畢新忠，杜國(guó)棟，張建國(guó)，畢鈺朋

（勝利油田分公司樁西采油廠，山東東營(yíng) 257237）

1 機(jī)械密封技術(shù)改進(jìn)背景

（1）油田生產(chǎn)工藝。油井產(chǎn)出液經(jīng)泵加壓進(jìn)入油田管網(wǎng)輸送系統(tǒng)。因此，泵是油田生產(chǎn)的動(dòng)力系統(tǒng)。離心泵以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便的特點(diǎn)在油田生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。近年來，機(jī)械密封的日益成熟，具有密封效果好（零泄漏）使用壽命長(zhǎng)、對(duì)軸磨損小、摩擦功耗低等特點(diǎn)，已經(jīng)逐步代替填料密封廣泛應(yīng)用于各類泵的密封。

（2）機(jī)械密封在油田應(yīng)用狀況調(diào)查。樁西采油廠管理的130臺(tái)離心泵全部采用機(jī)械密封。通過調(diào)查，相同型號(hào)機(jī)械密封在凈化后油液輸送泵使用壽命為2～3 年，采出液提升泵機(jī)械密封使用壽命平均1 年左右，從而發(fā)現(xiàn)工藝狀況、輸送介質(zhì)的變化嚴(yán)重影響離心泵機(jī)械密封的使用壽命。

（3）結(jié)合機(jī)械密封原理分析損壞原因。機(jī)械密封結(jié)構(gòu)原理：由端面密封副、補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、輔助密封圈和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等4 部分組成。動(dòng)環(huán)與靜環(huán)端面與軸面垂直安裝，運(yùn)行過程中動(dòng)環(huán)和靜環(huán)之間緊密貼合并相對(duì)運(yùn)動(dòng)，密封端面之間形成極為微小的間隙，壓力介質(zhì)通過該間隙時(shí)形成極薄的液膜并產(chǎn)生阻力，有效防止介質(zhì)發(fā)生泄漏，而且液膜還能保證端面具有較好的潤(rùn)滑性，從而達(dá)到長(zhǎng)期密封的效果。

（4）機(jī)械密封損壞調(diào)查分析。從生產(chǎn)工況對(duì)機(jī)械密封損壞進(jìn)行分析，排查了機(jī)械密封質(zhì)量、選項(xiàng)、安裝、振動(dòng)等因素后，確定油田在用機(jī)械密封損壞的主要原因是工作現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性導(dǎo)致密封損壞。離心泵出現(xiàn)氣蝕導(dǎo)致機(jī)封損壞頻次占30%，水質(zhì)懸浮在含量>300 mg/L 時(shí)，機(jī)械密封使用壽命明顯縮短，約占密封損壞的50%。例如，樁106 沉降池提升泵機(jī)械密封平均使用壽命6 個(gè)月。因此，改進(jìn)工藝、設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)是解決機(jī)械密封損壞的重點(diǎn)。

2 機(jī)械密封技術(shù)改進(jìn)內(nèi)容

2.1 研發(fā)專用排氣裝置，消除泵氣蝕現(xiàn)象

2.1.1 離心泵氣蝕原因分析

（1）從生產(chǎn)工藝分析離心泵氣蝕原因。油田采出液首先進(jìn)行氣液分離處理再進(jìn)行輸送，但受工藝、設(shè)備等因素影響，氣液無法分離徹底，特別是介質(zhì)經(jīng)過幾十米甚至更長(zhǎng)的管道輸送再進(jìn)入泵的過程，也是氣、液在管道中再次分離的過程。分離出來的氣體在密度差的作用下在流程高端或管線頂部聚集，隨著氣團(tuán)體積的逐漸增大，在介質(zhì)黏度、壓力作用下一旦進(jìn)入泵內(nèi)則造成泵氣蝕。

（2）從離心泵工作原理分析氣蝕原因。離心泵葉輪旋轉(zhuǎn)對(duì)流體做功，受離心力作用，液體由葉輪中心被拋向外圍，順著蝸殼形通道逐漸擴(kuò)大的方向流動(dòng)。液體吸上過程中會(huì)在葉輪中心形成低壓，當(dāng)葉片入口附近的最低壓強(qiáng)≤輸送溫度下液體的飽和蒸汽壓時(shí)，液體將在該處氣化并產(chǎn)生氣泡，占據(jù)液體流到的部分空間，導(dǎo)致泵氣蝕。因此，時(shí)時(shí)排除離心泵內(nèi)部氣體是保障離心泵高效運(yùn)轉(zhuǎn)的有效措施。

2.1.2 專用自動(dòng)排氣裝置結(jié)構(gòu)組成

專用自動(dòng)排氣裝置由微型氣液分離器、過濾器和排氣閥組成。

2.1.3 流程管線排氣防氣蝕部分（圖1）

流程管線排氣防氣蝕部分由流程管網(wǎng)和自動(dòng)排氣裝置組成。調(diào)查儲(chǔ)液罐到泵之間流程，確定氣體聚集點(diǎn)，并于管線頂部開孔連接排氣管線。氣液經(jīng)排氣管線進(jìn)入過濾器去除雜質(zhì)，再次進(jìn)入微型分離器進(jìn)行二次氣液分離，分離后氣液再進(jìn)入排氣閥并逐步在閥腔頂部聚集。隨著閥內(nèi)氣體的增加，腔內(nèi)液位下降，浮筒隨水位一起下降，打開排氣口排氣。氣體排盡后，液位上升，浮筒也隨之上升，關(guān)閉排氣口。以上過程周而復(fù)始，可有效防止離心泵氣蝕。

圖1 自動(dòng)排氣裝置

2.1.4 離心泵頂端分離自動(dòng)排氣部分

離心泵頂端分離自動(dòng)排氣部分由連接管線、離心泵本體、排氣裝置組成。離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)過程也是介質(zhì)在壓力變化作用下氣液分離再融合的過程。離心泵殼內(nèi)部形成了密封腔體，融合于一體的氣液混合介質(zhì)經(jīng)過濾器過濾進(jìn)入液氣分離器，分離出氣體經(jīng)排氣閥排出，避免離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象，保障了泵內(nèi)液體的充滿度，提高了離心泵泵效率。

2.2 改進(jìn)機(jī)械密封，設(shè)計(jì)自清洗技術(shù)

2.2.1 介質(zhì)對(duì)機(jī)械密封損壞的原因分析

油田產(chǎn)出液及離心泵輸送介質(zhì)復(fù)雜，含有泥沙、不溶的無機(jī)鹽、酸或堿、膠狀物、脂肪渣和纖維等。輸送過程中雜質(zhì)進(jìn)入密封腔內(nèi)造成機(jī)械密封快速磨蝕損壞，而且，介質(zhì)中固體顆粒越硬，棱角越尖，顆粒越細(xì)，其危害性越大。同時(shí)，機(jī)械密封工作過程中，由于密封端面之間的相互摩擦和機(jī)械密封旋轉(zhuǎn)構(gòu)件對(duì)液體的攪拌作用，產(chǎn)生大量的熱量，如果不及時(shí)帶走這些熱量，會(huì)使密封端面溫度升高導(dǎo)致密封失效。介質(zhì)中的二次生成物、膠狀物和纖維一旦附著、集聚在機(jī)械密封表層堵塞潤(rùn)滑通道，則會(huì)造成機(jī)械密封損壞。

2.2.2 機(jī)械密封改進(jìn)的重點(diǎn)和要求

機(jī)械密封改進(jìn)的目的：對(duì)機(jī)械動(dòng)、靜環(huán)接觸面及密封腔形成持續(xù)的沖洗，同時(shí)，不影響離心泵腔內(nèi)液體在葉輪離心力作用下的旋轉(zhuǎn)，以便利用葉輪的離心力作用排除大量的固體沉淀物，保障密封與密封腔內(nèi)徑之間足夠間隙，循環(huán)液有自由流動(dòng)的通道，降低密封摩擦副的摩擦熱并帶走密封端面的雜質(zhì)，盡可能延長(zhǎng)機(jī)械密封的穩(wěn)定運(yùn)行周期。

2.2.3 機(jī)械密封技術(shù)改造

（1）機(jī)械密封本體的改造。油田在用機(jī)械密封采用離心泵內(nèi)部循環(huán)自清洗技術(shù)，主要是通過泵內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)的液體實(shí)現(xiàn)沖刷，清理掉集聚在機(jī)械密封表層和密封腔內(nèi)的雜質(zhì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)封降溫（圖2）。其機(jī)封沖洗孔設(shè)計(jì)在機(jī)封靜環(huán)外側(cè)，沖洗液無法進(jìn)入密封腔和動(dòng)、靜環(huán)之間，也就是通過清洗液可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)封降溫，但無法沖洗雜質(zhì)。因此，凈化后油液輸送泵內(nèi)介質(zhì)經(jīng)過分離器、沉降罐、過濾器的多級(jí)處理，輸送介質(zhì)內(nèi)無雜質(zhì)不會(huì)造成機(jī)封損壞，機(jī)封使用壽命2～3 年，而采出液提升泵輸送介質(zhì)性質(zhì)復(fù)雜，機(jī)械密封使用壽命平均1 年左右，樁106 沉降池提升泵機(jī)械密封平均使用壽命6 個(gè)月。

（2）機(jī)械密封本體改造方案（圖3）。將傳統(tǒng)機(jī)械密封進(jìn)液沖洗孔由外端改為中間位置，出液沖洗孔由密封圈外側(cè)改為密封圈內(nèi)側(cè)，使沖洗液不受靜環(huán)密封圈阻止可直接持續(xù)沖洗靜、動(dòng)結(jié)合面；及時(shí)將附著在機(jī)封表層的雜質(zhì)沖掉，保障密封腔內(nèi)清潔，動(dòng)、靜環(huán)之間形成穩(wěn)定的潤(rùn)滑膜，從而保障機(jī)械密封使用效果。

圖2 改造前機(jī)械密封沖洗技術(shù)

圖3 密封本體改造

（3）輔助沖洗流程改造（圖4）。設(shè)計(jì)針對(duì)機(jī)械密封腔室、動(dòng)、靜環(huán)的專用沖洗流程。沖刷液的流量應(yīng)保證沖洗顆粒的同時(shí)還需帶走機(jī)封運(yùn)行產(chǎn)生的熱量，而且不會(huì)產(chǎn)生對(duì)密封件的沖蝕。為此，需控制密封腔的壓力和沖刷流速，一般清潔沖刷液的流速應(yīng)<5 m/s，含有顆粒的漿狀液體須<3 m/s，沖刷液入口設(shè)置在密封端面四周，且靠近動(dòng)環(huán)側(cè)。

通過調(diào)查，結(jié)合油田離心泵工作環(huán)境特點(diǎn)（無壓力合適的清潔水源），決定采用泵出口干線介質(zhì)作為機(jī)械密封輔助清洗介質(zhì)，離心泵正常運(yùn)行過程中干線中的介質(zhì)經(jīng)輔助沖洗流程進(jìn)入機(jī)械密封腔時(shí)時(shí)清洗機(jī)械密封動(dòng)靜環(huán)。同時(shí)，結(jié)合泵出口流程特點(diǎn)，將回流沖洗管線從單流閥內(nèi)端改造到單流閥外端，離心泵即使出現(xiàn)故障不打液，也能實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械密封的時(shí)時(shí)清洗、降溫。同時(shí)，在輔助流程中安裝調(diào)節(jié)控制閥，規(guī)定每次啟泵前首先打開回流閥并盤泵3～5 圈，待輔助潤(rùn)滑液正常循環(huán)后方可啟泵；每次停泵后3 min 才能關(guān)閉機(jī)封輔助清洗液，保障機(jī)封良好降溫。

圖4 輔助沖洗流程改造

3 改造效果

3.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

（1）該技術(shù)在樁西采油廠130 臺(tái)離心泵進(jìn)行推廣應(yīng)用，在離心泵來液管線氣體聚集部位頂部和離心泵本體安裝排氣裝置，實(shí)現(xiàn)離心泵時(shí)時(shí)自動(dòng)排氣，解決了泵氣蝕的問題。

（2）消除了離心泵外輸壓力波動(dòng)現(xiàn)象，提高了泵運(yùn)行質(zhì)量，平均提高泵效2%。在聯(lián)合站250DL-240-80×3 離心泵安裝應(yīng)用，振幅降低，提升了機(jī)泵管理水平。

（3）對(duì)機(jī)械密封自清洗流程和沖洗位置進(jìn)行改進(jìn)，利用干線介質(zhì)時(shí)時(shí)對(duì)機(jī)械密封靜、動(dòng)結(jié)合面進(jìn)行沖洗清理，避免雜質(zhì)聚集造成的密封面磨損，同時(shí)消除了泵無流量時(shí)機(jī)械密封出現(xiàn)干磨損壞的現(xiàn)象。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

（1）改造后，采油廠泵類機(jī)械密封使用壽命平均達(dá)到2 年以上，2019 年減少更換密封84 副，按每套密封0.35 萬元計(jì)，年節(jié)省費(fèi)用28.56 萬元。

（2）平均提高泵效2%，按平均單泵運(yùn)行費(fèi)用800 元/天計(jì)，單泵年增加效益0.58 萬元。

（3）在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用130 臺(tái)次，年合計(jì)創(chuàng)效103.96 萬元。

3.3 社會(huì)效益

（1）自動(dòng)排氣代替人工排氣操作，降低了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了泵站管理水平。

（2）改人工憑經(jīng)驗(yàn)判斷離心泵有無氣蝕現(xiàn)象再排氣為自動(dòng)時(shí)時(shí)排氣，避免離心泵氣蝕，提高泵效。

（3）該技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，延長(zhǎng)了離心泵使用壽命，節(jié)省成本，且消除了干線壓力波動(dòng)，提高了集輸系統(tǒng)的平穩(wěn)外輸質(zhì)量。