑膜，保持低而穩定的摩擦系數，較好地保護了配合環密封端面（圖11d）。

圖11 工業性考核結束后密封端面形貌Fig.11 Seal appearance after industrial test

圖12 工業性考核結束后密封端面粗糙度Fig.12 Roughness of sealing face after industrial test

4 結論

（1）8648VRS+SBXP 雙端面密封配合環僅參與旋轉，補償環利用波紋管和彈簧伸縮，對軸竄適應性更強，解決了密封圈滑動補償卡滯難題，密封結構比8B1HH 密封更合理更科學。

（2）補償環和配合環材料得到升級，工廠試驗和工業性考核表明，該密封適合西部成品油管道運行工況，SBXP 外密封可在干摩擦狀態下長周期穩定運行，在干、濕（承壓10 MPa）環境中均表現出良好的密封性，解決了內密封（主密封）失效后泵腔介質泄漏到環境中這一運行難題

（3）數據表明，8648VRS+SBXP 雙端面內外密封壽命均能達到API682 標準規定的25 000 h，建議在大落差站場、8B1HH 機械密封故障多、社會依托差的輸油站或輸油泵上逐步推廣應用以代替原8B1HH 機械密封。