某公司有 6台大型进口 Flowserve输油泵, 其中 NP102-1、NP102-2两台主输油泵于 2005年 7月投入运行。该泵型号为 12/14LPLD20, 为中剖双吸式单级离心泵 ,排量 1 400m3/h, 设计入口压力3.8MPa, 出口压力 6.1MPa。 泵的轴封采用Flowserve原装进口机械密封, 该机械密封为集装式 、单端面、平衡型高压机械密封。

1. 存在的主要问题

       该泵机械密封的工作条件为:设计介质压力6.4 MPa,轴径 97mm, 转速 2980r/min,介质为原油 ,介质温度 0～ 50℃。

        Flowserve机械密封存在的主要问题有:

a.该主输油泵在投产初期运行正常 , 但随着时间的推移机械密封开始渗漏 ,运行 4 000h渗漏较大 ,达到线状,而更换密封原件以后每 4 000h又出现同样的现象 ,表明该机械密封运行寿命较低 ;

b.传动轴套紧定螺钉紧固力不够可靠 , 长周期运行后轴套易产生打滑现象 , 导致机械密封不能正常运行;

c.Flowserve机械密封进口费用昂贵, 且供货周期长。

2. 技术分析

        Floeserve公司的主输泵机械密封, 该密封属于普通的旋转式平衡型密封。

       在几次机械密封故障的检修中发现：

      a.SiC动环表层局部剥落 、同时出现裂纹,防转止口处也出现局部剥落。这种故障现象在渗漏的机械密封中都普遍存在。

       b.传动轴套出现过移位 , 其原因为紧定螺钉抱轴力度不够 ,使轴套产生滑移,致使动静环贴死 。所幸的是这次事件发生在停泵时 ,停泵后盘车发现盘车不动 ,再进一步检查发现了该故障 。

 分析 Flowserve机械密封的结构, 并结合上述问题, 有以下几个问题值得思考 :

       a.在高压下 ,除端面摩擦功率大之外, 搅拌功率也大,紧定螺钉容易打滑。

       b.普通密封零件容易产生力变形和热变形 。

       c.旋转零件过多 ,易产生振动和液力冲击,密封工作状态不平稳。同时, 也会产生较大的搅拌热。弹簧在旋转过程中弹力不易得到保证, 密封端面比压不稳定。

      d.密封摩擦副端面未采取任何强制润滑措施 ,密封端面润滑不良 ,会导致过快磨损而失效 。

     e.传动机构太薄弱, 特别是传动环的紧定螺钉, 非常容易打滑。

3. 基本参数确定

       主输油泵机械密封工作时 , 其 pV值计算如下：

            设计介质压力 p　 6.4MPa

            轴转速 n　 2 980r/min

            密封面均径 D m130mm

            平均周速 V　 20.3m/s

            pV值 pV　 129.9 MPa· m/s

       在如此高的 pV值情况下, 若按常规密封设计 ,将导致端面比压和 pc V值增高, 密封端面的液膜将形成汽化,加剧磨损, 最终导致密封的破坏 。根据上述工况 ,结合 API682密封标准要求,确定国产化改造的       机械密封技术参数如下 :

          机封冲洗方案　 API682 PLAN31

          弹簧比压 ps       0.2MPa

          载荷系数 K　     0.72

          反压系数 λ　     0.5

          介质压力 p　     6.4MPa

          端面比压 pc       1.6MPa

          密封使用寿命　 不小于 8 000h

4.关键技术问题的解决

4.1　动环防转止口剥落问题

       原 Flowserve机械密封动静环均采用 SiC材料 。 SiC具有耐磨、摩擦系数小、重量轻的优良特性 ,但脆性却是它最大的缺点, 特别是棱角部位受冲击载荷影响易裂。考虑到机封工作压力较高,线速度及 pV值高 ,运行时特别是启停泵时受到的冲击力较大 , 决定采用 YG6硬质合金作为动环。YG6硬质合金同样具有非常耐磨的优点, 同时,它的抗弯强度是 SiC陶瓷的几倍 。对于静环, 仍采用 SiC。这样 , 动环硬质合金与静环 SiC组对,一方面能充分发挥 SiC的摩擦系数小、有一定的自润滑性的特性 , 又能保证动环具有足够的抗冲击性, 防止剥落与裂纹 ,同时能有效避免动静环在高 pV值下的粘结损坏 。

        静环使用 SiC还有另外一个原因, 因 SiC有重量轻的优点,对于大轴径上的静环采用 SiC, 可使静环与压盖密封处的 O形圈受静环自重力的影响最小。如果使用重量大的材料 ,在长期的使用过程中,有可能使 O形圈的下部受静环压迫而逐步变形,导致静环下移, 可能使 O形圈的上部过于松驰,而使用轻质的 SiC则可使这种影响变得最小 。

        另外, 原 Flowserve动环组件设计过于复杂,传动旋转组件较多,这样复杂的设计易产生振动和液力冲击, 密封工作状态不平稳。同时, 也会产生较大的搅拌热。为此 ,将动环部件作了简化处理, 关键传动连接部件由 3个降为两个 ,内部密封圈由两个降为一个, 这样加强了动环组件运行的可靠性 。同时 ,减少了一个密封点 ,也就减少了一个渗漏故障点 。

4.2　动环裂纹及表层剥落问题

        原 Flowserve机封动环表面出现的裂纹及表层剥落 ,很大程度是受热应力、摩擦及冲击力综合影响的结果 。对于高 pV值密封 ,理论上可以采取两种方法改善端面发热状况:一是减小端面比压,即降低载荷系数 ,但由于端面比压与端面液膜反力有关系,而液膜反力又与介质特性有关系,密封要针对不同的原油介质,因此这种措施很难实施;二是在密封端面采取措施, 可以改善密封端面发热状况 。

经过分析 ,决定采取静环表面端面开槽的方式,  在静环摩擦端面开数个深1mm均布的润滑槽 ,改善动环 、静环摩擦副的摩擦状况, 同 时把 静环接 触带 的宽 度减 小, 从Flowserve的 7.3mm减小为 4.3mm, 减少动静环表面的接触面积 ,并设计合适的端面比压 ,从而减少启动扭矩 ,减少运行时的摩擦力, 减少动静环表面的发热量 。

　    通过这种改进 ,有效地改善了动静环表面的润滑状况及摩擦热状况, 降低了热应力, 同时, 因材料的改进 ,使动环表面产生裂纹及表面剥落的机率大大降低，另外,由于动环组件在结构上的简化 ,也有效地减少了振动、液力冲击和搅拌热, 这样也有利于减少动环的裂纹 、剥落 。

4.3　密封传动可靠性

        主输油泵密封由于承受压力高, 输送的是原油介质, 同时 , 由于工艺输转的需要, 往往需要调整输转方式 ,跟其它泵串联或并联运行或启停切换泵, 因此, 泵的进出口压力波动也很大 ,这样会引起密封的震动和其他恶劣工况 , 其传动机构必须可靠 。

        Flowserve机械密封采用紧定螺钉的方式对轴套进行固定 。紧定螺钉虽然简单 ,但紧固力度较薄弱 ,且随着时间推移, 螺钉容易打滑。而打滑的后果是很严重的 ,将导致动静环紧紧压死在一起 ,并导致动静环的过热烧结。为此,对轴套紧固的方式进行了改进 ,由紧定螺钉的点固定改为楔形抱轴器的面固定。根据计算, 当主输泵介质压力达 6.4MPa时 ,密封轴套承受轴向力为 33kN, 采用一般的轴套传动机构不够可靠 ,一旦抱轴不稳 ,将引来非常严重的后果 。采用高压抱轴器, 承受轴向推力在

80kN以上, 非常安全可靠 。

4.4　试运期间动静环摩擦副渗漏量大

        按照上述方案, 设计并加工了一套国产新机械密封 ,并于 8月份 装于 NP102/2主泵。但在试运行时发现动静环摩擦副处渗漏较大 ,达到每分钟 140滴。后重新拆检研究、分析得知 ,因泵进出口压力差比较大, 最初密封冲洗液方向正对动静环摩擦副端面, 在高压直接冲洗下对动静环形成较大的干扰 ,在试静压时未形成干扰, 但在开泵运行时就形成较大的干扰 ,因而产生渗漏 。后来, 重新修改设计了布液环的结构 ,调整布液环的流道方向 ,避免冲洗液直接对动静环的干扰。

         设计加工好布液环后整体组装 ,并进行试运行 ,试运行时取得了很好的效果 ,各方面工况都达标 , 解决了机械密封渗漏的问题。

5.安装调试要求

        该机械密封属于高压 、高线速度集装式密封 。安装时 ,应按下列步骤进行 :

        a.检查并保证轴的径向跳动量不大于 0.05mm,轴向窜动量不大于 0.3mm;腔体定位止口圆与轴的同心度不大于 0.125mm, 腔体定位止口端面与轴的垂直度不大于 0.1mm;

        b.检查并保证轴表面、腔体之口圆表面粗糙度 R a ≤3.2μm;

       c.清洗密封腔 ;

       d.在密封轴套密封圈表面均匀涂上润滑脂 ,将密封整体套上轴 ,用螺栓将密封压盖与腔体连接, 采用对角线交叉的方式拧紧;

       e.将楔形抱轴器套上轴套, 采用对角线交叉的方式拧紧所有压紧螺钉;

       f.拆下定位块;

       g.盘车感觉转动时力矩均匀后, 连接好冲洗管线 。密封腔中充满液体,排尽空气后 ,即可正常开车运行 。

6.应用情况

      将加工调试好的第一套机械密封安装在 NP102-2主输油泵上, 并投入使用 ,至 11月 ,已累计运行了 9 377h,超出了 8 000小时的设计运行寿命 。 之后对该机械密封进行了拆检, 检查机械密封的主要部件动环及静环的情况 , 从检查情况来看 ,该动静环非常良好, 未见任何异常裂纹 、剥落的痕迹 ,摩擦副表面仍然较光洁 ,只有少量的正常磨损痕迹,经研磨抛光后还可正常使用。

       目前,已对其它的 Flowserve输油泵进行了国产化设计,并对部分机械密封进行了加工 、储备及应用。 已有 20套国产高压机械密封应用于输油泵上 ,且运行良好, 使用寿命均超过 10 000h。这表明,此次技术改造是成功的。此次进口机械密封改造的成功, 解决了高压输油泵的密封问题 ,打破了长期依赖进口高压设备机械密封的惯例 , 为设备的安全 、稳定 、长周期运行提供了有力的保障。