海上平台注水泵机械密封选用分析

杨天郁，苏承刚，鞠兆刚，胡志成，刘朋远，张 博，刘 岩

（1.中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300452；2.中海油天津分公司辽东作业公司，天津 300459）

1 注水泵机械密封

海上采油平台注水泵多采用水平剖分式多级离心泵，具有轴向力小、运行稳定等优点，驱动端与非驱动端各有一套机械密封（图1、图2）。

图1 中开型多级离心泵结构

图2 机械密封结构

注水泵介质为原油开采后分离出来的水或地下水。伴随渤海区域油气资源的开采，渤海区域海上石油平台注水温度根据平台及环境温度不同在30～80 ℃，注水压力达到7.5～14 MPa，pH 值6.5～7.5，主要为从地下开采的地下水循环利用，水质含盐量低。生产水中主要杂质为未分离干净的原油及少量核桃壳滤芯碎片，在注水泵前端安装过滤器以过滤大颗粒杂质。

为了使机械密封性能得到充分发挥，必须按照使用条件正确选型，选型要考虑的主要参数有密封腔体压力、流体温度、密封转轴速度、被密封流体的特性和泄漏要求等。

2 注水泵机械密封常见故障分析

2.1 现用机械密封型式

海上平台注水泵常用的机械密封种类并不多，以载荷系数区分可以分为非平衡式、部分平衡式和过平衡式；以弹性元件类型区分可以分为单弹簧式、多弹簧式、波纹管式。动静环材料也有所区别，有硬质合金—石墨，硬质合金—硬质合金，硬质合金—碳化硅等。动环轴套的紧固方式为顶丝式和胀紧式。

2.2 波纹管断裂导致介质大量泄漏

（1）某采油平台注水泵，在更换机械密封较短的时间内出现大量泄漏，拆检发现在波纹管接近密封面处波纹管出现裂纹，因机封腔室压力波动较大、压力变高所致，当介质波动、压力过高后会造成波纹管发生拉伸及扭变，波纹管金属材料在交变运动的情况下产生局部应力，因此发生断裂。虽然机械密封在设计初期具备承受一定压力的能力，但设计参数是依照正常工况，忽略了流体变化的因素，最终导致其快速损坏。

（2）某采油平台注水泵运行一段周期后，新安装的波纹管机械密封高温冒烟、快速泄漏，最终分析为机械密封腔室压力过高所致。因波纹管在强压强作用下是波形受力，也是整个机械密封最薄弱处，力直接作用于波纹管表面导致拉伸，动静面贴合压紧力过大，因此会发生冒烟泄漏。

波纹管机械密封虽然有零部件少、组装方便、通用性强等优点，但更适用于压力较低、流程介质变化相对稳定的设备，压力高、压力波动较大的工况会导致故障频发。

2.3 单弹簧的机械密封

经现场验证，单弹簧的机械密封损坏率较低，能承受较大程度的交变载荷及机封腔室压力过高的情况。其弹簧的缠绕方向应与泵的旋转方向一致，根据旋向的不同选用不同旋向的弹簧，在维修人员不熟知的情况下容易造成返工。一般单弹簧的总成长度较长，在设备的密封腔室内空间占据较大。

2.4 多弹簧的机械密封

机封零部件过多，密封件坐在托垫上，密封件开有轴向导向槽，外端面有防止脱落的卡圈，由于零部件较多，加大了故障率。首先轴线运动需要导向，会造成卡涩情况的发生；卡圈在机封运转中有脱落的情况发生；由于多弹簧被机封护套掩盖，介质中的杂质容易聚集，无法通过水的直接冲刷进行清理，会造成弹簧失去弹性。由于多弹簧的组合安装，对弹簧的弹力从设计角度要求较高，多次发生集装式机械密封安装后高温冒烟，通过减少弹簧的数量做临时处理，但减少弹簧的机械密封无法承受泵腔高压力和流程介质不稳定的场合。

2.5 其他部件失效分析

（1）动静环磨损。注水泵工作压力大，因此动静环的端面比压比较大，泵轴转速高，同时介质中可能存在杂质，较软的动静环在这种工况下多出现动静环磨损量大。单弹簧式机械密封压力不均匀，容易发生偏磨与侧漏，不适用于轴径大的情况。动静环出现磨损后相当于端面压力减少，密封效果下降。

（2）辅助密封圈失效。在使用过程中，辅助密封圈会因为高温出现老化，注水中含有少量原油，也会出现不耐油而过早失效。因为压力和高温永久变形、失去弹性，出现扭曲和挤出损伤，辅助密封圈失去密封能力，介质会直接泄漏。

（3）动环与轴套卡涩。在有杂质或易结晶的介质中，杂质或结晶出现在动环和轴套之间时可能出现动环卡死，造成密封失效。

3 选用分析

针对不同类型机械密封结构出现的故障，需要选择故障率最低的结构作为未来注水泵机械密封的结构。

3.1 整体结构

非平衡式机械密封适用于低压场合，部分平衡式机械密封适用于高压场合，而注水泵工作压力多在7.5 MPa 以上，工作压力很大，因此需要选用平衡式机械密封。注水泵使用的机械密封尺寸较大，由于在海上采油平台不具备开盖精准测量的条件，采用集装型机械密封可以保证端面比压在准确范围内。综上所述，注水泵的机械密封选用集装型平衡式机械密封。

3.2 弹性元件类型

金属波纹管式机械密封在轴上无相对滑动，对轴无磨损，浮动性好，但在注水泵高压的工况下波纹管焊接处由于疲劳可能会被击穿，造成密封失效。单弹簧式机械密封用于轴径较小、对缓冲性要求不高的场合，适用于腐蚀性与易结晶介质的情况，注水泵直径一般较大，单弹簧式常常会造成偏磨引起泄漏。多弹簧式机械密封用于大轴径、弱腐蚀和压缩量变化不大的场合，比压均匀，适用于高速大直径工况、对介质的洁净度要求较高、不易结晶的场合。结合上文提到的常见故障，在注水泵水质好、不易结垢的的条件下，高压高速大轴径建议选择多弹簧式，但须控制弹簧的直径，采取良好的导向设计，不宜选用太小的弹簧避免发生卡滞；在水质较差、对机械密封总成长度没有要求的情况下，选用单弹簧式机械密封。

4 材料选择

常见动静环材料包括石墨、碳化钨（WC）、硬质合金、工程陶瓷等，注水泵介质为地下水，并含有少量未分离干净的原油与核桃壳滤芯碎片，实际工况类似含泥沙的河水，参考表1 同时为减少磨损，采用WC—硬质合金作为动静环材料。

常见的辅助密封圈材料包括丁腈橡胶、氟橡胶、硅橡胶等，注水泵介质温度最高到达80 ℃以上，辅助密封圈材料必须要耐高温，同时介质中可能含有少量原油，辅助密封圈材料对介质必须有耐受性，参考表1 同时考虑成本，采用丁腈橡胶作为辅助密封圈材料，或性能更好的氟橡胶。

5 结论

渤海区域海上采油平台注水泵机械密封，在选用上并不是某一种类型的机械密封都能够适用，必须根据注水的水质为选用条件，水质好宜选用整体结构为集装型平衡式，动静环宜采用为WC—硬质合金，辅助密封圈材料为丁腈橡胶或氟橡胶，弹性元件选用多弹簧式，单弹簧式更适用工况较恶劣的场合。上述选用原则能够适应大多数注水工况，既能保障海上安全生产，又能减少维修频率，同时兼顾节能环保。