原油外输泵机械密封失效分析

摘要：振动是导致油田原油输送泵机械密封失效的主要因素之一。本文通过建立模型,利用有限元分析软件找到了振动原因,并提出了解决方法。

关键词：机械密封 磨损 振动分析

中图分类号：TE974 文献标识码:B 文章编号：1672-3791(2011)03(a)-0091-01

华北油田第三采油厂的第一联合站承担着原油脱水脱沙后外输等工作,原油外输泵是关键设备之一。外输泵的型号是DYA25-50×4,机械密封经常损坏,维修频繁,影响生产。

1 原因分析[1]

对原油外输泵机械密封进行拆解,发现机械密封的主要破坏形式是过度磨损。机械密封摩擦副采用的材料是浸树脂碳石墨(动环)和耐蚀镍铸铁(静环),其中浸树脂碳石墨环的磨损量超过3mm。碳石墨环的磨损严重,但是比较均匀,说明泵轴运行中不存在过量变形,造成机械密封过度磨损的可能原因是制造和安装不良等造成的振动。

在原油外输泵的装配过程中,微小的安装误差难以避免,振动也必然存在。为了减少振动对机械密封的性能和寿命上的影响,有必要进行振动分析,提出针对性的解决办法。

2 研究方法

为了找到振动原因,本文应用solidworks建立了外输泵的3D模型,并通过有限元分析软件simulation进行了振动分析。

2.1 模型的建立

振动分析的主体是外输泵,外输泵与电机通过联轴器连接,并通过地脚螺栓与水泥基座连接。他们之间存在连接关系,因此要分别建立三者的模型,进行分析。

2.2 分析过程

(1)定义频率算例。频率分析用于计算共振频率以及对应的模式形状。模式形状可以说明振动发生时,系统各不同位置的振动变形,反映出振动对不同位置的影响大小。

(2)定义各零部件材料：基座材料定义为标号32.5的水泥,泵轴定义为40Cr,泵体定义为铸铁,其他零件分别定义为铸铁和低合金钢等材料。

(3)定义连接方式：认为螺栓连接良好,因此螺栓连接被定义成刚性连接。外输泵与基座接触面刚性连接,电机与基座接触面刚性连接,联轴器的两联轴节采用刚性接头,基座底面固定。

(4)网格划分：外输泵的内部结构比较复杂,难以进行结构划网格,因此采用非结构化网格。网格最大尺寸25mm,在细小结构中自动过渡,雅克比点数定义为4。

(5)运行分析。

2.3 分析结果

系统自振频率是158Hz,在泵的启动阶段会经过这一振动频率,只是时间很短不会形成共振。正常运行阶段的振动主要是泵的转子旋转引发的振动。

图中颜色越深表示振幅越大,可以看到振动最大的区域是泵的两端及进出口。这些区域同时也是结构中刚度最低的区域,说明刚度是影响系统局部振幅的主要因素。而机械密封及轴承的安装位置处在这些区域,使振动对机械密封及轴承的寿命造成更大的影响。

3 解决办法

从分析中可以看到,原油外输泵的系统中,整体的振幅不是完全一样的,泵两端可以视为在系统振动上存在的局部振动。系统刚度是影响局部振动振幅的主要因素,因此解决办法从提高系统刚度和增加机械密封耐磨性等方面入手。

(1)增加地基重量,是增加系统重量的最直接办法,而系统重量的增加能够有效降低振动幅度。

(2)在泵的设计中,在其他条件允许的情况下,缩短轴承座和密封函体的轴向尺寸;增加主轴刚度,适当增加轴径或者采用强度、刚度更大的材料。这些措施可以增加泵的刚度,减小泵的局部振动。

(3)更换机械密封摩擦副材料[2]。现在采用的机械密封摩擦副材料是浸树脂碳石墨和耐蚀镍铸铁,磨损系数为10-6。如果采用浸青铜碳石墨和碳化钨摩擦副,磨损系数为10-8,可以大大降低磨损量。

参考文献

[1]卢慧春.油田输油离心泵振动致使机械密封失效的解决措施[J].机械研究与应用,2005(4):51～53.

[2]郝木明.机械密封技术及应用[M].北京,中国石化出版社,2010.

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