多彈簧機械密封在注水泵上的應用與改進分析

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，注水泵機組是油田注水的關鍵設備。KHP170-140×10型注水泵是由佛山水泵廠生產的應用于海上平臺的高壓注水設備，在海上平臺應用非常廣泛，該泵由1120kW的電機驅動，承擔著平臺注水的重要任務。

自平臺投產以來，因介質內含有細砂，連續長時間運轉等原因，2020年注水泵機組已經連續運轉了18000h，期間損壞機械密封12套，機封平均壽命不到1500h。2020年6月，注水泵的驅動端機封出現頻繁泄漏的情況，在拆檢過程中發現機封的動靜環密封面嚴重磨損，有些新機封剛剛運行幾天就會出現泄漏的情況，找出機封頻繁損壞的根本原因成為保證注水的首要任務。

1 機封的組成及工作原理

機械密封是一種用于流體旋轉機械的軸向密封裝置，它一般由4部分組成，即由動環和靜環組成的密封端面（摩擦副）；以彈性元件為主要零件的緩沖補償機構；輔助密封圈；使動環隨軸旋轉的傳動機構。緩沖補償機構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：機械密封亦稱端面密封，其有一對垂直于旋轉軸線的端面，該端面在流體壓力及補償機械外彈力的作用下，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。由于其密封性能穩定、泄漏量少、功耗低、使用壽命長、對軸承磨損小、耐振性強、密封參數高的特點，使用范圍十分廣泛。

2 存在的問題及原因分析

2.1 機械密封損壞的原因

根據統計，機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，由此導致設備頻繁地停機，嚴重影響設備的連續運轉和油田注水。從驅動端的機封腔室壓力和機封拆檢情況看，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，經分析造成失效的主要原因有以下幾種：（1）注水泵驅動端腔室壓力高。（2）波紋管機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 機封損壞的原因分析

機封受力情況如下（如圖1）。

圖1 機封受力情況

動環受力：Ft為彈簧力；Fp為介質壓力；Fm為液膜壓力。

多彈簧推進式機械密封的受力情況：

圖2 多彈簧機封受力情況

3 提高機封使用壽命的措施及效果

3.1 彈簧式機械密封的優點

多彈簧的排列方式使得密封端面承受壓力更加均勻；動環與軸套之間、靜環與壓蓋之間由原來的密封膠圈改為現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，對旋轉軸的振動、偏擺以及軸對密封腔的偏斜適應性強；可避免因機泵反轉造成的密封失效；能夠承受較高的腔室壓力。

3.2 波紋管機械密封的缺點

波紋管是該類密封的彈性補償元件，由于長期處在高溫、高壓、振動、腐蝕等環境中，波紋管焊接部位因疲勞易出現裂紋，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；對冷卻水質要求高，密封的冷卻水套和密封彈性體之間間隙過小，在泵運轉過程中，冷卻水中的鹽類和雜質在波紋管上結晶、沉淀后形成水垢，當水垢積累到一定程度時，就會使波紋管的彈性降低或喪失，導致密封動環與靜環之間端面貼合不緊而造成密封泄漏。腔室壓力較高時，動靜環之間的間隙將逐漸增大，無法起到密封的效果。

3.3 機封形式的改造

針對波紋管式機封和彈簧式機械密封的特點，以及對現場情況的分析，將對機封進行以下改型。

（1）補償機構形式的改造。將補償機構的形式從波紋管式更換為多彈簧式，多彈簧式的機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，軸套不易發生相對的滑動，能夠保證軸套固定狀態，減少了相對位移，杜絕了動靜環密封面的磨損和所承受的沖擊。（3）密封面材質的改造。將密封面的材質進行換型，硬質合金材質具有硬度高、耐磨和韌性較好的性能，因此，將原來的石墨—石墨材料改為硬質合金—碳化硅，在調整后試運行，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，可以對其進行研磨修復，重復使用，這樣大大節約了維修成本。（4）節流襯套的改造。經過對泵體進行解體檢查，判斷泵體腔室壓力過高的主要原因是節流襯套的磨損，襯套間隙的增大促使泵體第七級葉輪進口較高壓力竄向機封腔室，導致機封腔室壓力過高。為了從根源上解決這一問題，將節流襯套形式改為螺旋套，材質改為碳化硅，提高了節流襯套的耐磨性，從而確保了注水泵驅動端腔室壓力的正常狀態。

3.4 改造效果

對注水泵C進行升級改造，其他泵作為對比，經過6個月的持續觀察，現場無泄漏，腔室壓力為0.55MPa，未有明顯增加。配合在線振動檢測系統針對注水泵全面監控，機械人員可以通過這些數據對注水泵出現的故障進行分析，提前做好預知性維修，保障注水泵的安全運行狀態。

4 結語

經過改型的機封，無論從承受壓力、材質的耐磨性能、軸套鎖緊的可靠性以及研磨的重復利用率上都有較大提升，保證了設備的平穩運行，為注水泵返陸地檢修贏得時間，同時，也保質保量完成注水任務。年初計劃注水量為273萬方，實際完成注水量為281萬方，超出注水指標2.9%。