提高柱塞总成密封效果的措施

2012-08-15王海云闵凡兵崔晓燕王克强

中国石油大学胜利学院学报 2012年4期

王海云，闵凡兵，崔晓燕，王克强

（中国石化胜利油田分公司东辛采油厂，山东东营257000）

1 概述

高压柱塞泵属于容积式泵的一种，它是将电动机的机械能经过柱塞泵动力端直接转化为介质的压力能，借助柱塞在液缸工作腔内做往复运动，使泵工作腔的容积发生周期性的变化来达到吸入和排出液体的目的。当柱塞向后移动时，泵工作腔内容积扩大，压力降低，排出阀关闭，吸入阀打开，泵吸入液体；当柱塞向前移动时，泵工作腔内容积缩小，压力增加，吸入阀关闭，排出阀打开，泵排出液体［1］。柱塞泵的流量只取决于工作腔容积与电机的转速，理论上与排液压力无关。在结构上，柱塞泵的工作腔是借助柱塞总成内的密封装置与外界隔开，通过泵阀与管路沟通或闭合。它的工作特性之一是可以产生无限高的扬程，关键取决于管路和密封装置的承压能力。所以柱塞总成的密封效果对柱塞泵的容积损失以及柱塞泵的效率起到决定性的作用。高压柱塞泵一般用于地层压力在20～40MPa、注水量在100m3／h以下的小断块油田。目前油田注水常用的柱塞泵有三缸柱塞泵和五缸柱塞泵［2］，其型号主要有3ZB-21.6／44、3ZL12.5／25Q、SD3Z8／20B、3H-8／450、5FB180-19.4-65／43-13.6等。

2 柱塞总成

2.1 柱塞总成的结构及工作原理

柱塞总成是柱塞泵液力端的重要工作部件之一，它是由密封函（俗称填料盒）、柱塞、导向环、弹簧、弹簧座、压套、盘根压盖组成，通过密封压盘压装在泵头上密封泵头工作阀腔，另一端通过方卡子与动力端的拉杆相连接。柱塞总成在组装过程中，首先将导向环放在密封函的底端，起导向的作用，保证柱塞与其相连拉杆的同心度；弹簧、弹簧座、柱塞、铜压套放入后，将盘根加在柱塞与密封函的环形空间内，将铜压套压入不小于5mm，再将盘根压盖拧到松紧合适即可。

其工作原理是：通过旋转盘根压盖来挤压铜压套，铜压套压紧盘根，盘根在密封函内弹簧的作用下被纵向挤压发生横向膨胀，从而密封柱塞与密封函的环形空间，防止高压水刺漏及空气进入工作腔。

2.2 柱塞总成密封失效情况和原因分析

由于柱塞泵的冲次高达370次／min，在密封函内做往复运动的柱塞与其配合的盘根、导向环、弹簧座以及压套的摩擦力很大。随着运行时间的延长，它们之间的配合间隙不断加大，导致盘根刺漏严重，从而使密封失效，增大了泵的容积损失，降低了柱塞泵的效率。经过对部分具有代表性的柱塞泵的运行情况的统计分析，得出以下结论：在343次停泵工况中，由盘根漏失造成的停泵206次，占总停泵次数的60.1%；由柱塞磨损造成的停泵105次，占总停泵次数的30.6%；由其他因素造成停泵32次，占总停泵次数的9.3%。

由此可见，造成柱塞泵密封总成失效的主要原因是柱塞磨损和盘根的漏失。通过现场调查和数据分析，柱塞磨损和盘根漏失主要有以下两个方面。

2.2.1 腐蚀和磨损

2.2.2 柱塞与盘根的摩擦

柱塞泵是靠柱塞的往复运动来吸入和排出液体的，柱塞的往复次数高达370次／min，由于高速往复运动使柱塞和盘根因摩擦产生高温，使盘根产生“烧结”现象，从而失去密封效果；同时由于摩擦产生微小碎屑，碎屑和介质一起被带入密封面后，加速了盘根和柱塞的磨损，导致盘根漏失量加大，密封失效。

3 改进措施

3.1 针对柱塞的腐蚀和磨损

定期配合上级部门做好水质化验工作，将水质标准控制在规定要求范围内，减少各种沉淀物的产生。为了减少碎屑的产生以及降低碎屑在柱塞和盘根配合面上摩擦，可在铜压套内壁前端车削一个凹槽，这样摩擦产生的碎屑在运动中可以储存在凹槽中，不在柱塞和盘根工作面间随柱塞的往复运动来回搓动，减轻柱塞和盘根的摩擦及磨损程度。

3.2 针对柱塞与盘根配合面的摩擦

为了降低柱塞及其配合运动部件之间的摩擦力，将盘根和柱塞的摩擦面间定期加入润滑油，因此需要对原来的部件进行加工。在铜压套台阶内外各车削一个凹槽，起到导流的作用，凹槽内部钻3～6个通孔；在盘根压盖外部与铜压套台阶上的凹槽对应处钻2～3个通孔，通过盘根压盖上的通孔与铜压套台阶外部的凹槽相连通，向盘根压盖的任何一个孔内加注润滑油，都可以通过铜压套导流槽内的通孔流入柱塞和盘根工作面之间，从而起到降温和润滑的作用。不加润滑油时将螺杆拧进螺孔内作为丝堵，不但可以防止紧固盘根压盖时润滑油的流出，而且防止灰尘及脏物进入孔内。

总之，通过改进加注润滑油后，盘泵可以使柱塞表面因润滑油的保护而减轻锈蚀，同时柱塞和盘根接触面上因润滑油的存在，避免了启泵时因输送介质来不及进入柱塞和盘根工作面造成的干磨现象的发生。

盘根压盖、铜压套配合组装后投入生产，柱塞往复运动产生的碎屑可以进入铜压套前端的凹槽中并沉积下来，从而减少了碎屑对盘根及柱塞的磨损。启泵前，通过螺丝孔加注润滑油后盘泵，使铜压套台阶上的内外凹槽中储存的润滑油对柱塞、铜压套、盘根起到润滑、降温的作用，使柱塞和盘根的干磨现象得到有效缓解，从而减少了盘根和柱塞的摩擦阻力；停泵后，通过盘根压盖上的注油孔向密封函内部加注润滑油后盘泵，使润滑油对柱塞、铜压套进行防锈处理，延长了各密封件的更换周期，大大提高了柱塞总成的密封效果。

4 实施效果及效益

4.1 运行效果

将以上两项改进成果投入生产后，通过反复的现场试验，均达到了预期效果，各个易磨损部件的使用时间明显变长。其中盘根的使用时间由原来的30d变为90d；柱塞的使用时间由原来的70d变为130d；铜压套的使用时间由原来的70d变为130d。

4.2 经济效益

选取部分（37台）具有代表性的柱塞泵，将改进前后的配件使用情况进行统计，改进前后同期对比，盘根、柱塞和铜压套的使用量明显减少。其中，盘根由原来的450卷变为150卷；柱塞由原来的193卷变为103卷；铜压套由原来的193卷变为103卷。年节约额合计为36 600元。目前，随着油田进入中后期开发阶段，高压柱塞泵的使用越来越广，所以该改进方案所带来的经济效益是很可观的。