高壓原油管道輸送泵機械密封設計

1、<p>　　高壓原油管道輸送泵機械密封設計</p><p>　　摘 要：介紹高壓原油管道輸送泵機械密封的設計技術方案，包括設計參數、結構布置、性能預測及測試驗證。針對密封運轉的工況參數，采取優(yōu)化的結構設計方案提高密封在高壓工況下的運轉性能。采用特殊設計的動壓槽密封面改善密封運轉條件，并運用專業(yè)的密封設計軟件預測其性能。測試運轉結果表明該設計方案滿足工況要求。 </p><p>　

2、　關鍵詞：高壓 原油 管道泵 機械密封 動壓槽密封 </p><p>　　當今石油作為最主要的能源，其對工業(yè)社會經濟發(fā)展具有舉足輕重的地位。管道運輸作為比公路、鐵路、船舶等更經濟有效的油品運輸方式，逐漸成為我國能源輸送的生命線。而目前保障原油運輸的關鍵設備――大型中、高壓管道輸油泵主要依賴進口，其配套進口密封價格昂貴，服務不及時。近幾年國內泵和密封企業(yè)整體實力獲得很大提升，管道輸送泵和密封國產化是大勢所趨。而通常

3、情況下密封是決定泵能否安全運行的第一要素，其國產化成功具有很高的經濟價值和戰(zhàn)略意義。 </p><p>　　本文重點介紹了與沈鼓合作配套研發(fā)高壓原油管道輸送泵機械密封的設計研制過程。針對密封研制過程中存在的技術難點，選擇合理的結構形式及材料配置，采用專業(yè)的密封設計軟件輔助設計，從而實現了密封一次性驗收鑒定通過。 </p><p><b>　　1密封方案選擇 </b>&

4、lt;/p><p>　　1.1密封工況參數 </p><p>　　介 質：高硫基原油 </p><p>　　設計壓力：15MPa </p><p>　　操作壓力：11～12MPa </p><p><b>　　操作溫度：50℃ </b></p><p>　　轉 速：3000rp

5、m </p><p>　　密封軸徑：Φ95mm </p><p>　　1.2密封技術難點 </p><p>　　主要有以下五個方面：（1）密封原油臟，有腐蝕性且含少量固體顆粒，影響密封潤滑及壽命；（2）密封腔壓力高，設計壓力為15MPa，正常運行11～12MPa，密封難度高；（3）密封軸徑為95mm，尺寸較大導致密封件容易受壓變形；（4）泵在開停車過程中密封腔壓力波

6、動大，密封承受沖擊大；（5）泵多位于地理位置偏遠、交通不便的地方，可提供的外部輔助資源有限。 </p><p>　　1.3 密封配置及材料選擇 </p><p>　　針對以上提及的工況參數及技術難點，決定采用單端面、平衡型、帶隔離密封、靜止型的集裝式機械密封。 </p><p>　　密封沖洗方案采用plan 31+65的組合。Plan31方案讓比較臟的原油通過泵的出

7、口經過旋液分離器后，使?jié)崈舻牟糠滞ㄈ朊芊馇?，含有顆粒的部分返回泵的入口；Plan65方案則在主密封與隔離密封之間設置收集罐，保證即便原油微量泄漏也不會泄漏到周圍環(huán)境中，符合環(huán)保要求。 </p><p>　　密封環(huán)材料選用硬質合金與新型復合碳化硅配對，補償彈簧選用哈C合金，承壓件材料選用雙相鋼，輔助密封選用高硬度橡膠和特殊四氟的組合。 </p><p>　　整體密封的結構及材料選擇可以滿足前

8、述技術難點的要求。采用集裝式密封可以先預裝好進行打壓測試，保證出廠質量，現場拆卸方便。 </p><p><b>　　2關鍵密封技術 </b></p><p>　　2.1特殊設計的摩擦副結構 </p><p>　　整體環(huán)結構設計――通過FEA分析，設計抗壓力變形的密封環(huán)結構，形成自然協(xié)調的密封端面，密封環(huán)軸向尺寸短，徑向尺寸大，保證密封環(huán)承受高

9、壓載荷時不會產生較大變形。 </p><p>　　雙輔助密封技術――在密封環(huán)的底部采用O形圈和PTFE密封圈的組合技術，保證在高壓時輔助密封實現密封性能的同時，O形圈不會被擠出，且整體有一定的浮動補償性。 </p><p>　　2.2密封環(huán)變形控制技術 </p><p>　　密封環(huán)的端面變形是影響機械密封性能的關鍵因素，變形控制不當會引密封面開啟、相態(tài)失穩(wěn)、液膜破裂

10、、干運轉等諸多問題，從而導致密封失效。 </p><p>　　密封端面變形主要由壓力和溫度兩個因素造成。對于密封摩擦副端面附近，介質向內的壓力變形是往密封環(huán)軸心內側彎曲；運轉發(fā)熱引起的材料膨脹變形是往密封環(huán)軸心外側彎曲。如何使向內的壓力彎曲變形和向外的溫度彎曲變形相互抵消，是高壓工況密封環(huán)設計要控制的首要難題。 </p><p>　　若要壓力與溫度耦合后的密封面彎曲變形量最小，最佳的方案就

11、是使兩者引起的彎曲變形數值盡可能的最低并相互抵消，這樣才能保證密封性能的穩(wěn)定可控。 </p><p>　　2.2.1密封環(huán)壓力變形控制 </p><p>　　密封環(huán)壓力彎曲變形是由介質壓力分布形成的彎矩引起的材料變形。因此控制壓力彎曲變形量，需要考慮兩個因素：一個是介質壓力分布，一個是材料的彈性模量。在前述方案選擇時，摩擦副材料選擇硬質合金對碳化硅，已經充分考慮了材料抗變形能力，剩下只需要

12、考慮如何讓介質壓力分布引起的變形彎矩最小化即可。 </p><p>　　設計時從3個方面對密封環(huán)壓力變形彎矩進行了優(yōu)化控制：（1）密封環(huán)軸向尺寸很短，減小變形力臂；（2）密封環(huán)徑向尺寸加大，增強抗變形能力；（3）摩擦副壓力平衡式設計，密封環(huán)軸向力相互抵消，密封環(huán)不會受到由壓力產生的彎矩。 </p><p>　　2.2.2密封環(huán)溫度變形控制 </p><p>　　密封

13、環(huán)端面溫度彎曲變形是由密封環(huán)運轉摩擦等發(fā)熱引起的溫升導致的材料膨脹變形。要控制溫度彎曲變形量，需要考慮兩個因素：一個是密封面發(fā)熱溫升，一個是材料線脹系數。在前述摩擦副材料采用的硬質合金和碳化硅其線脹系數都已是最佳選擇，因此只需要考慮如何降低密封環(huán)運轉發(fā)熱溫升即可。 </p><p>　　密封運轉產生的熱量由兩部分組成：一是流體介質運轉時產生的攪拌熱，另外就是密封端面摩擦熱。設計時從3個方面對密封環(huán)運轉溫升進行了優(yōu)

14、化控制：（1）密封環(huán)靜止型設計，通過減小旋轉部件體積降低運轉產生的攪拌熱量；（2）采用低端面比壓的平衡型密封，通過減少密封面之間的貼合力降低摩擦熱量；（3）旋轉環(huán)密封面開設Arc-groove Face流體動壓槽，改善密封潤滑，通過降低密封面運轉摩擦系數減少摩擦熱量。 </p><p>　　利用專用的密封設計軟件的動壓槽設計模塊，將密封環(huán)整體建模輸入所有參數和邊界條件，軟件運轉模擬分析結果表明，密封面整體在開設密

15、封槽的區(qū)域溫升不到10℃，密封環(huán)最內側最大溫升也不到20℃。 </p><p><b>　　3結束語 </b></p><p>　　通過上述設計優(yōu)化過程，高壓管道泵用機械密封首次于2012年10月在沈鼓廠內隨主機一次性成功完成驗證性試驗，2013年5月18日隨主機通過受國家能源局委托由中機聯和中石油組織的產品樣機鑒定。隨著我國管道儲運工業(yè)的大發(fā)展，華陽密封將舉全公司之

16、力，繼續(xù)加大密封新技術、新產品的研究開發(fā)，為全國油氣儲運用戶提供優(yōu)質的產品和服務，為我國管道工業(yè)的長周期、安全、穩(wěn)定運行保駕護航貢獻一份力量！ </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1]顧永泉.機械密封實用技術[M].北京：機械工業(yè)出版社.2001 </p><p>　　[2]陳德才，崔德容.機械密封設計制造與