高壓原油管道輸送泵機械密封設(shè)計

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

2、　關(guān)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(jīng)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(jīng)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?shù)年P(guān)鍵設(shè)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(wù)不及時。近幾年國內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)化成功具有很高的經(jīng)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(shè)計研制過程。針對密封研制過程中存在的技術(shù)難點，選擇合理的結(jié)構(gòu)形式及材料配置，采用專業(yè)的密封設(shè)計軟件輔助設(shè)計，從而實現(xiàn)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(shù) </p><p>　　介 質(zhì)：高硫基原油 </p><p>　　設(shè)計壓力：15MPa </p><p>　　操作壓力：11～12MPa </p><p><b>　　操作溫度：50℃ </b></p><p>　　轉(zhuǎn) 速：3000rp

5、m </p><p>　　密封軸徑：Φ95mm </p><p>　　1.2密封技術(shù)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(shè)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(shù)及技術(shù)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(jīng)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(shè)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(zhì)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(jié)構(gòu)及材料選擇可以滿足前

8、述技術(shù)難點的要求。采用集裝式密封可以先預(yù)裝好進行打壓測試，保證出廠質(zhì)量，現(xiàn)場拆卸方便。 </p><p><b>　　2關(guān)鍵密封技術(shù) </b></p><p>　　2.1特殊設(shè)計的摩擦副結(jié)構(gòu) </p><p>　　整體環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計――通過FEA分析，設(shè)計抗壓力變形的密封環(huán)結(jié)構(gòu)，形成自然協(xié)調(diào)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(chǎn)生較大變形。 </p><p>　　雙輔助密封技術(shù)――在密封環(huán)的底部采用O形圈和PTFE密封圈的組合技術(shù)，保證在高壓時輔助密封實現(xiàn)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(shù) </p><p>　　密封環(huán)的端面變形是影響機械密封性能的關(guān)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(zhuǎn)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(zhì)向內(nèi)的壓力變形是往密封環(huán)軸心內(nèi)側(cè)彎曲；運轉(zhuǎn)發(fā)熱引起的材料膨脹變形是往密封環(huán)軸心外側(cè)彎曲。如何使向內(nèi)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(shè)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(shù)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(zhì)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(zhì)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(zhì)合金對碳化硅，已經(jīng)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(zhì)壓力分布引起的變形彎矩最小化即可。 </p><p>　　設(shè)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(shè)計，密封環(huán)軸向力相互抵消，密封環(huán)不會受到由壓力產(chǎn)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(zhuǎn)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(shù)。在前述摩擦副材料采用的硬質(zhì)合金和碳化硅其線脹系數(shù)都已是最佳選擇，因此只需要考慮如何降低密封環(huán)運轉(zhuǎn)發(fā)熱溫升即可。 </p><p>　　密封運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量由兩部分組成：一是流體介質(zhì)運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的攪拌熱，另外就是密封端面摩擦熱。設(shè)計時從3個方面對密封環(huán)運轉(zhuǎn)溫升進行了優(yōu)

14、化控制：（1）密封環(huán)靜止型設(shè)計，通過減小旋轉(zhuǎn)部件體積降低運轉(zhuǎn)產(chǎn)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(zhuǎn)環(huán)密封面開設(shè)Arc-groove Face流體動壓槽，改善密封潤滑，通過降低密封面運轉(zhuǎn)摩擦系數(shù)減少摩擦熱量。 </p><p>　　利用專用的密封設(shè)計軟件的動壓槽設(shè)計模塊，將密封環(huán)整體建模輸入所有參數(shù)和邊界條件，軟件運轉(zhuǎn)模擬分析結(jié)果表明，密封面整體在開設(shè)密

15、封槽的區(qū)域溫升不到10℃，密封環(huán)最內(nèi)側(cè)最大溫升也不到20℃。 </p><p><b>　　3結(jié)束語 </b></p><p>　　通過上述設(shè)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(nèi)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(lián)和中石油組織的產(chǎn)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(shù)、新產(chǎn)品的研究開發(fā)，為全國油氣儲運用戶提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品和服務(wù)，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(shù)[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(shè)計制造與