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高海拔長距離管線輸油泵機械密封失效分析及預防

油泵密封是影響泵工作可靠性的重要因素，機械密封具有泄漏少、摩擦功耗低和壽命長等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于流體機械，其密封失效是造成設(shè)備維修的主因。通過對世界海拔最高的長距離輸油管線離心泵機械密封的失效現(xiàn)象進行分析，指出主要原因有壓力過高、汽化、管線內(nèi)雜質(zhì)以及過濾器堵塞造成的正壓抽空現(xiàn)象。針對現(xiàn)場實際，提出了穩(wěn)定操作工藝、避免壓力超限、密封彈簧的合理預緊以及消除雜質(zhì)等預防措施，從而提高了泵工作的可靠性，保證了輸油的安全性與經(jīng)濟性。

高海拔;離心泵;機械密封;失效分析;預防

在輸油管線中，油泵的密封是影響泵工作可靠性的重要因素，一旦密封失效，將會導致油料的大量泄漏，從而帶來環(huán)保、安全和經(jīng)濟等方面的一系列問題。機械密封具有泄漏少、摩擦功耗低和壽命長等優(yōu)點，已廣泛地應(yīng)用于流體機械上。其原理是靠密封介質(zhì)的壓力在旋轉(zhuǎn)的動環(huán)和靜環(huán)接觸端面之間產(chǎn)生適當?shù)膲壕o力而達到密封的目的。對油泵而言，機械密封失效是造成設(shè)備維修的主因，如何判斷和預防機械密封失效是提高設(shè)備可靠性的重要環(huán)節(jié)。國內(nèi)外很多學者對機械密封的失效形式及產(chǎn)生原因進行了深入的研究。文獻[1-2]指出了機械密封中常見的不正常現(xiàn)象，分析了原因并提出了相應(yīng)的防范措施。胡亞杰等[3]通過對泄漏現(xiàn)象的分析，指出了機械密封失效的5個原因，據(jù)此采取了相應(yīng)的措施，大大提高了機械密封的使用壽命。劉駿等[4]針對某外輸泵機械密封的泄漏現(xiàn)象，通過對密封的改型進行分析和測試，從傳動機構(gòu)、結(jié)構(gòu)形式、端面型式、輔助系統(tǒng)及零件選材等方面采取措施，確保了性能穩(wěn)定、壽命長的機械密封。在溫度對機械密封的影響方面，徐世君[5]分析了溫度對機械密封的影響，指出密封環(huán)內(nèi)的溫度梯度使得密封環(huán)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當超過許用應(yīng)力后，端面產(chǎn)生龜裂而使密封失效。

縱觀相關(guān)文獻，述及高海拔地區(qū)流體機械密封失效方面的資料很少，本文對迄今世界海拔最高的長距離輸油管線離心泵機械密封的失效原因進行分析，結(jié)合現(xiàn)場實際，提出預防措施。

1 問題描述

某輸油管線是迄今中國最長、世界上海拔最高的輸送成品油固定管線，平均海拔4 000 m以上，最高處海拔達5 231 m，其中有超過560 km的管線鋪設(shè)在常年凍土地帶，惡劣的自然條件給設(shè)備運行帶來了諸多不利影響。該管線輸油泵采用某廠中開式離心泵(DK45-67×6)，泵采用質(zhì)量較好的多彈簧集裝式機械密封；但由于受工作環(huán)境和管線實際等諸多因素的影響，在實際運行過程中，機械密封頻繁發(fā)生泄漏，造成密封失效。同一型號的密封構(gòu)件，在不同泵站，其使用壽命相差也較大，長則5個月以上，短則1個月甚至幾天；甚至有的泵一起動，其軸封便出現(xiàn)異常泄漏和汽噴現(xiàn)象，嚴重影響了泵機組的正常運行，造成了較大的經(jīng)濟損失。

2 密封失效原因分析

2.1 汽化造成的密封失效

在輸油管線中，由于腐蝕穿孔、管線焊接以及管道更換等原因，經(jīng)常需要通過停泵來處理上述問題。該管線上有多處高海拔翻越點，大氣壓隨海拔高度的上升而下降。泵站布置與翻越點如圖1所示，在停泵時，翻越點C處大氣壓小于介質(zhì)飽和蒸汽壓，介質(zhì)發(fā)生相變(汽化)，形成大量氣體；同樣，在搶修和換管等操作過程中也會造成大量液體汽化，這部分氣體隨著輸送介質(zhì)進入密封腔內(nèi)，在密封摩擦端面形成液-汽相密封、汽-汽相密封。在液-汽相密封時，機械密封潤滑狀態(tài)惡化，可能形成半干摩擦狀態(tài)，使密封端面溫度上升，導致密封面燒傷，從而出現(xiàn)間隙性噴霧現(xiàn)象。在汽-汽相密封時，端面摩擦因數(shù)增大，磨損量較大，產(chǎn)生的大量摩擦熱使得端面溫度急劇升高，造成密封面的嚴重燒傷。當后續(xù)液體進入密封腔后，液態(tài)介質(zhì)進入密封端面，由于此時端面溫度很高，介質(zhì)接觸端面瞬間產(chǎn)生閃蒸現(xiàn)象，密封合金環(huán)端面會炸裂，在液體變成氣體的瞬間反力驟然增大，從而使兩密封端面發(fā)生分離，同時出現(xiàn)汽噴現(xiàn)象。這種因相變而引起的密封失效占很高的比例。此外，在泵起動前，如果腔體內(nèi)空氣排不盡、灌泵不徹底，也會造成干摩擦失效。

圖1 泵站布置與翻越點

2.2 壓力過高引起的密封失效

為使油頭能順利通過高海拔翻越點，該管線采用兩泵串聯(lián)運行的方式來增加泵的揚程，從而造成在輸送密度較大的液體時，由于第2級泵出口壓力過高，機械密封發(fā)生泄漏。此外，當輸送介質(zhì)發(fā)生變化時，輸油狀態(tài)、參數(shù)等相關(guān)因素都要做出相應(yīng)調(diào)整，由于在輸油過程中操作者的實踐經(jīng)驗、能力層次不同，有時會出現(xiàn)因誤操作而導致壓力突然升高，造成機械密封泄漏。機械密封裝置結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，由于動環(huán)被銷釘緊固于軸套上，連同泵軸一起轉(zhuǎn)動，在受壓力變化影響時，靜環(huán)做左右的運動。對密封面進行受力分析，靜環(huán)所受軸向力P等于密封液體壓力P1、液膜反力P2、密封圈的摩擦力Pf以及密封面內(nèi)彈性力P3等諸力之和：

圖2 機械密封裝置結(jié)構(gòu)

當冷卻液體的壓力增加時，P1變大，密封兩端面受力分離，液體泄漏，密封失效。

水擊現(xiàn)象在管線輸油生產(chǎn)中時有發(fā)生。在輸油過程中，由于工藝的變化、設(shè)備運行狀況的改變以及搶修換管操作出現(xiàn)的空管段等原因都可以引起管路發(fā)生水擊。當水擊發(fā)生后，沖擊壓力較大，壓力變化幅度較大，壓力通過介質(zhì)傳至密封腔后，密封彈簧不能及時或不能完全平衡外來壓力，從而造成密封泄漏甚至噴霧失效。

2.3 管線內(nèi)雜質(zhì)導致的失效

對于含有固體顆粒的介質(zhì)，密封面進入固體顆粒是導致密封失效的主要原因。固體顆粒進入摩擦副端面起研磨劑作用，使密封發(fā)生劇烈磨損而失效[6]。由于該管線投入運行時間過長，管線腐蝕嚴重，內(nèi)壁金屬脫落，造成管線穿孔現(xiàn)象。在實際的搶修過程中，在進行焊接或換管處理時，會將部分沙礫和其他雜質(zhì)帶入管線中，經(jīng)過濾能使體積較大的雜質(zhì)被除去，但小顆粒雜質(zhì)仍會被帶入密封腔內(nèi)。這部分雜質(zhì)如果到達兩密封端面上，在運轉(zhuǎn)過程中會直接破壞摩擦面，使動環(huán)、靜環(huán)出現(xiàn)劃痕和脫落，從而發(fā)生密封失效。如果雜質(zhì)堆積在彈簧座形成積炭，影響彈簧的正常伸縮，也將會因彈簧座失去作用而導致失效，這種失效形式在該輸油管線中經(jīng)常發(fā)生，是影響泵組工作可靠性的重要因素之一。

2.4 過濾器堵塞造成的正壓抽空失效

正壓抽空是指泵腔內(nèi)的介質(zhì)工作壓力>1個大氣壓，但密封箱內(nèi)介質(zhì)壓力或密封端面流體膜壓力低于輸送溫度下介質(zhì)的飽和蒸汽壓，使介質(zhì)在密封箱內(nèi)或密封端面之間發(fā)生汽化現(xiàn)象。該管線輸油泵在密封冷卻管上安裝了Y型過濾器，但當管線內(nèi)雜質(zhì)較多時，很容易造成Y型過濾器堵塞，從而使密封腔內(nèi)冷卻液減少。在泵的運轉(zhuǎn)過程中，泵腔內(nèi)壓力大于1個大氣壓，而此時密封腔內(nèi)壓力由于Y型過濾器的堵塞而急劇減小，形成正壓抽空現(xiàn)象。此時，密封端面溫度迅速升高，液體發(fā)生相變(汽化)，機械密封基本處于不穩(wěn)定的汽液混相摩擦狀態(tài)或汽相干摩擦狀態(tài)，密封環(huán)因端面干摩擦而嚴重燒損、動環(huán)炸裂、靜環(huán)燒傷脫落和密封面產(chǎn)生間隙性汽噴，密封失效。

3 預防措施

機械密封泄漏往往是多種因素的集合，各企業(yè)的實際情況也不盡相同，因此根據(jù)機械密封失效的原因，具體全面制定出相應(yīng)的措施是很困難的?，F(xiàn)結(jié)合本輸油管線的實際情況，就如何避免因上述原因造成的密封失效現(xiàn)象，提高泵組的工作可靠性，保證正常的輸油進度，提出如下幾項行之有效的預防措施。

3.1 穩(wěn)定操作工藝

應(yīng)嚴格按照離心泵的有關(guān)操作規(guī)程實施操作，在出現(xiàn)管線搶修、停泵等情況后，起動油泵時應(yīng)優(yōu)先考慮采用旁接罐流程，開通旁接罐排氣閥，釋放上述操作形成的汽化氣體和部分進入管線的空氣，待油品全線貫通或過站后，再采用密閉流程。在起動油泵之前必須灌泵、盤車，確保泵體、密封腔內(nèi)無氣體。運轉(zhuǎn)過程中，不能隨意改變流程、開關(guān)閥門或執(zhí)行影響輸油工藝的操作，確保管線內(nèi)不發(fā)生介質(zhì)相變(汽化)。此外，在管線上泵入口前安裝消氣器也可排除管線搶修、停泵等操作造成的氣體。

3.2 避免壓力超限

在管線輸油中，很多操作會引起部分泵站輸油泵出口壓力突然升高，如小揚程泵換成大揚程泵輸油、輸送介質(zhì)重度變化等。當發(fā)生泵站輸油泵出口壓力升高時，調(diào)度中心應(yīng)按照沿線輸油現(xiàn)狀，起動未改造泵站輸油泵，以降低整個水力系統(tǒng)中出現(xiàn)的局部高壓，從而保護輸油泵，保證輸油生產(chǎn)正常進行。泵站操作人員應(yīng)及時按照調(diào)度指令，調(diào)整輸油狀態(tài)、參數(shù)，做到閥門開關(guān)無誤、操作方法準確，避免由于誤操作加重工藝設(shè)備使用負荷，損壞輸油設(shè)備造成機械密封泄露。

為了避免水擊發(fā)生時引起輸油泵機械密封失效，應(yīng)根據(jù)該輸油管線的現(xiàn)有條件，采取如下措施：1)適當降低管道介質(zhì)的流速，輸油管線一般流速≤3 m/s；2)操作中延長閥門開起或關(guān)閉時間，以避免直接水擊；3)起動管道中的安全閥，當壓強升到一定限度時，可以自動卸壓，保護工藝設(shè)備，從而避免機械密封失效。

應(yīng)提高操作者的實踐能力，切實落實團隊有關(guān)工藝操作人員上崗資格的規(guī)定，消除人為因素造成的壓力波動、壓力突變等現(xiàn)象。嚴格按照工藝設(shè)備規(guī)程進行操作，特別是在輸油泵的使用中注意出口壓力不能超過機械密封規(guī)定的最大壓力，最大限度降低人為因素造成密封失效。

3.3 密封彈簧合理預緊

針對該輸油管線實際情況，在泵出口壓力相對較高的泵站，安裝機械密封時應(yīng)確定相對較大的彈簧壓縮變形量，用較大的彈性預緊力來平衡由于壓力變大而形成的力差，盡可能降低由此引起密封失效的頻率。根據(jù)此輸油管線中開泵使用時輸油壓力與機械密封泄漏點和機械密封壓縮比公式，得到密封壓縮比調(diào)整表(見表1)。

表1 中開泵VSBE80機械密封壓縮比調(diào)整表

隨著國防科技的日益發(fā)展及部隊的迫切需要，現(xiàn)代軍用車輛的裝備正在不斷地完善，但同時也增大了車的質(zhì)量，這對車輛的機動性產(chǎn)生了一定的影響；因此，車輛減重事在必行。行走部分負重輪數(shù)目在正常輸油生產(chǎn)中，通常不能將機械密封彈簧壓縮比調(diào)整到>90%，否則，壓力變化時彈簧的伸縮間隙不能滿足密封端面力平衡的需要，密封靜環(huán)與彈簧座之間將會變成剛性連接，若出現(xiàn)水擊或壓力過大的情況時，將導致輸油泵串量變化，嚴重時會導致輸油泵運行出現(xiàn)故障。

3.4 消除雜質(zhì)

應(yīng)結(jié)合管線維搶修實際，充分考慮輸油泵入口前方管線維搶修距離與流速的關(guān)系，計算出時間后，及時對管路過濾器和泵體Y型過濾器進行清洗。在正常輸油生產(chǎn)中，管路過濾器每月清洗1次，泵體Y型過濾器每15天清洗1次，防止出現(xiàn)雜質(zhì)進入密封腔造成密封端面損壞引起失效。輸油巡檢中應(yīng)檢查冷卻管溫度，出現(xiàn)溫度異常升高時，也應(yīng)及時對泵體過濾器進行清洗。另外，根據(jù)中開泵運行和機械密封發(fā)生積炭的時間對比關(guān)系，每季度應(yīng)對機械密封進行清洗，消除積炭，恢復彈簧的伸縮性能。

4 結(jié)語

針對該輸油管線實際情況，在熟悉機械密封主要失效形式的基礎(chǔ)上，盡可能減少由于可避免因素造成的密封失效，如安裝方法不正確、安裝過程中的磕碰等。在此基礎(chǔ)上，確定合理的密封彈簧壓縮比，穩(wěn)定操作工藝，及時排除雜質(zhì)，延長機械密封的使用壽命，從而提高泵組工作的可靠性，保證輸油的安全性與經(jīng)濟性。燃氣透平壓縮機是燃氣處理設(shè)施中的關(guān)鍵設(shè)備，是連接上下游的核心機組。為確保機組的可靠運行，設(shè)備制造商、使用者和業(yè)內(nèi)的專家研究開發(fā)了設(shè)備健康管理(Equipment Health Management，EHM)技術(shù)，它包括對機組運行參數(shù)的記錄、主要偏離值的識別以及各種數(shù)據(jù)的分析和故障預測。EHM技術(shù)能夠幫助預測可能的故障，提前安排維修工作，避免或減少不必要的維修。該技術(shù)已被應(yīng)用在航空發(fā)動機的監(jiān)測上[1]，并取得了良好的效果。

[1] 劉星,童金俠,馬麗.機械密封泄漏原因分析與對策[J].遼寧化工,2011,40(6):630-633.

[2] 魯洪濤.機械密封泄漏與對策[J].化學工程與裝備,2010(9):137-138.

[3] 胡亞杰,王志強,趙永極.機械密封失效原因分析[J].橡塑技術(shù)裝備,2002,28(8):40-41.

[4] 劉駿,鄭祖武.KDY型外輸泵機械密封失效的原因分析與改進[J].化學工程與裝備,2009(2):65-68.

[5] 徐世君.溫度對機械密封的影響及分析方法[J].機械制造與研究,2007,36(5):82-83.

[6] 周曉寧.泵用機械密封失效原因分析與檢修[J].湖南造紙,2011(3):36-38.

責任編輯 鄭練

陳得彪

(中國人民解放軍62217部隊，青海 格爾木 816000)

Failure Analysis and Prevention of Mechanical Seal for Long Distance Pipeline Oil Pump at High Altitude Area

CHEN Debiao

(Troops 62217 of the Chinese People’s Liberation Army, Golmud 816000, China)

Oil pump seal is an important factor affecting the reliability of pump work. The mechanical seal has the advantage of leakage, low friction power consumption and long life, and it is widely used in fluid machinery. The seal failure is the main cause of equipment maintenance. The failure of mechanical seal for long distance pipeline oil pump at high altitude area is analyzed. It is pointed out that the main reason is that the pressure is too high, vaporization, impurities in the pipe and positive pressure evacuation caused by filter blockage. In order to improve the reliability of the pumps, ensure the safety and economy of oil transportation, the corresponding preventive measures such as stable operating process, avoiding the pressure limit, reasonable pre-tightening of the seal spring, removing the impurities and so on are put forward according to the actual situation of the field.

high altitude, centrifugal pump, mechanical seal, failure analysis, prevention

P=P1+P2±Pf-P3

陳得彪(1980-)，男，高級工程師，主要從事輸油設(shè)備管理等方面的研究。

2016-04-06

TH 311

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