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摘 要：介绍高压原油管道输送泵机械密封的设计技术方案，包括设计参数、结构布置、性能预测及测试验证。针对密封运转的工况参数，采取优化的结构设计方案提高密封在高压工况下的运转性能。采用特殊设计的动压槽密封面改善密封运转条件，并运用专业的密封设计软件预测其性能。测试运转结果表明该设计方案满足工况要求。
关键词：高压 原油 管道泵 机械密封 动压槽密封
当今石油作为最主要的能源，其对工业社会经济发展具有举足轻重的地位。管道运输作为比公路、铁路、船舶等更经济有效的油品运输方式，逐渐成为我国能源输送的生命线。而目前保障原油运输的关键设备——大型中、高压管道输油泵主要依赖进口，其配套进口密封价格昂贵，服务不及时。近几年国内泵和密封企业整体实力获得很大提升，管道输送泵和密封国产化是大势所趋。而通常情况下密封是决定泵能否安全运行的第一要素，其国产化成功具有很高的经济价值和战略意义。
本文重点介绍了与沈鼓合作配套研发高压原油管道输送泵机械密封的设计研制过程。针对密封研制过程中存在的技术难点，选择合理的结构形式及材料配置，采用专业的密封设计软件辅助设计，从而实现了密封一次性验收鉴定通过。
1密封方案选择
1.1密封工况参数
介 质：高硫基原油
设计压力：15MPa
操作压力：11～12MPa
操作温度：50℃
转 速：3000rpm
密封轴径：Φ95mm
1.2密封技术难点
主要有以下五个方面：（1）密封原油脏，有腐蚀性且含少量固体颗粒，影响密封润滑及寿命；（2）密封腔压力高，设计压力为15MPa，正常运行11～12MPa，密封难度高；（3）密封轴径为95mm，尺寸较大导致密封件容易受压变形；（4）泵在开停车过程中密封腔压力波动大，密封承受冲击大；（5）泵多位于地理位置偏远、交通不便的地方，可提供的外部辅助资源有限。
1.3 密封配置及材料选择
针对以上提及的工况参数及技术难点，决定采用单端面、平衡型、带隔离密封、静止型的集装式机械密封。
密封冲洗方案采用plan 31+65的组合。Plan31方案让比较脏的原油通过泵的出口经过旋液分离器后，使洁净的部分通入密封腔，含有颗粒的部分返回泵的入口；Plan65方案则在主密封与隔离密封之间设置收集罐，保证即便原油微量泄漏也不会泄漏到周围环境中，符合环保要求。
密封环材料选用硬质合金与新型复合碳化硅配对，补偿弹簧选用哈C合金，承压件材料选用双相钢，辅助密封选用高硬度橡胶和特殊四氟的组合。
整体密封的结构及材料选择可以满足前述技术难点的要求。采用集装式密封可以先预装好进行打压测试，保证出厂质量，现场拆卸方便。
2关键密封技术
2.1特殊设计的摩擦副结构
整体环结构设计——通过FEA分析，设计抗压力变形的密封环结构，形成自然协调的密封端面，密封环轴向尺寸短，径向尺寸大，保证密封环承受高压载荷时不会产生较大变形。
双辅助密封技术——在密封环的底部采用O形圈和PTFE密封圈的组合技术，保证在高压时辅助密封实现密封性能的同时，O形圈不会被挤出，且整体有一定的浮动补偿性。
2.2密封环变形控制技术
密封环的端面变形是影响机械密封性能的关键因素，变形控制不当会引密封面开启、相态失稳、液膜破裂、干运转等诸多问题，从而导致密封失效。
密封端面变形主要由压力和温度两个因素造成。对于密封摩擦副端面附近，介质向内的压力变形是往密封环轴心内侧弯曲；运转发热引起的材料膨胀变形是往密封环轴心外侧弯曲。如何使向内的压力弯曲变形和向外的温度弯曲变形相互抵消，是高压工况密封环设计要控制的首要难题。
若要压力与温度耦合后的密封面弯曲变形量最小，最佳的方案就是使两者引起的弯曲变形数值尽可能的最低并相互抵消，这样才能保证密封性能的稳定可控。
2.2.1密封环压力变形控制
密封环压力弯曲变形是由介质压力分布形成的弯矩引起的材料变形。因此控制压力弯曲变形量，需要考虑两个因素：一个是介质压力分布，一个是材料的弹性模量。在前述方案选择时，摩擦副材料选择硬质合金对碳化硅，已经充分考虑了材料抗变形能力，剩下只需要考虑如何让介质压力分布引起的变形弯矩最小化即可。
设计时从3个方面对密封环压力变形弯矩进行了优化控制：（1）密封环轴向尺寸很短，减小变形力臂；（2）密封环径向尺寸加大，增强抗变形能力；（3）摩擦副压力平衡式设计，密封环轴向力相互抵消，密封环不会受到由压力产生的弯矩。
2.2.2密封环温度变形控制
密封环端面温度弯曲变形是由密封环运转摩擦等发热引起的温升导致的材料膨胀变形。要控制温度弯曲变形量，需要考虑两个因素：一个是密封面发热温升，一个是材料线胀系数。在前述摩擦副材料采用的硬质合金和碳化硅其线胀系数都已是最佳选择，因此只需要考虑如何降低密封环运转发热温升即可。
密封运转产生的热量由两部分组成：一是流体介质运转时产生的搅拌热，另外就是密封端面摩擦热。设计时从3个方面对密封环运转温升进行了优化控制：（1）密封环静止型设计，通过减小旋转部件体积降低运转产生的搅拌热量；（2）采用低端面比压的平衡型密封，通过减少密封面之间的贴合力降低摩擦热量；（3）旋转环密封面开设Arc-groove Face流体动压槽，改善密封润滑，通过降低密封面运转摩擦系数减少摩擦热量。
利用专用的密封设计软件的动压槽设计模块，将密封环整体建模输入所有参数和边界条件，软件运转模拟分析结果表明，密封面整体在开设密封槽的区域温升不到10℃，密封环最内侧最大温升也不到20℃。
3结束语
通过上述设计优化过程，高压管道泵用机械密封首次于2012年10月在沈鼓厂内随主机一次性成功完成验证性试验，2013年5月18日随主机通过受国家能源局委托由中机联和中石油组织的产品样机鉴定。随着我国管道储运工业的大发展，华阳密封将举全公司之力，继续加大密封新技术、新产品的研究开发，为全国油气储运用户提供优质的产品和服务，为我国管道工业的长周期、安全、稳定运行保驾护航贡献一份力量！
参考文献
[1]顾永泉.机械密封实用技术[M].北京：机械工业出版社.2001
[2]陈德才，崔德容.机械密封设计制造与使用[M]. 北京：机械工业出版社.1993
[3]杨惠霞，顾永泉.圆弧深槽热流体动压机械密封理论研究[J].流体机械，1997；（9）：12～18
关键词：高压 原油 管道泵 机械密封 动压槽密封
当今石油作为最主要的能源，其对工业社会经济发展具有举足轻重的地位。管道运输作为比公路、铁路、船舶等更经济有效的油品运输方式，逐渐成为我国能源输送的生命线。而目前保障原油运输的关键设备——大型中、高压管道输油泵主要依赖进口，其配套进口密封价格昂贵，服务不及时。近几年国内泵和密封企业整体实力获得很大提升，管道输送泵和密封国产化是大势所趋。而通常情况下密封是决定泵能否安全运行的第一要素，其国产化成功具有很高的经济价值和战略意义。
本文重点介绍了与沈鼓合作配套研发高压原油管道输送泵机械密封的设计研制过程。针对密封研制过程中存在的技术难点，选择合理的结构形式及材料配置，采用专业的密封设计软件辅助设计，从而实现了密封一次性验收鉴定通过。
1密封方案选择
1.1密封工况参数
介 质：高硫基原油
设计压力：15MPa
操作压力：11～12MPa
操作温度：50℃
转 速：3000rpm
密封轴径：Φ95mm
1.2密封技术难点
主要有以下五个方面：（1）密封原油脏，有腐蚀性且含少量固体颗粒，影响密封润滑及寿命；（2）密封腔压力高，设计压力为15MPa，正常运行11～12MPa，密封难度高；（3）密封轴径为95mm，尺寸较大导致密封件容易受压变形；（4）泵在开停车过程中密封腔压力波动大，密封承受冲击大；（5）泵多位于地理位置偏远、交通不便的地方，可提供的外部辅助资源有限。
1.3 密封配置及材料选择
针对以上提及的工况参数及技术难点，决定采用单端面、平衡型、带隔离密封、静止型的集装式机械密封。
密封冲洗方案采用plan 31+65的组合。Plan31方案让比较脏的原油通过泵的出口经过旋液分离器后，使洁净的部分通入密封腔，含有颗粒的部分返回泵的入口；Plan65方案则在主密封与隔离密封之间设置收集罐，保证即便原油微量泄漏也不会泄漏到周围环境中，符合环保要求。
密封环材料选用硬质合金与新型复合碳化硅配对，补偿弹簧选用哈C合金，承压件材料选用双相钢，辅助密封选用高硬度橡胶和特殊四氟的组合。
整体密封的结构及材料选择可以满足前述技术难点的要求。采用集装式密封可以先预装好进行打压测试，保证出厂质量，现场拆卸方便。
2关键密封技术
2.1特殊设计的摩擦副结构
整体环结构设计——通过FEA分析，设计抗压力变形的密封环结构，形成自然协调的密封端面，密封环轴向尺寸短，径向尺寸大，保证密封环承受高压载荷时不会产生较大变形。
双辅助密封技术——在密封环的底部采用O形圈和PTFE密封圈的组合技术，保证在高压时辅助密封实现密封性能的同时，O形圈不会被挤出，且整体有一定的浮动补偿性。
2.2密封环变形控制技术
密封环的端面变形是影响机械密封性能的关键因素，变形控制不当会引密封面开启、相态失稳、液膜破裂、干运转等诸多问题，从而导致密封失效。
密封端面变形主要由压力和温度两个因素造成。对于密封摩擦副端面附近，介质向内的压力变形是往密封环轴心内侧弯曲；运转发热引起的材料膨胀变形是往密封环轴心外侧弯曲。如何使向内的压力弯曲变形和向外的温度弯曲变形相互抵消，是高压工况密封环设计要控制的首要难题。
若要压力与温度耦合后的密封面弯曲变形量最小，最佳的方案就是使两者引起的弯曲变形数值尽可能的最低并相互抵消，这样才能保证密封性能的稳定可控。
2.2.1密封环压力变形控制
密封环压力弯曲变形是由介质压力分布形成的弯矩引起的材料变形。因此控制压力弯曲变形量，需要考虑两个因素：一个是介质压力分布，一个是材料的弹性模量。在前述方案选择时，摩擦副材料选择硬质合金对碳化硅，已经充分考虑了材料抗变形能力，剩下只需要考虑如何让介质压力分布引起的变形弯矩最小化即可。
设计时从3个方面对密封环压力变形弯矩进行了优化控制：（1）密封环轴向尺寸很短，减小变形力臂；（2）密封环径向尺寸加大，增强抗变形能力；（3）摩擦副压力平衡式设计，密封环轴向力相互抵消，密封环不会受到由压力产生的弯矩。
2.2.2密封环温度变形控制
密封环端面温度弯曲变形是由密封环运转摩擦等发热引起的温升导致的材料膨胀变形。要控制温度弯曲变形量，需要考虑两个因素：一个是密封面发热温升，一个是材料线胀系数。在前述摩擦副材料采用的硬质合金和碳化硅其线胀系数都已是最佳选择，因此只需要考虑如何降低密封环运转发热温升即可。
密封运转产生的热量由两部分组成：一是流体介质运转时产生的搅拌热，另外就是密封端面摩擦热。设计时从3个方面对密封环运转温升进行了优化控制：（1）密封环静止型设计，通过减小旋转部件体积降低运转产生的搅拌热量；（2）采用低端面比压的平衡型密封，通过减少密封面之间的贴合力降低摩擦热量；（3）旋转环密封面开设Arc-groove Face流体动压槽，改善密封润滑，通过降低密封面运转摩擦系数减少摩擦热量。
利用专用的密封设计软件的动压槽设计模块，将密封环整体建模输入所有参数和边界条件，软件运转模拟分析结果表明，密封面整体在开设密封槽的区域温升不到10℃，密封环最内侧最大温升也不到20℃。
3结束语
通过上述设计优化过程，高压管道泵用机械密封首次于2012年10月在沈鼓厂内随主机一次性成功完成验证性试验，2013年5月18日随主机通过受国家能源局委托由中机联和中石油组织的产品样机鉴定。随着我国管道储运工业的大发展，华阳密封将举全公司之力，继续加大密封新技术、新产品的研究开发，为全国油气储运用户提供优质的产品和服务，为我国管道工业的长周期、安全、稳定运行保驾护航贡献一份力量！
参考文献
[1]顾永泉.机械密封实用技术[M].北京：机械工业出版社.2001
[2]陈德才，崔德容.机械密封设计制造与使用[M]. 北京：机械工业出版社.1993
[3]杨惠霞，顾永泉.圆弧深槽热流体动压机械密封理论研究[J].流体机械，1997；（9）：12～18