多弹簧机械密封在注水泵上的应用与改进分析

高峰

（中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300452）

油田注水是保持油层压力、降低原油递减率的主要措施，注水泵机组是油田注水的关键设备。KHP170-140×10型注水泵是由佛山水泵厂生产的应用于海上平台的高压注水设备，在海上平台应用非常广泛，该泵由1120kW的电机驱动，承担着平台注水的重要任务。

自平台投产以来，因介质内含有细砂，连续长时间运转等原因，2020年注水泵机组已经连续运转了18000h，期间损坏机械密封12套，机封平均寿命不到1500h。2020年6月，注水泵的驱动端机封出现频繁泄漏的情况，在拆检过程中发现机封的动静环密封面严重磨损，有些新机封刚刚运行几天就会出现泄漏的情况，找出机封频繁损坏的根本原因成为保证注水的首要任务。

1 机封的组成及工作原理

机械密封是一种用于流体旋转机械的轴向密封装置，它一般由4部分组成，即由动环和静环组成的密封端面（摩擦副）；以弹性元件为主要零件的缓冲补偿机构；辅助密封圈；使动环随轴旋转的传动机构。缓冲补偿机构一般采用弹簧和波纹管两种形式，其中波纹管可采用橡胶、聚四氟乙烯和焊接金属等材料制作。

工作原理：机械密封亦称端面密封，其有一对垂直于旋转轴线的端面，该端面在流体压力及补偿机械外弹力的作用下，依赖辅助密封的配合与另一端保持贴合，并相对滑动，从而防止流体泄漏。由于其密封性能稳定、泄漏量少、功耗低、使用寿命长、对轴承磨损小、耐振性强、密封参数高的特点，使用范围十分广泛。

2 存在的问题及原因分析

2.1 机械密封损坏的原因

根据统计，机械密封使用寿命平均不到1500h，特别是2020年以来，使用寿命更是缩短到了不到800h，由此导致设备频繁地停机，严重影响设备的连续运转和油田注水。从驱动端的机封腔室压力和机封拆检情况看，密封失效形式主要有磨损、波纹管破裂、波纹管弹性失效、锁紧装置失效等原因，经分析造成失效的主要原因有以下几种：（1）注水泵驱动端腔室压力高。（2）波纹管机封在高腔室压力下无法正常使用。（3）轴套的螺钉锁紧形式在高腔室压力下无法长时间有效锁紧。

2.2 机封损坏的原因分析

机封受力情况如下（如图1）。

图1 机封受力情况

动环受力：Ft为弹簧力；Fp为介质压力；Fm为液膜压力。

多弹簧推进式机械密封的受力情况：

图2 多弹簧机封受力情况

3 提高机封使用寿命的措施及效果

3.1 弹簧式机械密封的优点

多弹簧的排列方式使得密封端面承受压力更加均匀；动环与轴套之间、静环与压盖之间由原来的密封胶圈改为现有的螺栓和垫片连接，从而使这两处的密封和连接更加可靠；轴和轴套不受磨损；抗振性好，对旋转轴的振动、偏摆以及轴对密封腔的偏斜适应性强；可避免因机泵反转造成的密封失效；能够承受较高的腔室压力。

3.2 波纹管机械密封的缺点

波纹管是该类密封的弹性补偿元件，由于长期处在高温、高压、振动、腐蚀等环境中，波纹管焊接部位因疲劳易出现裂纹，甚至断裂，波纹管密封一旦泄漏，往往就要更换整套密封，造成很大的浪费；对冷却水质要求高，密封的冷却水套和密封弹性体之间间隙过小，在泵运转过程中，冷却水中的盐类和杂质在波纹管上结晶、沉淀后形成水垢，当水垢积累到一定程度时，就会使波纹管的弹性降低或丧失，导致密封动环与静环之间端面贴合不紧而造成密封泄漏。腔室压力较高时，动静环之间的间隙将逐渐增大，无法起到密封的效果。

3.3 机封形式的改造

针对波纹管式机封和弹簧式机械密封的特点，以及对现场情况的分析，将对机封进行以下改型。

（1）补偿机构形式的改造。将补偿机构的形式从波纹管式更换为多弹簧式，多弹簧式的机封压力分布更加均匀，更适合高速和大轴颈的泵。（2）锁紧方式的改造。将轴套锁紧方式由螺钉式改为盘式锁紧，不仅拆装方便，传递孔径大，盘式锁紧具有更大的锁紧力，轴套不易发生相对的滑动，能够保证轴套固定状态，减少了相对位移，杜绝了动静环密封面的磨损和所承受的冲击。（3）密封面材质的改造。将密封面的材质进行换型，硬质合金材质具有硬度高、耐磨和韧性较好的性能，因此，将原来的石墨—石墨材料改为硬质合金—碳化硅，在调整后试运行，其密封效果得到了明显的改善，并且由于磨损的密封面较轻，可以对其进行研磨修复，重复使用，这样大大节约了维修成本。（4）节流衬套的改造。经过对泵体进行解体检查，判断泵体腔室压力过高的主要原因是节流衬套的磨损，衬套间隙的增大促使泵体第七级叶轮进口较高压力窜向机封腔室，导致机封腔室压力过高。为了从根源上解决这一问题，将节流衬套形式改为螺旋套，材质改为碳化硅，提高了节流衬套的耐磨性，从而确保了注水泵驱动端腔室压力的正常状态。

3.4 改造效果

对注水泵C进行升级改造，其他泵作为对比，经过6个月的持续观察，现场无泄漏，腔室压力为0.55MPa，未有明显增加。配合在线振动检测系统针对注水泵全面监控，机械人员可以通过这些数据对注水泵出现的故障进行分析，提前做好预知性维修，保障注水泵的安全运行状态。

4 结语

经过改型的机封，无论从承受压力、材质的耐磨性能、轴套锁紧的可靠性以及研磨的重复利用率上都有较大提升，保证了设备的平稳运行，为注水泵返陆地检修赢得时间，同时，也保质保量完成注水任务。年初计划注水量为273万方，实际完成注水量为281万方，超出注水指标2.9%。