多级离心泵密封件磨损对运行效率的影响实验

陈明华，何 杉，张少锋，叶 剑，李 进

（1.中海油能源发展装备技术有限公司机电中心，天津 300452；2.北京天际翔达科技有限公司，北京 100176；3.中海油天津化工研究设计院有限公司，天津 300131）

1 实验背景和目的

海上平台关键泵类采取状态维修的方式，20%以上的设备大修周期延长到20 000 h 以上，但长周期运行的设备密封件会逐步磨损。内部部件的均匀磨损，在设备振动状态监测数据方面并没有直接特征，但设备已存在效率下降、能耗上升的问题。如何合理安排大修时间点，成为采取状态维修策略后，设备管理面临的重要问题。为此，通过实验研究的办法，研究多级离心泵动静配合密封件泄漏对设备效率的影响，为安排合理大修周期提供依据。

2 泵体结构及机组主要参数

（1）实验设备采用海上平台实际使用的一种泵型，泵体水平中开、叶轮分高压和低压两端对置的KHP115-55×7 型多级离心泵（图1）。泵内主要密封件包括叶轮前密封换、后密封环、以及高压段与低压端之间的中间衬套。

图1 KHP115-55x7 多级离心泵

（2）泵机组的主要参数见表1。

表1 多级离心泵机组主要参数

3 实验装置、实验原理、方法及步骤

3.1 实验装置

多级离心泵实验装置组成主要包括泵实验台、潜水泵、管路回路、循环水池、控制系统、数据监测系统等，如图2 所示。

图2 多级离心泵实验装置

3.2 实验原理

泵的总效率η 等于容积效率ηv、水利效率ηh和机械效率ηm三者的乘积，见式（1）。本实验研究叶轮前密封、叶轮后密封、中间衬套在不同磨损条件下容积损失对总效率的影响。查阅相关资料可知，理论上，扬程是容积损失的二次函数，见图3。

由实验用多级离心泵的结构可知，可造成内部泄漏损失的主要部件包括叶轮前、后密封以及高压段与低压端之间的中间衬套。叶轮前、后密封泄漏时，由叶轮出口经前密封回流本级叶轮入口，经后密封回流叶轮与隔板间隙。中间衬套泄漏时，流体则由高压段经中间衬套回流低压段叶轮后密封。

图3 扬程-容积损失曲线

3.3 实验方法

调节设备运行参数，保障入口参数（阀门开度、入口压力、入口流量）、出口阀门开度、出口流量相同的条件下，分别测试正常工况，实验件轻度磨损、严重磨损条件下的电气参数、出口压力及性能参数，其中性能参数中的效率为总效率；具体测试参数见表1。轻度磨损和严重磨损均参考同型号设备拆检维修数据，其中轻度磨损实验将密封件外圆车去0.4 mm，严重磨损将外圆车去1 mm。

表2 实验数据

表3 泵机组主要参数及参数变化情况

3.4 实验步骤

分别测试正常条件下（部件无磨损）、前密封环轻度磨损、前密封环严重磨损、后密封环轻度磨损、后密封环严重磨损、级间套轻度磨损、级间套严重磨损等情况下的机组运行参数。

4 实验数据

实验数据见表2。由表2 记录数据可得泵机组主要参数及参数变化情况（表3）。

5 多级离心泵测试数据对比分析

（1）泵的入口管在地下水池，水位波动和循环水流导致吸入压力（真空度）有3～5 kPa 的波动，在相同阀门开度下吸入流量有0～1 m3/h 的偏差。流量数据对比时，流量数据不是与正常工况对比，而是出口流量与入口流量数据对比，因此并影响数据分析，依然可认为各组数据是在同等工况下的测试结果。

（2）前、后密封环、中间衬套磨损，出口流量与入口流量的差值为0～1 m3/h，差值很小，但总体体现出泵的实际出口流量因内部泄漏略小于入口实际流量（部分数据出入口流量相等，与流量表的精度有一定关系，是本实验测试仪表选用需改进的地方）。

（3）前密封环、中间衬套磨损，电机电流显著上升，电机转子负荷增加，负荷增加与磨损程度正相关；后密封环磨损，电机电流下降，与磨损程度负相关，这与后密封环泄漏介质没有直接进入入口流道有关。

（4）前、后密封环、中间衬套磨损，出口压力、扬程、效率显著下降，并与磨损程度变化趋势一致；同等磨损程度下，前密封环、中间衬套对出口压力、扬程、效率的影响比后密封环影响大1 倍以上。

6 结论

（1）前密封环、后密封环、中间衬套磨损对流量影响很小，即对容积效率影响很小。

（2）前密封环、后密封环、中间衬套磨损，造成的内部泄漏量很小，但对出口压力、扬程、泵效影响很大，符合理论上扬程与容积损失的二次函数关系。前密封环、中间衬套磨损但对出口压力、扬程、泵效影响比后密封环磨损影响更显著。

（3）实验方法是分别实验各部件磨损对设备效率的影响，实际运行中的设备，各部件磨损进程基本是同步进展，因此设备的效率变化应是三者之和。依据实验数据，当多级离心泵内部密封件轻度磨损时，效率下降13%；严重磨损时，效率下降22%。在严重磨损条件下，若设备连续运行4000 h，因效率下降设备增加的能耗成本为90 kW×4000 h×0.8 元×0.22=63 360 元。

7 建议

（1）泵内密封件磨损时，出入口流量差值变化很小，由此难以判断设备内漏情况。可对比相同工况下设备的出口压力、扬程、功率数据变化情况，半定量判断设备的内部密封件磨损泄漏趋势及严重程度。

（2）状态维修的设备，不宜单纯追求设备的长周期运行，应综合考虑设备运行周期、设备机械可靠性、性能状态及能耗、设备大修成本，以确定合适的设备大修时间段，同时保障设备运维的可靠性与经济性。根据实验数据，在设备达到严重磨损阶段时，应尽早安排设备大修。