BX_金属波纹管机械密封在原油输油泵中的应用

71
2023年6月下 第12期 总第408期
工艺设计改造及检测检修
China Science & Technology Overview
0 引言
机械密封是由至少一对垂直于旋转轴线的端面在流体
压力和补偿机构弹力的作用下，以及在辅助密封的配合下，保持贴合，并相对滑动，构成的防止流体泄漏的装置。

公司所辖输油站场输油泵配套使用的机械密封为国外一厂家生产的QB 多弹簧单端面机械密封，在设备投产初
期就出现机械密封泄漏量过大、甩油等故障，给现场带来了油品泄漏的风险，并且泵体保温壳内超高的油气浓度形成易燃易爆环境，严重影响了输油生产工作，给关键设备的安全运行带来了极大风险。

为此，通过机械密封解体研究，原油油品物性检测分析、机封动静环磨损检测及弹性元件抗疲劳性能对比，结合机械密封最新应用技术，将该机械密封由QB 结构改造为BX 金属波纹管结构，经过5年多的实践应用，效果得以验证，BX 金属波纹管机械密封的性能较好，有效地解决了原机械密封动态补偿失效带来的机封泄漏量大、甩油等问题，BX 型波纹管机械密封的应用提升了输油泵运行的稳定性，提高了关键设备的安
全性，保障了长输管道的安全平稳运行。

1 概述
机械密封是靠一对或数对垂直于轴作相对滑动的端面在流体压力和补偿机构的弹力作用下保持贴合并配以辅助密封而达到阻漏效果的轴封装置。

常见的有QB、BX、UO 等形式的机械密封。

QB 结构形式机械密封具有
泄漏量少和寿命长等特点，是最常见的轴密封方式，主要由静止环(静环)、旋转环(动环)、弹性元件、弹簧座、紧定螺钉、旋转环辅助密封圈和静止环辅助密封圈等元件组成，但目前在一种在高压多级离心泵上配套使用的QB 机械密封运行中发现存在泄漏量大、机封甩油等多种故障，严重影响了输油泵的平稳运行，给现场带
来了安全风险。

2 机封出现泄漏超标及甩油的原因
2.1 机封出现泄漏超标的原因
输油泵机械密封在运行过程中因泄漏量较大导致停
泵，经过对现场多台泄露量较大的QB 结构机械密封拆卸返厂解体检测后发现，机械密封内部动态O 型圈、弹性元件（小弹簧）处存在杂质、结蜡和焦质物堆积较多的情况[1]，动态O 型圈也在焦质物的包裹下黏连在轴套上，密封面之间还会因发热引起介质的结晶、结焦，造成滑动部件被黏住和密封面被凝结的现象。

经过综合分析，高蜡焦化物的影响是根本原因，其存在导致弹性元件及动态O 型圈补偿失效，动静环无法有效贴合，密封副间隙变大，最终造成机封泄漏量较大的结果，进而导致甩泵。

最终确定QB 结构机械密封弹性元件处的结蜡、结晶及焦化物等杂质的堆积是造成浮动补偿失效的关键原因。

造成动态补偿失效的原因有以下几点。

（1）悬液分离器功能失效。

输油泵悬液分离器配备是
根据API610和API682标准共同设置的，其工作效能对机械密封能否正常运行起着至关重要的作用，但在该型号的高压离心泵的长期运行中发现，一级叶轮引流高压介质的冲刷导致悬液分离器内壁出现冲刷，逐渐出现了悬液分离器失效的现象，起不到真正的油品净化作用，一些含有
杂质的原油被带入冲洗管线，进而导致带有杂质及黏稠状胶质物的原油从机械密封F 孔进入机封腔体，大量杂物（毛絮、塑料、铁丝等）日积月累卡塞在机械密封补偿力装置（弹簧）中，导致主动环动态补偿力不均匀，动静环出现偏磨现象，最终动态补偿失效，油品出现泄漏。

（2）输油泵输送介质物性的影响。

输油站场建设初
期，根据设计要求，输油泵出厂的与之配套选型的机械密封是根据使用压力、输送介质物性（粘度、凝点等）各类
指标来确定的，但输油泵投产后为了满足下游炼化行业的收稿日期：2022-11-28
作者简介：刘天巍（1987—），男，甘肃临泽人，本科，工程师，研究方向：设备管理。

BX 金属波纹管机械密封在原油输油泵中的应用
刘天巍
（国家管网集团西部管道甘肃输油气分公司，甘肃兰州 730030）
摘 要：我公司某原油输油站多台外输泵所用的机械密封在使用过程中出现泄漏量超标且甩油的现象，通过对机械密封结构工作
原理的分析，和对输送介质物性的研究，确定通过将QB 结构形式机械密封改造为BX 金属波纹管结构的方式来根除故障，在修旧利废的同时保证了输油泵安全平稳运行。

主要对BX 波纹管机械密封在高粘度原油输油泵中的成功应用进行分析，以供参考。

关键词：机械密封；动静环；BX 金属波纹管；泄漏量中图分类号：TB42
文献标识码：A
文章编号：1671-2064(2023)12-0071-03
72
2023年6月下 第12期 总第408期
工艺设计改造及检测检修
China Science & Technology Overview
需要，油库外输运行中所输送油品的成份逐渐发生了变化，随着冬季及夏季温度的变化，实时进行一定比例的配比，然后冷输至下游，输送油品的各类指标无形中也发生着很大变化，作为冲洗机械密封冲洗液的原油经过高温高速剪切和研磨，生成产物也发生了变化，出现了结焦及高凝原油堆积的现象，同样造成动态补偿失效的情况。

（3）过滤器滤网目数太大或者滤网存在破损。

1）油
品外输前要根据储罐内储存油品的特点（高含蜡、清管高含杂等），及时更换泵前过滤器滤芯，安装小目数滤网滤芯，并缩短过滤器的清理周期，加强过滤效果，避免因杂物进入机械密封造成机封的直接损伤。

2）做好过滤器差压等参数变化的监控，有升高或堵塞趋势时及时进行过滤器清理，定期检查滤网是否存在破损，破损的滤网要及时
进行更换，防止各类杂质带入，造成机械密封损坏。

3）机械密封选型不合理。

在输油泵出厂配备的小弹簧QB 结构形式机械密封中[2]，输送油品粘度对机封运行效果影响较大，尤其冬季输油泵运行期间，储罐油品采取常温输送运行模式，过程中，机械密封腔体内壁、主动环弹性元件及动环O 型圈处沉积较多的结蜡及焦质物，随着机械密封的长期使用，杂物日积月累，附着在弹性元件（小弹簧）及周围腔体内的焦质物在泵轴旋转过程中，无法通过
排污流道从D 口及时流出，无法满足机封自清洁的功能，腔体内长期堆积的焦质物使得浮动补偿失效。

2.2 机封出现甩油的原因
泵机组运行时，机械密封夏季甩油量要明显少于冬
季，通过抽取冬季和夏季所输油品物性参数后取平均值发现，油品物性的变化与现场机械密封甩油有一定的关系，低温输油泵机械密封动环、静环表面及静环座内沉积物较多，机封D 口处凝油较多。

因为原油粘度大，流动性差，再加上冬季室外温度较低，排污管线伴热温度不够，排污管线内高温摩擦生成的结晶结焦物无法及时流入Plan65系统或系统排残管线由于焦质物凝结堵死，导致有部分原油在机械密封锁环处被甩出。

（1）机封排污口（D 口）堵塞。

一定要检查机封排
污管路是否加装电伴热，尤其冬季随着气温下降，油品的凝点会升高，部分批次原油凝点甚至在20℃左右就会凝固，凝固的原油堆积物堵塞机械密封D 口，导致正常泄漏的含焦质物原油无法及时排出机械密封，沿着机封轴套堆积至锁紧环处，随着旋转轴运动，出现了甩油现象，所以冬季一定要确保冲洗管路伴热效果完好，保证排污管路畅通。

（2）与输油泵配套使用的QB 机械密封存在选型缺
陷。

从冲洗管路F 口进入的机械密封腔体的冲洗液，在到达动静环处参与高温工作（摩擦研磨）后，油品的物性发生变化，高温摩擦后产生的结晶物凝点迅速升高，原油分子链被高速剪切研磨后生成焦质物，QB 机封特殊的小弹簧结构无法将生成的焦质物及时带出机封腔体，从机封D 口排出，部分滞留的高黏度原油焦质物结晶体沿着轴套外漏，最终呈现甩油的现象。

3 防止机封出现泄漏超标及甩油的控制措施
3.1 泄漏量大采取措施
（1）机械密封结构改造。

在QB 结构机械密封使用
中，发现动态O 型圈及弹簧处结蜡和堆积焦质杂质较多，导致动态补偿失效，动静环无法有效贴合，造成机封泄漏量较大等故障发生，进而导致输油泵停泵，并带来了现场油品泄露或泵体保温内油气浓度较高易燃易爆的风险，严重影响了正常输油生产。

为解决因机械密封导致的输油泵机组无法平稳运行的问题，通过多次拆解故障QB 结构机
械密封来进行研究，最终选择改造应用BX 金属波纹管机
械密封。

BX 金属波纹管机械密封相比QB 机械密封的优点：1）
具有高精密性，金属波纹管起到弹簧的作用，而且是好多
个弹簧的组合体，所以解决了普通弹簧因离心力变形的问
题，适应高度旋转，并且使密封面受压均匀，有效防止泄漏。

2）耐振动且具有柔韧性，波纹管柔韧性高，对振动
的吸收效果非常好，所以对径向跳动、轴向间隙、振动和摆动的适应能力非常强，能有效防止泄漏。

3）结构简单，
具有整合组装、构造简单、容易装配的特点，能适应多种温度条件的工况，焊接波纹管的热膨胀系数小，可在低温或高温的环境下使用，而且没有O 型圈，摆脱了温度的限
制，设计比较自由。

4）适用于高压工况，由于波纹管本身能起平衡作用，可设计相应的密封面积抵消流体压力，减
少密封面的摩擦，从而减少摩擦生热，减少磨损量[3]，可用于高压工况。

5）无轴套有效保护机泵，焊接波纹管机械密封因没有O 型圈，不需要安装轴套，所以不会发生因O 型圈的磨蚀引起的轴或轴套的磨损，从而起到保护泵轴的作用。

6）适用于腐蚀性流体，避免了原油中腐蚀介质对弹簧和O 型圈的腐蚀，有效实现密封。

7）不会发生悬挂泄漏，普通的推环式机械密封，泄漏出来的微量流
体遇空气会固化沉积，阻止O 型圈的前进，使密封端面的贴合力变弱或消失，从而加制泄漏。

相反BX 波纹管机械密封没有O 型圈，即使有固化，影响也不大，仍可平稳地旋转，故使用寿命长，可靠性高。

综合各种性能特点，选择在原QB 结构机械密封的基
础上进行改造，通过优化机封内部结构，由多弹簧QB 结构改造为BX 金属波纹管机构，改动范围少，旧件利用率高，改造后的BX 型机械密封调节了弹力的线性关系，内径设计45°斜角，将阻塞弹簧式密封的黏稠结晶颗粒角质
物甩出，并且能实现自动清洗功能。

其次，改造后的波纹
工艺设计改造及检测检修China Science & Technology Overview
管式机械密封将补偿部分安装于静环座内，稳定性更高。

通过以上两个方面的改造不但大大减小了由弹簧被焦质物粘结导致的动静环贴合不完全的情况[4-5]，而且避免了动环座内O型圈被焦质物凝结抱死后随动性变差的情况，经过改造后启泵运行，发现机械密封泄漏量明显减少，达到了标准要求，同时机封D口的排污效率也显著提高，困扰机封安全平稳运行的症结从根本上得以解决。

（2）加强输送介质的过滤及原油物性监测。

一是定期开展悬液分离器和过滤器检查维护保养工作，发现悬液分离器功能降低或接受含杂较高批次油品时，及时进行检查，更换小目数滤芯，保证进入冲洗管路的介质清洁干净。

二是做好油品物性的监测，随着冬季及夏季温度的变化，精准掌握外输油品冷输调配比例和物性变化趋势，实时开展配比调整，确保油品物性满足输油泵机组的运行条件[6]。

3.2 甩油故障采取措施
（1）泵机组在停车时泵体温度较低，从而会析出蜡质物，应在启泵前进行暖泵，可以像低温甲醇泵一样，在机械密封Q口通入热氮气，融化掉析出的蜡状或者胶质物，现场如果不具备热氮气，可以用蒸汽或热水代替，对机械密封进行吹扫。

（2）在输油泵正常运行过程中，排污线出现蜡质或者焦状物时，应及时对排污系统进行检查，排查机械密封泄露，检查排污管线伴热是否正常，对不完善的伴热系统进行重新布置，确保排污管线内部温度足够，使泄露的原油及时流入下游[7]。

4 泵机组机械密封使用中管理要求
4.1 定期维护保养
针对输油泵机组，要定期对机械密封冲洗管路及排污系统进行检查，确保伴热系统完好，排污管线顺畅，泵机组启动前要确保输送介质洁净，确保在对机械密封无损伤的情况下使用，在启动前对长时间没有运行的泵机组的机械密封进行吹扫清洗，保证机械密封可靠的密封性和排污通道的畅通性。

4.2 日常要求
做好油品物性的定期检测，针对油品混合批次改变冲洗介质物性的情况，要及时与运销计量化验人员做好沟通协调，调整油品冷输配比，满足机械密封运行的需要。

另外，保证所输送油品的洁净度，做好悬液分离器功能性检查和油品进泵前过滤效果监测，避免颗粒物杂质对动静环面的损伤，避免引起机械密封的大量泄漏。

5 结语
对于一台输油泵来说，根据输送油品物性，合理选择一款结构性能匹配的机械密封尤为重要，机械密封内部结构型式的选择，对泵机组的平稳运行有着很大的影响。

原油管道内各种固体杂质堵塞、卡阻及冲刷等因素的影响对机械密封造成的损伤也不可忽视，长期影响着机械密封运行的寿命和密封可靠性。

现场使用中，需要完善相关的管理制度，做好机械密封的运行、维护和检修管理等工作，积极探索设备维护保养的新方法，创新设备特殊工况运行条件下进行维护的新模式，提高设备管理水平，从根本上防范机械密封泄露等安全风险，保障管道设备设施的安全平稳运行。

参考文献
[1] 李彦成,李永平.高压泵机械密封泄漏故障处理[J].化工机械, 2018,45(4):464-465,480.
[2] 孙见君,顾伯勤,魏龙.机械密封可控性研究及其工程应用问题的探讨[J].机械工程学报,2005,(2):15-19.
[3] 顾永泉.机械密封磨损率的预算[J].石油化工设备,1999,(1):28-32.
[4] 于焕光,张秋翔,蔡纪宁,等.机械密封动态特性研究进展[J].石油化工设备,2012,41(5):44-48.
[5] 王肇优,霍安新,缪薇等.大型泵站机械密封泄漏原因及处理方法[J].江苏水利,2022,(10):66-68,72.
[6] 张鹏.化工机械密封故障原因及对策探讨[J].中国设备工程, 2022,(18):161-163.
[7] 单树振,裴永吉,刘彦国,等.新型机械密封在化工机泵上的应用[J].化学工程与装备,2022,(9):217-219.
Application of BX Metal Bellows Mechanical Seal in Crude Oil Delivery Pump
LIU Tianwei
(National Pipeline Network Group Gansu Oil and Gas Transportation Branch of Western Pipeline, Lanzhou Gansu 730030) Abstract:The mechanical seals used by several export pumps in a crude oil transmission station of our company had excessive leakage and oil throwing during use, through the analysis of the structure and working principle of the mechanical seal and the study of the physical properties of the transmission medium, finally it was determined to transform the mechanical seal of QB structure into BX metal bellows structure to eliminate the fault, at the same time of repairing the old and reusing the waste, the safe and stable operation of the oil transfer pump is ensured. This paper mainly analyzes the successful application of BX corrugated pipe mechanical seal in high viscosity crude oil pump, for reference.
Key words:mechanical seal;dynamic and static ring;BX metal bellows;leakage
73
2023年6月下 第12期 总第408期。