耐高温潜油电泵用复合密封的机械密封结构的制作方法

1.本实用新型涉及一种超高温(350℃及以上)潜油电泵机组领域，特别是关于一种耐高温潜油电泵用复合密封的机械密封结构。


背景技术：

2.环渤海湾地质构造蕴含丰富的稠油储藏，目前尚未实现大规模开采。实现海上稠油的大规模开采，将产生巨大的经济效益，前景广阔。稠油生产工艺主要是热采，海上采油主要是蒸汽吞吐注采一体化技术(简称-注采一体化)，这一技术使得井下最高环境温度达到350℃。实现一次性井下长期服役举升装备-超高温电泵机组开采，是克服上述问题的重要需求。超高温电泵机组的井下机械设备是由超高温潜油电机，超高温潜油电机保护器，油气分离器和超高温潜油电泵组成。其中超高温潜油电机保护器的主要作用是补偿超高温潜油电机运行中损失的润滑油，同时平衡超高温潜油电机内外部的压差，从而保护超高温潜油电机，延长超高温潜油电机的使用寿命。
3.其中，机械密封做为超高温潜油电机保护器中最主要的密封组件，对补偿超高温潜油电机运行中损失的润滑油，同时平衡超高温潜油电机内外部的压差，起到决定性的关键作用。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(或磁力)作用下保持贴合并配以辅助密封而达到阻漏的轴封装置。然而在海上采油所采用的注采一体化技术下，超高温潜油电泵机组在井下的长期环境温度最高达350℃，下井深度可达到2000米，在超高温度和高压作用下，原油对机械密封的腐蚀性增强，常规机械密封的密封性能受温度和压力的影响也将大大降低，造成机械密封运转中产生的平均泄漏量过大，影响超高温潜油电机保护器的使用寿命，无法满足注采一体化技术下超高温潜油电泵机组在井下长期工作的需求。
4.因此急需设计一种耐高温复合密封的机械密封结构，既能适应井下超高环境温度(最高达到350℃的)，又能平稳有效的平衡超高温潜油电机内外部的压差和补偿电机油的作用，并且延长超高温潜油电机保护器的使用寿命以满足超高温潜油电泵机组在井下长期工作的需求。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种耐高温潜油电泵用复合密封的机械密封结构，其具有密封效果好、耐温等级高、泄漏量小的优点。
6.为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：一种耐高温潜油电泵用复合密封的机械密封结构，其包括：静环部分，包括静环和静环座，所述静环套设在保护器轴上，并经所述静环座固定在保护器的连接件上；动环部分，包括波纹管组件、动环、动环盖和密封端盖，所述动环经所述动环盖安装在所述波纹管组件的一端，且所述动环一端端部与所述静环的对应端为面密封滑动连接，所述波纹管组件的另一端经所述密封端盖固定在所述保护器轴上。
7.进一步，所述静环与所述静环座和所述连接件之间设置有第一一级辅助密封结构；所述静环的周向设置有凹槽，该凹槽内设置有第一二级辅助密封结构；通过两级密封结构将所述静环紧密镶嵌在所述连接件上。
8.进一步，所述第一一级辅助密封结构包括第一石墨垫片和第二石墨垫片；所述第一二级辅助密封结构为第一全氟醚o型圈。
9.进一步，所述波纹管组件包括动环座、波纹管和动环体；所述动环座的一端经所述波纹管与所述动环体的一端连接，且所述动环紧密镶嵌在所述动环座另一端内，所述动环经所述动环盖固定在所述动环座上；所述动环体的另一端与所述密封端盖连接。
10.进一步，所述密封端盖与所述动环体之间通过内六角螺栓固定，所述密封端盖与所述保护器轴之间通过内六角锥端紧定螺钉进行紧密固定。
11.进一步，所述动环座与所述动环之间设置有第二一级辅助密封结构；在所述动环体的内侧设置有多个密封槽，并在与所述密封端盖连接的一端设置有梯形槽，所述梯形槽和各所述密封槽内设置有分别对应设置有第二二级辅助密封结构。
12.进一步，所述第二一级辅助密封结构包括第三石墨垫片和第四石墨垫片；所述第二二级辅助密封结构包括设置在所述梯形槽内的梯形石墨密封件，以及设置在各所述密封槽内的第二全氟醚o型圈。
13.进一步，所述动环体的多个所述密封槽内设置硅橡胶密封圈、两半环式铁氟龙密封圈或两半环式石墨密封圈。
14.本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
15.1、本实用新型的耐温等级高，复合密封的密封效果好、泄漏量小，并且抗腐蚀性能优异。
16.2、本实用新型采用多种密封材料的复合密封形式，耐温等级高，尤其适用于蒸汽吞吐注采一体(huff-puff)技术下，最高温度350℃的工况条件。
17.3、本实用新型复合密封的结构形式能大大提高机械密封的密封效果，使耐高温复合密封的机械密封结构的平均泄漏量由常规机械密封的≤3ml/h(轴径d≤50，转速n≤3000r/min,压力p≤2.2mpa)提高为≤4ml/d(轴径d≤50，转速n≤3000r/min,压力p≤2.2mpa)。
18.4、本实用新型耐高温复合密封的机械密封结构，采用石墨垫片和全氟醚o型圈两种密封材料制成复合密封结构做为辅助密封，采用反应烧结碳化硅(sisic)制成静环和动环，并采用耐腐蚀性能优异的inconel合金做为所有金属结构件和金属波纹管的材料，因此在超高温、高压以及特定腐蚀介质的工况下，本实用新型耐高温复合密封的机械密封结构的抗腐蚀性能得到了极大的提高，延长超高温潜油电机保护器的工作寿命，满足了在注采一体化技术下，超高温潜油电泵机组在井下长期工作的功能。
附图说明
19.图1是本实用新型实施例中耐高温潜油电泵用复合密封的机械密封结构示意图；
20.附图标记：
21.1-静环，2-静环座，3-动环盖，4-动环座，5-动环，6-波纹管，7-动环体，8-密封端盖，9-第一石墨垫片，10-第二石墨垫片，11-第四石墨垫片，12-第三石墨垫片，13-梯形石墨
密封件，14-第二全氟醚o型圈，15-第一全氟醚o型圈，16-保护器轴，17-连接件。
具体实施方式
22.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
23.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
24.本实用新型提供的耐高温复合密封的机械密封结构，其中静环与连接体通过静环座、使用内六角螺栓紧固，使用石墨垫片做为一级辅助密封件，使用全氟醚o型圈做为二级辅助密封件，且全氟醚o型圈同时起到定位作用；动环体、动环座与波纹管通过焊接形成焊接动环波纹管组件，动环通过动环盖与动环座，使用内六角螺栓紧固，使用石墨垫片做为一级辅助密封件，形成连接与密封；动环体与密封端盖通过使用内六角螺栓紧固，使用异形石墨垫片做为一级辅助密封件，使用全氟醚o型圈做为二级辅助密封件，且全氟醚o型圈同时起到定位作用，使用顶丝将密封端盖固定在保护器轴上，使焊接动环波纹管组件形成轴向固定与密封。本实用新型具有密封效果好、耐温等级高、泄漏量小的优点。
25.在本实用新型的一个实施例中，提供一种耐高温潜油电泵用复合密封的机械密封结构，适用于蒸汽吞吐注采一体(huff-puff)技术下使用的超高温潜油电机保护器内。本实施例中，如图1所示，该机械密封结构包括：
26.静环部分，包括静环1和静环座2，静环1套设在保护器轴16上，并经静环座2固定在保护器的连接件17上；
27.动环部分，包括波纹管组件、动环5、动环盖3和密封端盖8，动环5经动环盖3安装在波纹管组件的一端，且动环5一端端部与静环1的对应端为面密封滑动连接，波纹管组件的另一端经密封端盖8固定在保护器轴16上。
28.当超高温潜油电泵机组工作时，随着超高温潜油电机的转动，超高温潜油电机保护器的保护器轴16带动动环部分一起转动，同时静环部分相对静止，由静环1和动环5的密封面经精密研磨、因二者的相对运动而形成相对滑动，使本实用新型复合密封的密封效果好、泄漏量小，抗腐蚀性能优异。
29.在一个可行的实施方式中，静环1与静环座2和连接件17之间设置有第一一级辅助密封结构；并在静环1的周向设置有凹槽，该凹槽内设置有第一二级辅助密封结构；通过两级密封结构将静环1紧密镶嵌在连接件17上。
30.可选的，第一一级辅助密封结构包括第一石墨垫片9和第二石墨垫片10。
31.可选的，第一二级辅助密封结构为第一全氟醚o型圈15。
32.通过两级密封结构，使静环1与连接件17之间形成安全可靠的密封结构，并且第一全氟醚o型圈15在350℃的温度下因受热膨胀可起到良好定位作用。
33.可选的，静环座2通过内六角螺栓固定在连接件17上。
34.在一个可行的实施方式中，波纹管组件包括动环座4、波纹管6和动环体7。动环座4的一端经波纹管6与动环体7的一端连接，且动环5紧密镶嵌在动环座4另一端内，动环5经动环盖3固定在动环座4上；动环体7的另一端与密封端盖8连接。
35.可选的，动环座4、波纹管6与动环体7三者之间采用焊接。
36.可选的，动环盖3通过内六角螺栓固定在动环座4上。
37.可选的，密封端盖8与动环体7之间通过内六角螺栓固定，密封端盖8与保护器轴16之间通过内六角锥端紧定螺钉进行紧密固定。
38.本实施例中，在动环座4与动环5之间设置有第二一级辅助密封结构。在动环体7的内侧设置有多个密封槽，并在与密封端盖8连接的一端设置有梯形槽，其中梯形槽和各密封槽内设置有分别对应设置有第二二级辅助密封结构。
39.可选的，第二一级辅助密封结构包括第三石墨垫片12和第四石墨垫片11，通过对第三石墨垫片12和第四石墨垫片11的压紧形成密封效果。
40.可选的，第二二级辅助密封结构包括设置在梯形槽内的梯形石墨密封件13，以及设置在各密封槽内的第二全氟醚o型圈14。具体的，通过压缩波纹管6产生的压力和紧固螺栓的预紧力，将梯形石墨密封件13紧紧压入梯形内，形成动环体7、密封端盖8和保护器轴16之间的密封结构。
41.可选的，在动环体7的多个密封槽内还可设置硅橡胶密封圈、两半环式铁氟龙密封圈或两半环式石墨密封圈等。
42.本实施例中，通过密封端盖8上的数个内六角螺栓将密封端盖8和动环体7紧密连接，并通过挤压梯形石墨密封件13使密封端盖8与波纹管组件形成密封结构，按照压缩比压缩波纹管6后，通过内六角锥端紧定螺钉将密封端盖8及波纹管组件紧密固定在保护器轴16上，使动环盖3、动环座4、动环5、波纹管6、动环体7、密封端盖8、第四石墨垫片11、第三石墨垫片12、梯形石墨密封件13、第二全氟醚o型圈14和保护器轴16通过装配形成耐高温复合密封的机械密封结构的动环部分。
43.上述各实施例中，第一石墨垫片9、第二石墨垫片10、第三石墨垫片12、第四石墨垫片11和梯形石墨密封件13可采用铜、聚四氟、石棉或金属o型圈等材料制成。
44.上述各实施例中，静环1和动环5均由反应烧结碳化硅(sisic)制成，反应烧结碳化硅的碳化硅含量约为85％，游离硅含量约15％，耐高温1380度，高温下不变形，性能稳定，密封面经精密研磨后可达到极高的密封效果。
45.上述各实施例中，静环座2、动环盖3、动环座4、波纹管6、动环体7及密封端盖8等金属件均由inconel合金制成。inconel合金是一种高ni-cr合金，可以使用在零下196℃到1093℃的温度范围内。inconel合金对还原性环境和弱氧化性环境均有较优的耐蚀性能，且对氯离子应力腐蚀断裂有优异的耐蚀性能。因为深海、油田井下均存在介质成分复杂的情况，超高温和高压环境以及特定腐蚀介质的特征，inconel合金优异的抗腐蚀性能能够极大的提高工作性能，延长超高温潜油电机保护器的工作寿命，使超高温潜油电泵机组达到井下长期服役的预期目标。
46.在本实施例中，本实用新型的耐高温潜油电泵用复合密封的机械密封结构的安装方法包括以下步骤：
47.1)将石墨垫片1放入连接件17内，静环1的凹槽内放入第一全氟醚0型圈15，将静环
1装入，放置第二石墨垫片10，使用内六角螺栓将静环座2紧固在连接件17上，使静环1紧密镶嵌在连接件17上，并通过第一石墨垫片9、第二石墨垫片10和二级辅助密封结构中的第一全氟醚0型圈15形成密封结构，使润滑油不会通过静环1与连接件17的间隙泄露。
48.2)波纹管组件的动环座4内放入第三石墨垫片12后放入动环5，然后放入第四石墨垫片11，使用内六角螺栓将动环盖3紧固在动环座4上，使动环5紧密镶嵌在动环座4上，并通过一级辅助密封结构中的第三石墨垫片12、第四石墨垫片11形成密封结构，波纹管组件的动环体7内放入数个第二全氟醚o型圈14和一个梯形石墨密封件13后，焊接波纹管组件与动环5、动环盖3及其一级辅助密封结构和二级辅助密封结构形成动环组件，将动环组件套入保护器轴16内；
49.3)密封端盖8套入保护器轴16后，使用内六角螺栓将密封端盖8紧固在动环体7上，通过压缩波纹管6产生的压力和紧固螺栓的预紧力，将梯形石墨密封件13紧紧压入梯形槽内，形成动环体7、密封端盖8和保护器轴16之间的密封结构，通过确定波纹管6的合理压缩量后，使用内六角锥端紧定螺钉、通过密封端盖8上的螺纹孔将动环组件整体固定在保护器轴16上，当设备运行时，动环组件随保护器轴16旋转，从而使动环和静环的密封端面形成密封。
50.综上，本实用新型在超高温潜油电泵机组工作时，随着超高温潜油电机的转动，超高温潜油电机保护器的保护器轴带动本实用新型的动环部分一起转动，同时本实用新型的静环部分相对静止，静环1和动环5的密封面经精密研磨、因二者的相对运动而形成相对滑动，并以第一石墨垫片9、第二石墨垫片10、第四石墨垫片11、第三石墨垫片12和梯形石墨密封件13做为一级辅助密封，以第二全氟醚o型圈14和第一全氟醚o型圈15做为二级辅助密封，因石墨、全氟醚和inconel合金良好的耐超高温高压、耐腐蚀性能，使本实用新型耐高温复合密封的机械密封结构的耐温等级高，复合密封的密封效果好、泄漏量小，抗腐蚀性能优异。
51.在本实用新型耐高温复合密封的机械密封结构的作用下，超高温潜油电机保护器能达到良好的、长期的补偿超高温潜油电机运行中损失的润滑油，同时平衡超高温潜油电机内外部压差的作用，从而保护超高温潜油电机，实现超高温潜油电泵机组在海上采油的蒸汽吞吐注采一体化这一技术下造成井下最高环境温度达到350℃的严苛工况下，实现井下长期工作。
52.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种耐高温潜油电泵用复合密封的机械密封结构，其特征在于，包括：静环部分，包括静环和静环座，所述静环套设在保护器轴上，并经所述静环座固定在保护器的连接件上；动环部分，包括波纹管组件、动环、动环盖和密封端盖，所述动环经所述动环盖安装在所述波纹管组件的一端，且所述动环一端端部与所述静环的对应端为面密封滑动连接，所述波纹管组件的另一端经所述密封端盖固定在所述保护器轴上。2.如权利要求1所述耐高温潜油电泵用复合密封的机械密封结构，其特征在于，所述静环与所述静环座和所述连接件之间设置有第一一级辅助密封结构；所述静环的周向设置有凹槽，该凹槽内设置有第一二级辅助密封结构；通过两级密封结构将所述静环紧密镶嵌在所述连接件上。3.如权利要求2所述耐高温潜油电泵用复合密封的机械密封结构，其特征在于，所述第一一级辅助密封结构包括第一石墨垫片和第二石墨垫片；所述第一二级辅助密封结构为第一全氟醚o型圈。4.如权利要求1所述耐高温潜油电泵用复合密封的机械密封结构，其特征在于，所述波纹管组件包括动环座、波纹管和动环体；所述动环座的一端经所述波纹管与所述动环体的一端连接，且所述动环紧密镶嵌在所述动环座另一端内，所述动环经所述动环盖固定在所述动环座上；所述动环体的另一端与所述密封端盖连接。5.如权利要求4所述耐高温潜油电泵用复合密封的机械密封结构，其特征在于，所述密封端盖与所述动环体之间通过内六角螺栓固定，所述密封端盖与所述保护器轴之间通过内六角锥端紧定螺钉进行紧密固定。6.如权利要求4所述耐高温潜油电泵用复合密封的机械密封结构，其特征在于，所述动环座与所述动环之间设置有第二一级辅助密封结构；在所述动环体的内侧设置有多个密封槽，并在与所述密封端盖连接的一端设置有梯形槽，所述梯形槽和各所述密封槽内设置有分别对应设置有第二二级辅助密封结构。7.如权利要求6所述耐高温潜油电泵用复合密封的机械密封结构，其特征在于，所述第二一级辅助密封结构包括第三石墨垫片和第四石墨垫片；所述第二二级辅助密封结构包括设置在所述梯形槽内的梯形石墨密封件，以及设置在各所述密封槽内的第二全氟醚o型圈。8.如权利要求6所述耐高温潜油电泵用复合密封的机械密封结构，其特征在于，所述动环体的多个所述密封槽内设置硅橡胶密封圈、两半环式铁氟龙密封圈或两半环式石墨密封圈。

技术总结
本实用新型涉及一种耐高温潜油电泵用复合密封的机械密封结构，其包括：静环部分，包括静环和静环座，所述静环套设在保护器轴上，并经所述静环座固定在保护器的连接件上；动环部分，包括波纹管组件、动环、动环盖和密封端盖，所述动环经所述动环盖安装在所述波纹管组件的一端，且所述动环一端端部与所述静环的对应端为面密封滑动连接，所述波纹管组件的另一端经所述密封端盖固定在所述保护器轴上。本实用新型具有密封效果好、耐温等级高、泄漏量小的优点，可以在超高温潜油电泵机组领域中应用。可以在超高温潜油电泵机组领域中应用。可以在超高温潜油电泵机组领域中应用。


技术研发人员：李中 于继飞 杨阳 曹砚锋 幸雪松 曲丽峰 李孟龙 闫新江 欧阳铁兵 姬煜晨 张晓彤
受保护的技术使用者：中海石油（中国）有限公司
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/9/3