高含硫氣田延長貧液泵機械密封壽命研究

潘向東* 郝崇志 鄧信文 林萬洲 吳峰池 羅永輝

（1.中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司 2.四川寶石花鑫盛油氣運營服務有限公司）

0 引言

高含硫氣田脫酸方法總體上可分為溶劑吸收法、膜分離法和變壓吸附法3 類，其中常用的溶劑吸收法有醇胺法、熱鉀堿法及砜胺等[1-2]。貧液砜胺溶液泵是天然氣砜胺法脫硫凈化裝置的核心轉動設備[3]。

貧液液砜胺溶液泵簡稱貧液泵。該泵為水平剖分雙支撐自平衡十級離心泵，因此每臺泵有2 套雙端面機械密封，3 列裝置中的6 臺泵共有12 套雙端面機械密封。在泵改造后，機械密封泄漏比較頻繁[4]。

根據現場的故障現象以及機械密封供應商提供的現場報告，可知造成目前機械密封泄漏的主要原因如下：改造后的機械密封軸套鎖緊方式發生變化，新的機械密封采用頂絲直接將機械密封軸套固定在泵軸上，依靠頂絲與泵軸的摩擦力傳遞運行扭矩；而舊機械密封采用在泵軸上打定位孔并將頂絲安裝到沉孔的方式鎖定機械密封軸套，詳見圖1。新機械密封采用的軸套緊固方式明顯不如沉孔方式牢固、保險，在長期運行中存在較大的松動風險，會造成軸套移位、泵軸磨損，最終導致設備泄漏。分析原因后可知，近日發生的機械密封泄漏的主要問題在于新的機械密封軸套鎖緊方式設計不合理，導致在運行中存在松動的風險。泵技術改造后，機械密封傳動頂絲剛好安裝在軸臺階上，機械密封傳動頂絲一半在軸上，一半未著力（懸空），無頂絲孔。

圖1 泵軸軸測圖

1 策略分析

綜合費用、維修周期以及生產需要，通過對貧液泵的泵軸進行改造，將機械密封運行壽命由3 個月提高到1 年以上，延長機械密封更換頻率（每季度更換1 次延長到1 年更換 1 次），達到降低修理費和節約生產成本的目的。離心泵是指靠葉輪旋轉時產生的離心力來輸送液體的泵，離心泵軸是離心泵中非常重要的零部件，通過離心泵軸的高速旋轉產生離心力從而實現泵送液體的目的。在離心泵的工作過程中，需要保證機械密封軸套與離心泵軸之間的同步及密封，在現有技術中，由于機械密封軸套與離心泵軸之間的連接強度不夠，機械密封軸套與離心泵軸之間有軸向移動，進而導致機械密封軸套和離心泵軸不同步以及機械密封軸套和離心泵軸間有泄漏現象且機械密封緩沖液壓力急劇下降。因此，為了解決以上問題，需要設計一種防止機械密封失效的離心泵軸，能夠將機械密封軸套及軸套附件聯結在一起，在保證機械密封傳動扭矩的同時，有效避免機械密封傳動中的頂絲打滑或機械密封失效，確保機械密封端面的結構穩定性和密封性，機械密封的運行周期長，降低了機械密封失效維修率，節約經濟成本。常用集裝機械密封驅動環頂絲在泵軸的固定方式有3 種[5]。

1.1 抱箍固定

采用抱箍的方式將機械密封驅動環固定在泵軸上。這種方式是高壓機械密封驅動環常用的固定方式。但是這種方式需要對機械密封軸套進行改造，不但材料備件費用上升，且機械密封軸套改造的周期較長，不適用于現場生產。

1.2 高硬度頂絲固定

采用機械密封驅動環高硬度頂絲在泵軸上直接固定。這種方式簡單高效，是低壓機械密封驅動環頂絲最常用的固定方式。之前的頂絲就是就采用驅動環頂絲直接在軸上固定，但是頂絲著力點恰好一半在軸肩上，一半在軸肩下，但是頂絲材質為316L，硬度較泵軸稍低。因此措施一是將頂絲接觸泵軸的圓周的軸肩直接去掉，讓頂絲和泵軸完全接觸。該方式的缺點為：在泵不解體的情況下，施工難度大，不易操作；如果將泵解體，十級泵解體工作量較大，修理費成本較高。并且該機械密封的工作壓力較高（超過10 MPa），采用這種直接接觸的固定方式，可靠性較對策1 稍低。

1.3 主軸沉孔固定

研制一種防止機械密封失效的離心泵軸，即在泵主軸上鉆取沉孔固定機械密封軸套。對于非驅動端機械密封：拆除機械密封護罩和機械密封隔離液出口短節，將機械密封鎖片鎖緊，此時用樣沖或者小鉆頭依次標記8 顆頂絲的中心位置，然后將機械密封拆除，之后再回裝軸承體和軸承。對于驅動端機械密封：斷開聯軸器中聯及泵端聯軸器，拆除機械密封護罩和機械密封隔離液出口短節；將機械密封鎖片鎖緊，此時用樣沖或者小鉆頭依次標記8 顆頂絲的中心位置，然后將機械密封拆除；之后回裝軸承體和軸承。完成上述工作后，依次在泵軸上驅動端和非驅動端對8個已經標記的頂絲中心鉆孔鉆孔深度約2～3 mm，完成鉆孔之后清理鐵削并回裝機械密封和軸承體等部件。

綜合以上3 種方式，研制一種防止機械密封失效的離心泵軸十分有必要。

2 研制過程

2.1 研制內容

鑒于以上對策，研制的目的是克服現有技術的缺陷，開發防止機械密封失效的離心泵軸，能夠將機械密封軸套及軸套附件聯結在一起，在保證機械密封傳動扭矩的同時，有效避免機械密封傳動中的頂絲打滑導致機械密封失效，確保機械密封端面的結構穩定性和密封性，降低機械密封失效維修率，節約經濟成本。

防止機械密封失效的離心泵軸應包括泵軸本體和軸套，軸套套設于泵軸本體表面，沿軸套的軸肩位置周向開設多個頂絲孔，泵軸本體上開設多個沉孔，頂絲孔和沉孔一一對應且裝配與之相適應的頂絲。軸套附件裝配于軸套上，為了達到較好的密封效果，軸套附件一般與軸套聯結在一起，軸套與泵軸本體裝配在一起，通過開設頂絲孔配合頂絲實現軸套與泵軸本體之間的穩固連接，避免軸套與泵軸本體之間發生位移，從而減少泵軸本體的磨損，保證密封，避免發生泄漏。

多個所述頂絲孔以周向陣列的方式設置于所述軸套上，多個頂絲孔以周向陣列的方式設置于軸套上，提高了各頂絲孔之間的互換性。所述頂絲孔的數量為8 個，頂絲孔的數量設置為8 個，可以達到最佳的連接狀態，在不破壞軸套強度的前提下，保證軸套與泵軸本體連接良好。所述頂絲孔和沉孔的直徑為10 mm，直徑為10 mm 的頂絲孔可以達到最好的連接強度和連接穩定，保證軸套與泵軸本體之間的穩定，達到良好的密封效果。頂絲孔和沉孔的總深度為2～3 mm，保證良好的連接穩定性，同時可以減少應力集中程度，保證泵軸本體和軸套擁有足夠的強度。

2.2 實施方式

圖1 和圖2 為鉆孔完成后的離心泵軸的軸測圖和俯視圖。本實例中的防止機械密封失效的離心泵軸包括泵軸本體1 和軸套2。軸套套設于泵軸本體表面，沿軸套的軸肩位置周向開設多個頂絲孔，泵軸本體上開設多個沉孔，頂絲孔和沉孔一一對應且裝配有與之

圖2 泵軸俯視圖

相適應的頂絲。軸套附件裝配于軸套上，為了達到較好的密封效果，軸套2 附件一般與軸套聯結在一起，軸套與泵軸本體裝配在一起，通過開設頂絲孔配合頂絲實現軸套與泵軸本體之間的穩固連接，避免軸套與泵軸本體之間發生位移，減少泵軸本體1 的磨損程度，保證密封效果，避免設備發生泄漏。

本研究實例中，多個頂絲孔3 以周向陣列的方式設置于軸套2 上，多個頂絲孔3 以周向陣列的方式設置于軸套2 上，提高了各頂絲孔之間的互換性。頂絲孔的數量設置為8 個，可以達到最佳的連接狀態，在不破壞軸套2 強度的前提下，保證軸套與泵軸本體連接良好。頂絲孔和沉孔的直徑為10 mm，直徑為10 mm 的頂絲孔可以達到最好的連接強度和連接穩定，保證軸套與泵軸本體之間的穩定性，達到良好的密封效果。頂絲孔和沉孔的總深度為2～3 mm，確保良好的連接穩定性，同時減少應力集中程度，保證泵軸本體和軸套擁有足夠的強度。

2.3 實施過程

對于非驅動端機械密封，可以拆除機械密封護罩和機械密封隔離液出口短節，將機械密封限位片鎖緊，用樣沖或者小鉆頭依次標記8 顆頂絲的中心位置，然后將機械密封拆除，之后再回裝軸承體和軸承。

對于驅動端機械密封，可以斷開聯軸器中間節及泵端聯軸器，拆除機械密封護罩和機械密封隔離液出口短節；將機械密封限位片鎖緊，此時用樣沖或者小鉆頭依次標記8 顆頂絲的中心位置，然后將機械密封拆除；之后回裝軸承體和軸承。完成上述工作后，依次在泵軸上驅動端和非驅動端對8 個已經標記的頂絲中心進行鉆孔，鉆孔深度約2～3 mm，完成鉆孔之后清理鐵削并回裝機械密封和軸承體等部件。

圖3 為機械密封在泵軸安裝位置示意圖。本文研制的是一種防止機械密封失效的離心泵軸，通過沿軸套2 的軸肩周向設置頂絲對軸套2 與泵軸本體1 進行連接，增強了軸套與泵軸之間的連接穩定性和密封性，提高了機械密封的工作可靠性，延長了使用壽命，將機械密封軸套及軸套2 附件聯結在一起，在保證機械密封傳動扭矩的同時，有效避免機械密封傳動中的頂絲打滑和機械密封失效等情況，確保機械密封端面的結構穩定性和密封性，使機械密封的運行周期延長，降低機械密封失效維修率，節約經濟成本。

圖3 機械密封在泵軸安裝示意圖

3 效益分析

按照3 月更換一次計算原來每臺貧砜胺液泵每年需更換機械密封8 套（驅動端和非驅動端各4 套），每列裝置2 臺泵，3 列裝置共計48 套。每套機械密封維修費約為7.8 萬元/套，則每年更換機械密封的修理成本費用為：7.8×【(4+4) ×2×3】=374.4萬元/年。

考慮每年大修停產檢修按3 個月計算，即減少一次更換頻率（泵停用），需要刨除修理費用為：7.8×【(1+1) ×2×3】=93.6 萬元/年。

泵軸進行技術改造后，泵每年換一次機械密封（驅動端和非驅動端各1 套），機械密封修理成本費用為：7.8×【（1+1）×2×3】=93.6 萬元/年。

每年節約維修成本為：374.4-93.6-93.6=187.2 萬元/年。

本研究經濟考核指標未考慮因為機械密封失效而導致裝置停產造成的產能損失。如2020 年12 月因貧砜胺液泵機械密封失效造成第三列裝置單列停車，僅耽誤的天然氣產量保守估計可達300 萬元，另外還可能導致嚴重的安全和環保事故，造成的經濟損失更加無法估量。

4 結語

研制了一種防止機械密封失效的離心泵軸，通過沿軸套的軸肩周向設置頂絲對軸套與泵軸本體進行連接，增強了軸套與泵軸之間的連接穩定性和密封性，提高了機械密封的工作可靠性，延長了使用壽命。將機械密封軸套及軸套附件聯結在一起，在保證機械密封傳動扭矩的同時，有效避免機械密封傳動中的頂絲打滑進而機械密封失效，確保機械密封端面的結構穩定性和密封性，機械密封的運行周期長，降低機械密封失效維修率，節約經濟成本，并且為天然氣凈化裝置的安、穩、長、滿、優運行和國內高含硫天然氣田的高效開發提供了設備保障[6]。