海上油田混輸泵用雙端面機械密封失效分析及研究方向

摘 要：某海上油田兩臺混輸螺桿泵在上游平臺增產后隨之提速，而后泵用雙端面機械密封開始頻繁出現泄漏失效等問題。通過大量拆解故障機械密封發現，失效的機械密封存在以下問題：介質側摩擦副崩邊或碎裂，大氣側摩擦副結焦、積碳、磨損以及碎裂，傳動螺釘脫落、變形或斷裂，防轉銷偏磨，補償彈簧斷裂，骨架密封燒熔等。通過探究密封失效原因，提出混輸泵供液流程優化、機械密封結構及材質優化升級、密封油工藝流程優化等解決措施，最終達到延長機械密封使用壽命和保持混輸泵穩定運轉的目的。

關鍵詞：螺桿泵；雙端面機械密封；摩擦副；防轉銷；傳動螺釘；失效分析

1 " 背景

某海上油田采用兩臺進口油、氣、水混輸螺桿泵，一用一備，進口壓力為1 100 kPa，出口壓力為3 200 kPa，工作轉速不超過3 000 r/min。軸端密封采用4套同型號雙端面機械密封，均位于兩只螺桿低壓側[1]。采用Plan 54外置強制沖洗方式，冷卻介質為殼牌得力士46號潤滑油。密封油沖洗壓力為1 700～2 100 kPa，介質側摩擦副壓差為600～1 000 kPa，大氣側摩擦副壓差為1 700～2 100 kPa。

雙端面機械密封的兩對摩擦副結構基本一致（介質側靜環端面內側設置對稱圓弧槽，大氣側靜環為平端面），即采用平衡型、多彈簧、銷釘傳動結構。其結構受泵腔尺寸限制整體比較緊湊，兩套靜環采用徑向偏心結構式，靜環座介質側帶導流套，主要目的是局部增大沖洗液過流截面，充分沖洗、潤滑、冷卻兩摩擦副。大氣側的骨架密封為輔助密封，可以防止泄漏介質竄入軸承箱。兩對摩擦副均為碳化硅材質，介質側O形圈為全氟橡膠，大氣側密封件為氟橡膠，其他金屬結構部件均為316不銹鋼。

2019年年底，因上游平臺增產提液，已低速平穩運轉3年的混輸泵開展了解體大修并隨之提速，而后混輸泵的機械密封故障率急劇上升。每套機械密封的使用壽命由低速運轉時的3年左右縮短至平均不到5個月，甚至出現個別不足2個月的情況。混輸泵頻繁故障，一方面影響上游平臺平穩運轉，另一方面大量消耗油田有限的資源，機械密封優化改造亟待開展。

2 " 機械密封頻繁失效根源分析

2.1 "上游工況波動造成的機械密封失效

與2019年相比，2021年油田混輸泵的外輸液量增加了35.3萬m3左右，氣量增加了71.39萬m3，平均轉速由2019年的1 650～2 000 r/min增加至2021年的2 300～2 600 r/min，即平均轉速增加600 r/min左右。近期1臺混輸泵機械密封在泄漏前受段塞流的影響（同等條件下，氣液比越大，混輸泵轉速越快），轉速出現大幅波動，最快達到2 910 r/min。原因是當日上游平臺調整一口高含氣井的產量，混輸泵轉速突然加快，引起機械密封失效滲漏。

綜上可知，在其他條件不變的情況下，上游工況的波動對混輸泵機械密封的使用壽命影響巨大，尤其是短時間內大量段塞流進入泵組，在混輸泵持續加速階段，機械密封失效的可能性直線上升。

2.2 "機械密封自身結構造成的機械密封失效

結合現場解體11套混輸泵機械密封（包括7套故障及4套大修更換但打壓合格）的排查情況以及4套送修機械密封的檢修報告，機械密封各部件故障統計如表1所示。

2.2.1 "摩擦副端面磨損、崩邊或碎裂失效原因分析

（1）介質側與大氣側摩擦副的散熱效果不一樣。介質側摩擦副額外增加導流套進行沖洗液的引流，同時在靜環端面內側設置對稱圓弧槽，減小摩擦面積，降低摩擦副之間的摩擦熱量。另外，相比于高溫空氣，密封介質的冷卻效果更好。由于大氣側摩擦副的結構原因，沖洗液在大氣側局部出現旋渦。同時，沖洗液由介質側流動至大氣側經過一定換熱，沖洗液溫度必然升高，摩擦副散熱效果欠佳，出現摩擦副磨損、結焦以及積碳的情況。兩側摩擦副散熱措施對比如表2所示。

（2）介質側和大氣側摩擦副端面均呈現出不同程度的擴散形截面；因大氣側密封承受的工作壓差較大且無增強換熱的結構和措施，在摩擦熱和流體作用力的耦合作用下，大氣側密封環端面呈現的擴散形截面相較于介質側更大。擴散形密封端面容易出現磨損，并且易造成密封運行不穩定。

（3）由于密封介質為油、氣、水三相混合物，加之上游產氣量較多，容易形成段塞流，產生氣堵和激蕩，對機械密封造成沖擊，而摩擦副均采用脆性碳化硅材料，介質側密封環直接受到工作介質的影響，容易在外力作用下破裂或碎裂，造成密封環失效。

（4）因受綜合外力作用，方頭防轉銷發生扭轉后，與密封環防轉銷槽側面呈點或線接觸，存在應力集中，在靜環不斷軸向伸縮補償和徑向蠕動時，致使防轉銷受到不同程度的磨損，也容易致使密封環碎裂；同時，防轉銷與密封環防轉銷槽的槽底發生剛性接觸，易導致密封環尾部崩邊和碎裂。

2.2.2 "防轉銷偏磨或斷裂失效原因分析

（1）防轉銷為上方體、下圓柱的結構，在安裝時難以保證其方體端面與摩擦副凹槽形成面接觸，更多的是以線接觸為主；（2）因結構緊湊，靜環采用偏心結構，難以保證與兩顆防轉銷同時接觸；（3）防轉銷材質為316 L不銹鋼，硬度偏軟。在摩擦副的軸向摩擦力和徑向剪切力作用下，表面金屬被逐步剪切導致磨損。

2.2.3 "傳動螺釘脫落、變形或斷裂原因分析

（1）傳動螺釘規格為M5×12 mm普通內六角圓柱螺釘，材質為316 L不銹鋼，整體直徑小且材質偏軟。底部與軸套接觸傳動部位通過車削加工而成，而非標準件，車削是發生變形和斷裂的集中部位；（2）因傳動座的結構尺寸有限和所選傳動螺釘的種類，二者旋合長度僅為6 mm左右；（3）在交變載荷和海水的腐蝕作用下，傳動螺釘易發生應力腐蝕斷裂。

2.2.4 "補償彈簧變形或斷裂失效原因分析

靜環防轉銷凹槽出現崩邊后與嚴重磨損的防轉銷側的間隙會增大，靜環與補償彈簧在混輸泵加減速時存在相對位移，補償彈簧因長期扭力疲勞而逐步斷裂。一旦防轉銷斷裂，靜環在摩擦力的作用下沿徑向旋轉，補償彈簧會全部碎裂。

2.2.5 "骨架密封燒熔失效原因分析

（1）大氣側摩擦副摩擦產生的高溫通過軸套傳遞給骨架密封，造成骨架密封唇部高溫；（2）骨架密封本身與軸套為接觸式動密封，高速旋轉同樣會摩擦發熱；（3）骨架密封作為防止介質竄入軸承箱的輔助密封，正常情況下幾乎沒有潤滑[2]。

2.3 "密封油系統壓力高造成的機械密封失效

（1）受溫度和黏度的影響，密封油系統壓力大。機械密封冷卻潤滑用密封油系統受溫度和黏度的影響（密封油箱溫度波動范圍在38～52 ℃），壓力波動在200～300 kPa，同時為了保證密封油壓力與混輸泵進口壓差在150 kPa以上，實際運轉時介質側摩擦副壓差長期保持在600～1 000 kPa。 "（2）壓差控制閥（Pressure Differential Control Valve，PDCV）選型錯誤，不具備調節功能，導致密封油系統壓力大。混輸泵密封油系統中設置了PDCV閥，其功能如下：控制密封油壓力和流量；將密封油系統壓力與混輸泵進口壓力進行對比，防止密封介質竄入密封油系統影響報警關停功能。在拆解確認PDCV閥本身無故障的情況下，實際測試發現該PDCV閥一直保持常開狀態，不具備應有的壓力調節功能。通過手動打壓測試確認其開啟壓力最大僅有150 kPa，不符合原本要求的0～1 000 kPa調壓范圍，系選型錯誤，所選型號壓力調節范圍偏小，不能有效消除溫度和黏度對密封油系統造成的壓力波動影響。根據機械密封說明書，建議密封油壓力與密封介質的壓差保持在200～300 kPa，而實際機械密封介質側承受的壓差為600～1 000 kPa。轉速較慢時，壓差大的影響并不明顯。但在高轉速下以及頻繁大幅加速的瞬時狀態下，摩擦副之間的潤滑半徑會逐漸縮小，摩擦副外側會出現干摩擦的情況，摩擦副之間的PV值（被密封介質壓力與端面平均周速的乘積）在高壓差下極易造成摩擦副失效[3]。

3 " 機械密封改進的方向

3.1 "減少段塞流，消除工況波動造成的機械密封失效

針對段塞流的舉措如下：（1）改造現有混輸泵進液流程，將其他油田過站海管的部分液體分流，與現有外輸介質混合，一方面可保證進入混輸泵的外輸介質氣液比恒定，另一方面可保持混輸泵轉速恒定，避免轉速大幅波動。（2）上游需控制輸送介質的氣液比，保持恒定，避免大幅波動形成段塞流。上游工況大幅調整前及時通知下游，下游做好有針對性的監控。

3.2 "機械密封自身結構改造升級，降低機械密封失效的概率

3.2.1 "升級摩擦副動環材質

介質側摩擦副主要承受密封介質造成的沖擊和振動，大氣側摩擦副主要受散熱不良的影響。針對上述問題，計劃將兩動環材質由碳化硅升級為耐腐蝕的硬質合金，靜環結構和材質保持不變。優點如下：（1）相較于碳化硅，硬質合金的硬度和耐磨性明顯提升，在高速條件下，硬質合金密封面不易變形和振動，保持了端面的穩定和配合，可有效減少摩擦副碎裂、高溫磨損等問題。（2）實現兩種不同材質的摩擦副配對，可有效降低在短期加速階段或干摩擦情況下發生粘著磨損的概率，最終延長摩擦副的使用壽命。

3.2.2 "優化防轉銷結構及材質

針對防轉銷的改造如下：（1）防轉銷的結構由上正方體、下圓柱改為上下圓柱體，同時上下圓柱之間使用圓弧過渡，避免應力集中。（2）防轉銷材質由316 L不銹鋼升級為2205雙相不銹鋼材質，提高其強度和硬度以及抗應力腐蝕性能。改造前后形態如圖1所示。（3）優化傳動螺釘材質、規格及傳動方式，方案如下：首先，傳動座上的沉孔螺紋改為M8的通孔直螺紋，傳動螺釘與傳動座的旋合長度增加至11 mm，同時配合安裝時涂抹螺紋緊固膠，可有效避免沖擊造成的振動松脫；其次，傳動螺釘由內六角圓柱螺釘改為M8緊定螺釘，材質由316 L不銹鋼升級為2205雙相不銹鋼材質。其強度和硬度提升后，可避免傳動螺釘變形和應力腐蝕。改造前后結構如圖2所示。

圖1 "防轉銷改造前后形態示意

3.3 "優化密封油系統，消除系統壓力波動

密封油優化措施如下：（1）將PDCV閥更換為自力式調節閥，其壓力調節范圍要求在100～1 000 kPa，即依靠系統自身調節消除壓力波動；（2）利用PDCV的密封油取壓點和混輸泵進口取壓點，接壓差傳感器至中控系統，即通過軟件計算代替目前的硬件對比。同時，將混輸泵泄壓流程中手動球閥更換為自動控制的放氣閥（Blow Down Valve，BDV）。系統發生憋壓或機械密封泄露時，可以實現自動關停功能，消除密封介質竄入密封油系統的可能性。上述舉措將有效消除密封油系統壓力波動，保持密封油壓力穩定。同時，在保證各機械密封沖洗量的前提下，進一步將系統壓力降至1 300～1 400 kPa，即介質側摩擦副壓差控制在200～300 kPa，確保機械密封在高轉速下摩擦副端面比壓滿足高轉速的工況。

4 " 結語

通過優化改造混輸泵現有工藝流程消除工況波動、升級改造雙端面機械密封結構消除其自身設計缺陷以及改造密封油系統消除密封油壓力波動3項改進措施，可有效降低機械密封失效的頻次，保持混輸泵穩定運轉并大幅減少后期的維修費用。

[參考文獻]

[1]佘志剛，劉建芳，唐軍.螺桿壓縮機雙端面機械密封故障分析及改造[J].設備管理與維修，2019（14）：62-63.

[2]俞立.機械密封摩擦副材料的選用[C].上海：上海機械工程學會流體工廠峰會密封專業委員會“密封技術講習會”論文集，2012.

[3]姚秀敏，王曉潔，劉學建，等.碳化硅/碳化鎢硬面密封摩擦副的摩擦磨損性能和機理研究[J].無機材料學報，2019（6）：673-678.