SCI论文（www.lunwensci.com）
摘要：为解决海洋石油平台污油泵因其流程介质含砂及硫化氢等腐蚀气体造成泵壳腐蚀、机械密封泄漏的问题，现场对整泵进行拆解分析、流程介质取样化验，结果表明溶解在介质中的硫化氢以及氯离子浓度过高导致了泵壳金属腐蚀剥落。另外机械密封冲洗介质中污油和海沙等杂质过多导致了机械密封摩擦副密封面异常磨损，机械密封动环补偿机构弹性失效，从而使得机械密封失效，最终导致污油泵频繁漏水甚至机械密封烧毁。在机械密封方案选型方面，通过对３种机封冲洗方案分析对比，结合海洋石油平台实际的资源配置，选出了最适合现场的ＡＰＩ６８２ＰＬＡＮ５３Ｂ冲洗方案，同时将机械密封换型为双端面机械密封。根据污油罐内介质的化验结果，参照金属的腐蚀特性对泵壳材质进行了改进，新泵壳采用了耐腐蚀的双相不锈钢材质。通过以上措施改善了机封运行工况，增强了污油泵泵壳的耐腐蚀和冲刷能力，提高其使用寿命和整泵运行的稳定性。
关键词：离心泵；单端面机械密封；双端面机械密封；双相不锈钢
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅＲｅｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆＳｕｍｐＯｉｌＰｕｍｐｓｏｎＯｆｆｓｈｏｒｅＯｉｌＰｌａｔｆｏｒｍｓ
ＹｕＨａｏｃｈｅｎｇ
（ＴｉａｎｊｉｎＢｒａｎｃｈ，ＣＮＯＯＣ（Ｃｈｉｎａ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔｉａｎｊｉｎ３００４５９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｐｕｍｐｃａｓｉｎｇｃｏｒｒｏｓｉｏｎａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｅａｌｌｅａｋａｇｅｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｃｏｒｒｏｓｉｖｅｇａｓｅｓｓｕｃｈａｓｓａｎｄａｎｄｈｙｄｒｏｇｅｎｓｕｌｆｉｄｅｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｍｅｄｉｕｍｏｆｔｈｅｓｕｍｐｐｕｍｐｏｆｔｈｅｏｆｆｓｈｏｒｅｏｉｌｐｌａｔｆｏｒｍ，ｔｈｅｗｈｏｌｅｐｕｍｐｉｓｄｉｓａｓｓｅｍｂｌｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｏｎｓｉｔｅ，ａｎｄｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｍｅｄｉｕｍｉｓｓａｍｐｌｅｄａｎｄｔｅｓｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｈｉｇｈｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｈｙｄｒｏｇｅｎｓｕｌｆｉｄｅａｎｄｃｈｌｏｒｉｏｎｄｉｓｓｏｌｖｅｄｉｎｔｈｅｍｅｄｉｕｍｌｅｄｔｏｔｈｅｃｏｒｒｏｓｉｏｎａｎｄｐｅｅｌｉｎｇｏｆｔｈｅｐｕｍｐｃａｓｉｎｇｍｅｔａｌ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｏｏｍｕｃｈｉｍｐｕｒｉｔｉｅｓｓｕｃｈａｓｄｉｒｔｙｏｉｌａｎｄｓｅａｓａｎｄｉｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｅａｌｆｌｕｓｈｉｎｇｍｅｄｉｕｍｌｅａｄｔｏａｂｎｏｒｍａｌｗｅａｒｏｆｔｈｅｓｅａｌｉｎｇｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｐａｉｒｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｅａｌ，ａｎｄｔｈｅｅｌａｓｔｉｃｆａｉｌｕｒｅｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｅａｌｍｏｖｉｎｇｒｉｎｇｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｍａｋｅｓｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｅａｌｆａｉｌ，ａｎｄｆｉｎａｌｌｙｔｈｅｄｉｒｔｙｏｉｌｐｕｍｐｌｅａｋｓｆｒｅｑｕｅｎｔｌｙｏｒｅｖｅｎｂｕｒｎｓｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｅａｌ．Ｉｎｔｅｒｍｓｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｅａｌｓｃｈｅｍｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｒｅｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｅａｌｆｌｕｓｈｉｎｇｓｃｈｅｍｅｓ，ｃｏｍｂｉｎｅｗｉｔｈｔｈｅａｃｔｕａｌｒｅｓｏｕｒｃｅａｌｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｏｆｆｓｈｏｒｅｏｉｌｐｌａｔｆｏｒｍｓ，ｔｈｅｍｏｓｔｓｕｉｔａｂｌｅｏｎ－ｓｉｔｅｆｌｕｓｈｉｎｇｓｃｈｅｍｅｏｆＡＰＩ６８２ＰＬＡＮ５３Ｂｉｓｓｅｌｅｃｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｅａｌｉｓｒｅｐｌａｃｅｄｗｉｔｈａｄｏｕｂｌｅｆａｃｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｅａｌ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｍｅｄｉｕｍｉｎｔｈｅｄｉｒｔｙｏｉｌｔａｎｋ，ｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｏｆｔｈｅｐｕｍｐｃａｓｉｎｇｈａｓｂｅｅｎｉｍｐｒｏｖｅｄｗｉｔｈｒｅｆｅｒｅｎｃｅｔｏｔｈｅｃｏｒｒｏｓｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｍｅｔａｌｓ．Ｔｈｅｎｅｗｐｕｍｐｃａｓｉｎｇｉｓｍａｄｅｏｆｃｏｒｒｏｓｉｏｎ－ｒｅｓｉｓｔａｎｔｄｕｐｌｅｘｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌ．Ｉｎｓｕｍｍａｒｙ，ｔｈｅａｂｏｖｅｍｅａｓｕｒｅｓｈａｖｅｉｍｐｒｏｖｅｄｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｍａｃｈｉｎｅｓｅａｌ，ｅｎｈａｎｃｅｄｔｈｅｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎｄｓｃｏｕｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｔｈｅｓｕｍｐｐｕｍｐｃａｓｉｎｇ，ａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｄｉｔｓｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅａｎｄｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｅｎｔｉｒｅｐｕｍｐｏｐｅｒａｔｉｏｎ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｐｕｍｐ；ｓｉｎｇｌｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｅａｌ；ｄｏｕｂｌｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｅａｌ；ｄｕｐｌｅｘｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌ
０引言
渤海油田某采油平台配备两台污油泵，形式为卧式单级离心泵，设计排量为５０ｍ３／ｈ，设计出口压力为１．８ＭＰａ。该泵是海洋石油平台原油工艺流程中较重要的设备，其在工艺流程中的作用是将斜板除油器及浮选机分离出的进入污油罐中的污油打回流程处理，保证污油罐液位处于安全区。如该泵的泵效差或无法运行，流程中源源不断进入污油罐的液体将无法被及时转运，从而会导致上游流程关停，故其运行状况直接影响原油流程的稳定。因泵送介质中的污油易导致机械密封失效，曹玉林等［１］的研究解决了污油泵中的输送介质黏度大、颗粒物多对机械密封产生的不良影响，其利用海洋石油平台上相对清洁的生产水取代原机封冲洗介质对机械密封进行外置冲洗，以减少机封冲洗液中污油对机械密封的不良影响。本文为解决因工艺流程中含砂、高含氯离子、硫化氢等介质造成污油泵泵壳腐蚀、机封泄漏的问题。通过优化机封冲洗方案和更换泵体材质，改善了机封工况，增强了污油泵的抗腐蚀和耐冲刷性能，提高其使用寿命和整泵运行的稳定性。
从泵的维修记录得知，投产后的一年内该泵的机械密封泄漏较频繁。尤其是在污油罐的上游流程运行完冲砂操作后污油罐内含砂量较多时，机械密封故障更为频繁，甚至发生过机械密封烧毁的情况。在将故障的泵切换下线后，现场对该泵拆解发现泵壳内部出现腐蚀情况如图１所示，泵壳腐蚀面形状呈沟壑状，泵壳内部高压区的腐蚀相对严重，部分区域出现腐蚀穿孔的情况。拆解下来的机械密冲洗封管线已大部分堵塞，如图２所示。
１机械密封改造
１．１机械密封故障原因分析
本文所研究的污油泵的机械密封为单端面机械密封，即只有一对密封面对介质进行密封。由于单端面机械密封结构相对简单［２］，制造成本相对也较低，其在流体机械中应用的十分广泛。单端面机械密封通常只有一对摩擦副，即动环和静环。典型的单端面机械密封除此之外还包括动静环座、密封圈以及用于压紧动静环的弹簧或弹片。单端面机械密封一般于用介质本身润滑性好和允许微量泄漏的条件，但是泵送介质有毒、易燃、易爆以及对泄漏量有严格要求时，不宜使用［３－４］。主要原因是当泵送介质中含固体颗粒的工况下，单端面机封易出现下列问题：首先其摩擦副极易过早磨损；机械密封的滑动补偿机构堵塞，不能作轴向位移；堵塞加载机构，使弹性元件失效；机封座以及密封环冲刷磨损；机封冲洗管线堵塞［５］。原泵机械密封的冲洗介质流道为从泵出口引入压力相对较高的泵送的污油介质，冲洗机械密封内腔，起到冷却和润滑作用，而后液体回流到泵壳内的低压区，经过泵叶轮的旋转，又被运送到泵出口，以此循环。该泵运送的介质为污油，其中杂质较多，经化验室对其水质进行化验得知，污油介质的主要成分含有水、砂、原油、硫化氢、二氧化碳和氯离子。泵运转一段时间后，介质中的污油会黏滞在单端面机械密封动环弹簧处，导致其弹性补偿作用失灵，如图３所示。机械密封动环上的弹簧弹性失效会使得机封动静环贴合压紧力不够。介质中沙粒也会导致动静环接触面在转动过程中异常磨损，其静环端面磨损情况如图４所示。上述两方面原因均会导致机械密封泄漏失效。
１．２机械密封冲洗方案换型
鉴于以上分析得知，需要对该泵的机械密封冲洗形式进行改造。参照行业通用的机械密封标准ＡＰＩ６８２（美国石油协会６８２标准），原泵所配备的机械密封冲洗方案属于该标准中的ＡＰＩ６８２ＰＬＡＮ１１方案。目前针对这台泵的类型以及工况，需要将机械密封冲洗液彻底换型，不再使用泵送污油作为冲洗液。在此研究了３套可适用的机械密封冲洗方案。
（１）方案一
机封的冲洗方案采用ＡＰＩ６８２ＰＬＡＮ３２，原理如图５所示。此方案机封仍为单端面密封。但机械密封冲洗介质由原来的污油改成了相对清洁的液体。此方案需要外接常温清洁水或海水。若外接冲洗液体采用海洋平台上资源相对广泛的海水，需要考虑以下因素：首先有的金属是流速高时其耐腐蚀性较好，如不锈钢。有的则流速低时耐腐蚀性好，如铜合金等，对于钢铁则不论海水流速的快慢都将使腐蚀速度加快［６］。由以上分析得知，该机械密封的过流部件材料需采用牌号为ＣＤ４ＭＣｕ或２２０５双相不锈钢以上的材料。根据原泵对机械密封冲洗液的参数要求，冲洗液压力与密封腔压力的压差小于０．５ＭＰａ，一般该差值保证在０．０５～０．２ＭＰａ之间最为合理。该泵冲洗液的压力需要大于０．５ＭＰａＧ［７］，流量控制在０．３～０．５ｍ３／ｈ对机封进行冲洗和冷却，冲洗液最终进入泵体，使含有污油和颗粒的介质不能进行机封腔内，从而充分保证机封的正常使用工况，确保机封的使用寿命达到设计要求。
（２）方案二
机封的冲洗方案采用ＡＰＩ６８２ＰＬＡＮ５４，其原理图如图６所示。此方案机械密封采用双端面密封，外接循环常温清洁水或海水。若采用海水，泵的过流部件材料同样需采用牌号为ＣＤ４ＭＣｕ或２２０５双相不锈钢以上的材料，此时冲洗液的压力大于０．６ＭＰａＧ，流量０．５～０．７ｍ３／ｈ。此方案与ＡＰＩ６８２ＰＬＡＮ３２的冲洗介质流道的区别在于，此方案机械密封的冲洗液与泵送介质分隔开，冲洗液对机械密封进行冲洗和冷却后直接排出，不再回到泵壳内，故在改造时需要外接管路，且泵运行期间需要源源不断的外部冲洗液。
（３）方案三
机封的冲洗方案采用ＡＰＩ６８２ＰＬＡＮ５３Ｂ冲洗方案。其原理如图７所示：机械密封冲洗介质（图中蓝色介质）与泵送介质（图中红色介质）的循环所处相互独立的腔室。机械密封的冲洗液采用清洁又耐低温的乙二醇－水型防冻液，对双端面机械密封的两对摩擦副起到冷却和润滑作用。同时机械密封的动环在转动过程中，其内部圆周端面设计成放射状凹槽结构，起到泵轮的作用，为机械密封腔室内的冲洗液提供了循环动力。冲洗介质带走了机械密封内部的热量后，循环到外置的散热器进行散热。预加压的胆式蓄能器提供机械密封液的初始压力，保持机封液内部腔室压力相对泵内液体压力高，防止泵内液体反窜入机封造成污染。综上，双端面机械密封配合ＡＰＩ６８２ＰＬＡＮ５３Ｂ冲洗方案的优点是机封冲洗液为独立的闭式循环，冲洗液纯净无杂质，不受泵送液体中杂质的污染，当机械密封磨损到一定程度有微小渗漏时，该系统内压力有微降，可通过标配的手压泵对胆式蓄能器继续补压，使其保持机械密封腔室内部的压力高于泵送介质的压力，保证泵送介质不会反窜到机械密封冲洗液中。
基于以上３种冲洗方案，结合海洋石油平台的资源情况得出：方案一和方案二中均需要连续供给冲洗液如冲洗液采用海水，虽然可以满足机械密封冲洗要求，但在实际施工改造中还需要重新布管引入海水。并且长时间用海水进行冲洗还需要考虑海水中盐分在机械密封内部堆积、海生物堵塞管道等因素。由于海水中同样含有细沙等杂质，进入机械密封动静环端面加速密封面的磨损［８］，故可靠性不佳。如果用淡水作为冲洗液，虽然机械密封所处的工况最佳，但海上平台的淡水的供给通常是船舶运输或者海水淡化［９］，海水淡化又以反渗透和废热锅炉蒸馏的工艺为主［９－１１］，以该泵所消耗淡水量而言，所需要制造淡水成本过高。综上得出，方案三为最符合海洋石油平台污油泵机械密封冲洗方案。
另外在该泵的机械密封的运行工况方面，由于污油罐中的污油加热后的温度约为６０℃，污油进入污油泵后，机械密封高速运转过程中，其腔室内部的污油温度升高至７５℃，高温加速了机械密封中橡胶件的老化和摩擦副之间的的磨损，造成机械密封泄漏。方案三中新增设的机封散热系统采用６组散热器，通过散热器的降温，有效地降低了机封冲洗液的温度，改善了机封摩擦副的运行环境，有效减少了机封泄漏的风险，从而延长使用寿命。该泵改进后的机械密封现场如图８所示。
２泵壳材质换型
２．１泵壳腐蚀原因分析
原泵材质采用牌号为２０Ｃｒ１３的马氏体不锈钢，这种材料经过淬火后其自身硬度高，在一般环境下有一定的耐腐蚀性，故适用于铸造输送一般介质的离心泵的泵壳［１２］。但长期运转不耐腐蚀和流体介质中高含砂的冲刷，且不适合介质含有硫化氢的环境。按规范ＧＢ５０２３５－２０１０《工业金属管道工程施工规范》所述，水中氯离子含量不得超过２５ｍｇ／Ｌ。由于氯化物在水中水解，可使金属缝隙内介质酸化（Ｈ＋含量增加），溶液ｐＨ下降，加速阳极的溶解，并进一步促使更多的Ｃｌ－迁入，促进点蚀的发生［１３］。通过对工作介质的化验，其化验数据如表１所示，氯离子含量高达７５００ｍｇ／Ｌ，大于强腐蚀介质标定值，因此介质中氯离子含量过高是导致叶轮和泵盖被腐蚀的原因之一。
２．２泵壳改造方案
新泵采用双相不锈钢材质（牌号ＳＡＦ２２０５），由于双相不锈钢具有较高的耐腐蚀性，适用于现场介质，且综合力学性能更好。王雷等［１４］的研究表明，双相不锈钢材质的泵更适合含有硫化氢油田中长期运行使用。相比于普通的不锈钢，双相不锈钢具有更高屈服强度，可达４００～５５０ＭＰａ。在抗腐蚀方面，特别是介质环境比较恶劣（如海水，氯离子含量较高）的条件下，双相不锈钢的抗点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀及腐蚀疲劳性能明显优于普通的马氏体和奥氏体不锈钢［１５－１６］。
图９所示为原泵拆解后泵壳的腐蚀情况，图中可见大面积金属腐蚀剥落。图１０所示为换型后的的泵运行一年后泵壳内部情况，由图可见仅有细微腐蚀凹面，改良后的泵壳更耐腐蚀且有更高的疲劳强度，适用于现场长期运行。
３结束语
本文以海洋石油平台污油泵改造项目为背景，通过对改造前的污油泵机械密封频繁泄漏、泵壳腐蚀问题进行分析研究，得出以下结论。
（１）海洋石油平台污油系统介质中含有的氯离子、硫化氢对金属的腐蚀作用。
（２）单端面机械密封冲洗液中如长期含有海沙、污油等会损伤机械密封摩擦副密封面并导致弹性补偿装置失效，机械密封漏水。
（３）采用双端面机械密封可以将泵送介质和机械密封冲洗液隔离，适合介质中含有固体颗粒的离心泵。
（４）增设机封冲洗液冷却装置，可降低机封冲洗液温度，延缓机械密封内部橡胶件老化，提高机械密封使用寿命。
（５）污油泵泵壳采用双向不锈钢材质，可适用于在含有硫化氢以及高含氯离子的流介质中长期运转。
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