成品油管道输油主泵机械密封故障分析

张兰新

摘要：针对成品泵机械密封故障率高的问题，文章从乌兰成品油泵现用约翰·克兰单端面机械密封的结构特点出发，找出该类机械密封故障率高的根本原因。在此基础上，对8648V型双端面机械密封的结构原理、主要優势、现场安装使用中存在的可改进之处进行了阐述。最后从机械密封的选型、现场安装、泄漏监测、使用管理方面提出建议。研究结果表明：现用单端面机械密封动环既参与轴向补偿，又兼顾旋转密封的结构特点是导致其故障率高的主要原因；双端面机械密封在结构上进行了一定优化，稳定性与安全性更高，但尚存在安装困难、主密封温度难以监测的问题。因此，只有做好机械密封的选型、提高现场安装的质量标准以及完善日常使用和管理，才能逐步降低成品油泵机械密封故障率。

关键词：机械密封；补偿环；配合环；相应对策

中图分类号：TE973.9                          文献标志码：A

随着石油化工行业的不断发展，对管道企业的安全、平稳以及尽可能的长周期运行提出了更高要求，而机泵的平稳运转是输油站场所安全生产的核心[1]。输油主泵机械密封一旦发生失效泄露，不仅会触发泵机组保护停机，甚至会导致全线停输事故；此外，成品油向外界大量泄漏，还可能引发着火、爆炸、人员伤亡等事故[2]。因此亟待寻求一系列行之有效地改进措施，以解决现阶段成品油泵机械密封故障率高的问题[3]。

为将成品油泵机械密封故障次数降到最低，尽可能提高泵机组运行可靠性，需要对现用成品油泵机械密封的故障状况、故障原因进行深入总结分析，找出其中规律，提出针对性措施，达到预防和减少机械密封故障目的[4]。

机械密封又称端面密封，是一种用来解决旋转轴与泵体之间密封的装置[5]。工作状态下，由密封油品压力以及弹性元件的弹力所产生的闭合力，使机械密封的两个端面紧密贴合，进而使密封端面之间形成一个微小间隙，当输送的油品通过此间隙时，形成一层极薄的油膜，进而阻止油品向外界泄漏，达到长期密封效果[6]。

1机械密封结构组成

不同类型机械密封在结构上存在一定差异，但均包括以下主要部分。

1.1动、静环摩擦副（动、静环）

动、静环摩擦副为机械密封的主要密封原件，在工作状态下，动、静环摩擦副紧密贴合，起到防止介质泄露的作用[7]。根据补偿机构设置以及动、静环的补偿能力，可将动、静环进一步分为：补偿环和非补偿环。补偿环材质相对较软，可以轴向灵活移动，具有追随性；自动补偿密封面的磨损[1]，使动、静环始终能保持良好贴合，不同类型的机械密封补偿环分布情况不同[8]。

弹性元件在机械密封中主要起补偿、预紧及缓冲作用。弹性原件应当始终保持良好的弹性才能保证动、静环摩擦副的紧密贴合和补偿环的追随作用[9]。弹性元件的弹性和稳定性直接决定机械密封端面比压的大小，比压过大，可能造成密封面之间的润滑液膜厚度较小，一方面加剧动、静环磨损，另一方面在摩擦副端面产生大量的摩擦热，进而破坏动、静环端面材料原有性能，进一步加剧密封端面的磨损[10]；端面比压过小，密封端面处于液体摩擦状态，摩擦副不能良好贴合，进而导致泄漏[11]。

机械密封的辅助密封主要为 O 型圈、四氟挡圈等，以上部件不仅起到泵轴与轴套、动环与动环座、静环与压盖、压盖与泵壳体等部位的静密封作用，同时也具有一定的浮动、缓冲作用，使泵轴的振动不至于不加缓冲直接传递到主密封面、轴套、压盖等关键部位，避免因振动造成密封面磨损加剧甚至破坏[12]。

1.2传动元件

传动元件主要包括轴套、托架、定位螺栓等，主要是将泵轴的转矩传给动环，带动动环旋转。

1.3紧固件和防转件

紧固件的作用是对动、静环进行定位、紧固，保证轴向定位准确，使动静环摩擦副处于正确的位置并保持良好的紧密贴合。防转件主要作用是防止静环转动和脱出[13]。

2现用成品油泵机械密封结构分析

乌兰成品油管线苏尔寿泵主要采用约翰·克兰48 V、8B1HH型机械密封，两种机械密封形式基本相同，仅在动、静环结构上存在微小差异，可相互通用。而原油鲁尔泵采用切塔201A型机械密封，成品油、原油两类机械密封主要部件基本相同，最大差异为约翰·克兰48V、8B1HH型机械密封的补偿机构位于动环，即动环为补偿环。而切塔201A型机械密封，补偿机构为静环，静环起补偿作用，如图1、图2所示。

2.1补偿环旋转对机械密封轴向补偿的影响

无论是8B1HH型机械密封还是48V型机械密封，动环不仅跟随泵轴旋转，还参与轴向补偿，因此要求动环在保证与动环座传动机构紧密贴合的同时存在一定的相对浮动性，能够在弹性原件的带动下轴向自由移动，因此，该类型的机械密封动环与动环座之间的传动方式稳定性差，动环与动环座之间活动度较大[14]。

实际工作条件下，启停泵时，在瞬间大扭矩和振动的作用下，一方面可能导致动环传动凸台与动环座传动槽卡死，致使动环无法自由回弹，补偿功能减弱，工作时动静环密封面间隙变大，造成泄漏量增加[15]。此外，对于8B1HH型机械密封，随着使用时间的增加，动环外缘传动槽磨损加剧，动环座无法将扭矩传递至动环，因此实际运行时，动环与动环座无法同步转动，动环丧失随动性，进而导致机械密封完全失效，油品大量泄漏[16]。

2.2补偿环旋转对弹性元件稳定的影响

约翰·克兰的8B1HH 型、48V 型机械密封，均由多根弹簧共同作用提供轴向预紧力[17]。实际工作条件下，动环座带动弹簧旋转，泵轴的径向振动直接作用于动环座，进而作用于弹簧[18]。成品油泵单端面机械密封动环座与动环之间间隙相对较大，且动环活动度较大[19]。因此，泵轴振动促使弹簧在保持轴向快速伸缩的同时，在径向相对于推环同样存在一定的高频往复运动，随着运行时间的增加，弹簧稳定性逐渐降低，弹簧无法稳定的提供轴向弹力，部分弹簧甚至可能发生疲劳断裂[20]。

弹簧预紧力无法均匀稳定的施加至动环，动环垂直度不足，造成动环一侧预紧力偏大，对应该侧动环端面与静环贴合较紧，另一侧与静环相对贴合不足，造成动环偏磨。现场运行中表现为周期性泄漏[21]。

3双端面机械密封结构分析

针对现有成品油泵机械密封故障率高，并且机械密封一旦发生故障，极易导致大量成品油从泵内直接泄漏喷出，造成环境污染，存在火灾爆炸等风险的问题。双端面机械密封可有效解决问题。

以约翰·克兰8648V型双端面机械密封举例，该双端面机械密封采用双密封串联不加压布置结构，内侧密封为接触式高压封液密封，用于密封泵输送的成品油。而外密封为接触式干运转密封，正常工况为接触式干运转。对于8648V型双端面机械密封，在实际运行中内侧密封起主要密封作用，密封原理与单端面密封相同，动、静环端面互相贴合并相对润滑组成密封端面，防止成品油泄漏。此外，相比于传统的单端面机械密封，双端面机械密封多了一对摩擦副，当内侧密封发生失效泄漏时，外侧密封能有效防止或缓冲泄漏油品从机械密封压盖处流出，进而避免了成品油直接进入大气[22]。

3.1双端面机械密封的优势

相比于目前使用的约翰·克兰系列单端面机械密封，8648V型双端面机械密封的内密封为外置式静止型机械密封，即动环仅参与旋转，不具备轴向补偿能力，动环与动环座之间通过传动销紧密结合，不存在相对运动，传动销将旋转扭矩传递给动环，因此可以避免现用约翰·克兰单端面机械密封由于动环与传动机构之间卡塞，造成动环丧失轴向移动补偿能力，进而导致密封面无法良好贴合的问题[23]。此外，8648V型内密封动环与动环座、动环与轴套之间，均加设辅助密封“O 型圈”，起到一定的浮动缓冲作用，因此相比于传统的单端面48V、8B1HH型机械密封，大大降低了因动环传动部件磨损失效，导致的动环丧失随动性风险。

将补偿机构设置在静环，弹簧不随轴旋转，还可有效避免弹簧因振动以及在高速旋转时离心力所导致的变形失弹、疲劳断裂等问题[24]。

除此之外，当内侧密封失效发生大量泄漏时，外侧密封能有效避免油品渗漏至大气，因此相对于现用的成品油泵机械密封，8648V型双端面机械密封在结构上更加安全可靠。

3.2双端面机械密封的改进之处

盡管8648V型双端面机械密封，在可靠性、安全性等方面相比现用8B1HH和48V型机械密封有大幅度提高，但是8648V型双端面机械密封在现场安装使用中仍存在一定的可改进之处。

泵壳体至轴承箱距离相对较近，即机械密封的安装空间有限。8648V型双端面机械密封由于采用了两对摩擦副串联形式，机械密封整体较厚，对安装空间的要求相对较高，进而导致了双端面机械密封现场安装较为困难。

现用的8B1HH、48V 型单端面机械密封，其动、静环密封端面位于静环压盖内部，即处于泵壳体外部，安装在静环压盖 Q 孔的温度变送器，能够对动、静环摩擦副的温度进行直接监测，可及时准确地反应密封面的温度状况。

而8648V型双端面机械密封采用了两套密封串联结构，主密封部分完全深入泵壳体内部。目前8648V 型双端面密封仅在静环压盖处 Q 孔安装了温度变送器用以监测外密封温度，而外密封在双端面机械密封中属于辅助密封，对于运行中起到主要密封作用的内侧密封，未设置温度监测，所以在运行过程中，运行人员无法掌握主密封处的温度状况。

实际运行过程中，当机械密封出现悬液分离器故障、冲洗管线堵塞以及密封端面比压过大等故障时[25]，会在密封端面产生大量的摩擦热，且无法及时通过冲洗管线带走摩擦热，这必然会导致内侧密封动、静环温度升高，由于双端面机械密封未设置主密封面温度监测，运行人员无法及时发现主密封面温度异常，使动、静环摩擦副在高温条件下工作，因此密封端面存在热裂和变形风险，进而导致主密封失效[26]。

4结论

尽管乌兰线苏尔寿12×14×23A（ B ）型输油泵目前广泛采用的密封形式为单端面动环补偿型，但近年来单端面机械密封故障率居高不下，一旦发生失效泄漏，存在较大的安全风险，因此，单端面动环补偿型机械密封逐渐无法满足输油泵平稳运行以及安全生产等方面的要求。

8648V型双端面机械密封，当内密封失效时，能够有效延缓或防止油品向外界泄漏，安全性相对较高；同时，双端面机械密封在现场安装使用方面已取得一定效果。尽管如此，双端面机械密封在控制尺寸、内密封温度监测方面，后期可进一步优化。

单端面静环补偿型机械密封在结构稳定性、安装、温度监测等方面具有优势。因此，可考虑对单端面静环补偿型机械密封进行现场试验，充分对比双端面机械密封与单端面静环补偿型在现场安装、后期使用、故障率、故障严重度等方面的差异，以进一步确认机械密封的选用。

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