TDWY型整桶式多级离心输油泵可靠性研究

景万德，王小丽，周善兴，汪 勇

（中国石油长庆油田分公司第一采油厂，陕西 延安 716000）

由于多级离心输油泵排量大、扬程高、运行参数调整方便、结构简单、造价低等诸多优点，在油田生产现场广泛应用。但是，其目前使用的可靠性还比较低，故障率相对较高。为此，研制出了高可靠性、零故障免维修的TDWY系列整桶式多级离心泵。

一、多级离心泵的破坏形式

（1）叶轮口环及轴柄严重磨损，造成泵内容积损失增大，轴向力平衡严重失调，泵的流量、扬程参数降低。主要原因：介质含砂量大；泵轴刚性差；导叶设计不合理。使得泵转子部分产生不对称径向力。

（2）平衡盘严重磨损造成转子部件轴向窜动增大，叶轮盖板磨损失效，甚至造成泵转子部分轴向力传给电机，使电机损坏。主要原因，介质含砂量大；泵运行工况变化大；泵启动停车频繁。轴向力平衡系统也有必要改进。

（3）轴封磨损失效。随着转子部件轴向运动量增大，轴封随动性差、泄漏量大，污染环境。主要原因：轴封自然磨损。机封垢蚀后随动性差，泵轴向运动量大。

（4）平衡管垢蚀堵塞，轴向力平衡系统破坏。

（5）泵进口过滤器过滤不严，杂质进入泵内，叶轮流道堵塞，泵流量扬程降低。

（6）轴承损坏。主要原因是润滑不好；转子部件未锁紧。

二、多级离心泵故障频率分布

2005年对安塞油田多级离心泵的维修情况及故障频率分布进行统计分析：多级离心泵30台，年维修72次，每台平均维修2.4次，年维修直接费用24万元。1年内故障频率分布见表1。

表1

从上述多级离心泵1年内故障频率的统计分析看，多级离心泵的故障，主要产生在轴向力平衡系统和轴封系统。该两系统的故障占到全部故障的90%以上。因此提高多级离心泵轴向力平衡系统和轴端密封系统的可靠性，是延长多级离心泵零故障免维修周期的关键。

三、TDWY型整桶式无泄漏多级离心泵可靠性分析

TDWY型整桶式无泄漏多级离心泵的零故障免维修周期长，主要采用了复合式无磨擦轴向力平衡技术和微循环组合密封技术。

1.复合式无磨擦轴向力平衡系统结构及原理

如图1所示，复合式无磨擦轴向力平衡系统主要由平衡鼓、平衡盘、限位轴承等组成。A腔与泵出口相通，B腔与泵进口相通，E腔经孔D与B腔或泵进口相通。平衡鼓用平键与叶轮串联固定安装在泵轴上。平衡盘固定安装在泵出水段上。限位轴承为向心推力球轴承，可以承受一定的轴向推力，其内圈通过锁紧螺母固定安装在泵轴上，其外圈通过轴承压盖限位于轴承体内，使泵转子部件可以作设定量的轴向运动

与传统离心泵结构形式比较，多级离心泵由于液流作用在叶轮表面上的力不平衡，以及液体给叶轮的动量冲力等原因，使得泵工作时产生很大的轴向力N，其方向指向叶轮进口。该轴向力若不进行平衡抵消，泵将无法工作。为了平衡轴向力N，设计了上述轴向力平衡机构。泵工作时末级叶轮出口处压力作用于平衡鼓右端面，产生平衡力F1，设计时设定F1略大于N，泵转子部分向左运动，间隙b2关闭。平衡鼓右端压力经间隙b1到达平衡鼓左端C腔，产生反向推力F2，设计时设定F1-F2＜N。使得泵转子部分向右运动，间隙b2打开，C腔压力下降，F2减少。b2打开至F1-F2=N时为止，此时泵轴向力自动得到完全平衡。

由于液体流经b1、b2间隙的阻力作用和转子部分左右运动的惯性力作用，使得平衡盘和平衡鼓在间隙b2处经常产生瞬间摩擦接触，这是平衡机构磨损失效的根本原因。本技术的轴向力平衡机构，大部分的轴向力已由平衡鼓右边F1抵消，平衡盘和间隙b2只是对较小的残余轴向力F2作二次平衡。这样转子部分轴向运动量较小，惯性力较小，转子部件较小运动量的较小惯性力由轴向限位轴承承担，使得平衡盘和平衡鼓磨合后不再继续磨损。因此该轴向力平衡系统称之为复合式无磨擦轴向力平衡系统。可以从根本上消除多级离心泵的此破坏形式，大大提高了多级离心泵的使用寿命。

对运行了10 000h的TDWY60-50x7型泵进行解体检查，经检测轴向力平衡系统无任何磨损。

2.微循环动静组合密封

TDWY型整桶式无泄漏多级离心泵，采用微循环动静组合密封技术，较好地解决了密封泄漏难题。

微循环动静组合密封技术。是利用疏导的办法，在密封部位建立微循环系统进行能量转换，使泄漏点产生一定的负压，从而达到变密封泵内介质为密封泵外空气的效果。

如图2，取截面Ⅰ-Ⅰ和截面Ⅱ-Ⅱ，

列出液体流动的能量方程式：

式中：P1、P2、U1、U2、Z1、Z2分别为截面Ⅰ-Ⅰ和截面Ⅱ-Ⅱ处的压力、流速、高度。

设微循环孔的面积为f，流过该孔的微循环流量为Q则：

实际应用中P1为可知，在油田集输系统中P1≈0.1MPa，P2可以根据密封效果设定，一般P2设定为-0.01～0MPa。因此△P=0.1～0.11MPa。

从方程（2）可知，选择Q和f，可以满足△P值。其中f由加工确定，Q由微循环泵流量确定。因此上述微循环密封技术在理论和实践上都成立。

微循环密封系统关键是建立微循环。该循环系统的循环泵可以是离心泵，也可以是容积泵。微循环密封理论上可以不受密封压力的限制，当密封压力很高时可采用容积泵建立微循环。

微循环密封系统，密封效率高，消耗能量小。根据上述能量转换计算，一般进口压力在0.1MPa以下的泵，做到完全无泄漏，密封消耗的功率可以控制在50W以下。这是其他密封技术不可比拟的。

微循环密封由传统密封的密封泵内介质转化为密封泵外空气，因此对密封介质的要求不高，尤其对含磨料介质的密封，优势更加明显。

式中泵进口压力P1在一定范围内变化，对密封腔内的P2影响很小。

从微循环密封的能量方程还可以看出，流经循环孔的流量Q和孔前后的压力差△P的平方根成正比。而且由于该孔是薄壁小孔，受到磨擦阻力的作用很小。所以流量Q受到液体黏性及温度的影响很小。

微循环密封系统，泵工作时对泵外空气的密封和泵停止运转时的静密封，是靠双向密封的浮动环（或双作用的机械密封）实现的。由于泵运转时产生的△P很小，因此浮动密封环受到正压力N很小，浮动密封环结合面十分光滑，磨擦系数小，产生的磨擦力很小。浮动环磨擦产生的热量又被微循环介质带走。这样浮动环的密封十分可靠，寿命长，基本没有磨损。

综上所述，微循环动静组合密封完全能够达到无泄漏的效果。而且运行可靠，使用寿命长，从根本上消除了多级离心泵的泄漏，又进一步延长了多级离心泵零故障免维修的使用周期。

四、结论

由于该型泵采取了复合式无磨擦轴向力平衡技术和微循环组合密封技术，与常规离心泵单靠平衡盘或平衡鼓进行轴向力平衡形式想比较，寿命、稳定性、免修期周期大幅提升，从2004年开始，先后在安塞油田使用TDWY60-50、TDWY120-50、TDWY100-30、TDWY85-67、TDWY45-50、TDWY25-50等系列整桶式多级离心泵40余台，该型泵平均免维修运行周期达到了24个月，可靠性大幅度提升。