地面高压柱塞泵密封结构的改造研究

王金东,高娜 (东北石油大学机械科学与工程学院,黑龙江大庆 163318)

王长忠 (大庆职业学院机械系,黑龙江大庆 163000)

地面高压柱塞泵密封结构的改造研究

王金东,高娜 (东北石油大学机械科学与工程学院,黑龙江大庆 163318)

王长忠 (大庆职业学院机械系,黑龙江大庆 163000)

针对现有柱塞泵在使用中存在的密封性不好、寿命短等问题,提出了一种地面高压柱塞泵的密封结构改造方案。该装置采用多级液压密封结构,利用泵内自身泄露出的高压液体,作用在密封件上,形成密封自紧力;多级密封之间分级工作,可实现对柱塞泵内高压液体的完全密封,达到微漏失、甚至零漏失的效果,工作寿命长,维护工作量小;在保证密封的前提下,可以随压力自动调整对柱塞的抱紧力,减少了的磨阻损失;在密封环发生一定量的磨损时,在高压作用下,能自动补偿,仍能保证完好的密封效果。该研究的成果有利于解决现有的填料密封造成的漏失问题,具有一定的理论意义和实际应用价值。

柱塞泵;结构改造;密封

柱塞泵是一种常用的高压液体输送设备,广泛应用于石油、化工等领域,是一种关键的动力设备,在整个工艺流程中起着重要作用。柱塞泵的工作原理是在缸体内,柱塞通过进行往复的运动,来改变工作腔的容积量,从而使流体在压力的作用下能够被吸入和排出。柱塞泵是一种容积式泵,具有高压的特性。所以,在油田上经常使用柱塞泵作为动力源对地层进行注水,其压力完全能满足12MPa左右的工作压力要求。柱塞泵的轴密封装置是其关键部件,也是其薄弱环节。柱塞与缸套间的环形腔的间隙大小决定了柱塞泵的容积效率的大小[1]。环形间隙会随着柱塞泵的工作时间的延长而增大,工作时间越长,环形间隙就会越大。由于泵内的液体处于高压状态,而且柱塞在不停地进行往复运动,会造成液体从柱塞与填料之间的缝隙漏失。介质的漏失不但造成浪费,而且会污染环境,甚至危机设备运行和人身安全。泵的密封性能是评价泵产品质量的一个主要指标。为此,笔者研究了一种地面高压柱塞泵的密封结构改造方案。

1 现有柱塞泵柱塞密封结构及原理

图1 柱塞密封结构

图1所示是油田地面在注水的时候,柱塞泵的柱塞与缸套之间的密封形式。长时间使用后会加大柱塞和密封缸套之间的间隙,泵的效率会明显降低,要对泵及时进行检查维修。在检修中,主要对密封缸套进行更换,缩小柱塞与密封缸套的间隙[2]。注水泵一直处于连续的工作状态,密封缸套容易造成损坏,因此要经常性频繁地泵进行检修,这样不仅影响了正常的生产运行,同时还增大了人力、物力的投入。

目前,现有柱塞泵轴封采用常规的填料密封,其密封的原理就是依靠填料与柱塞之间的挤压作用减小相互之间的缝隙,通过多次的填料环绕线路,阻止液体介质外泄。但在柱塞往复运动及泵内部高压力作用下,油、水等液体介质必然会沿着柱塞与填料的间隙向外泄漏,间隙越大,泄露量越大,超过规定值,密封就失效,必须停机重新更换盘根。为减少泄漏量,通常的做法是加大盘根的压紧力,但作用有限,却增加了填料与柱塞之间的摩擦力,即增加了能耗。这导致填料密封存在着密封效果差、密封摩擦损耗功率较大、维护频繁等问题[3]。

2 密封结构改造

图2 改造后的柱塞密封方式

通过对结构进行全面分析,制定了以下措施进行改造。不改变原有的缸体和柱塞结构(目的是避免重新加工这些部件),只改造密封缸套,改造结构如图2所示。

该设备由2级密封组成(由设备空间决定也可增加级数,使其达到最优化),每一级有密封环、橡胶密封套、支撑件组成。刚开始时,密封件靠弹性有一定的预紧力,在工作时,泵缸内泄露出的高压液体被引入橡胶密封件外围的空腔内,高压作用在橡胶表面,产生较高的压力,作用在密封环上,使密封环与柱塞接触更加紧密,密封更加可靠。而当腔内压力降低时,作用在密封件上的压力随之降低,在保证良好密封的情况下,抱紧力减小,摩擦力减小,降低了磨损并提高了工作效率。另外,在运行一段时间后,密封环避免不了要发生磨损,这时在压力的作用下,可以自动补偿,使密封件始终保持良好的接触密封。这种密封的优点就是随着压力的变化抱紧力也相应变化,能根据压力的大小自动调整密封的程度,密封性能好,密封时间长。一般填料密封有效期为几十天,这种密封有效期将大大延长。

3 橡胶密封套高压承受试验

图3 密封圈打压试验

密封圈打压试验结果如图3所示。由图3可以看出,采用Z字型开口泵径为83mm和32mm的泵,压力达到24MPa,也没出现有击穿的痕迹;采用V字型开口泵径为32mm的泵打压到19MPa就会出现击穿现象,泵径为83mm的打压到20MPa会出现击穿的痕迹;普通H型开口泵径为83mm的泵,打压到22MPa就出现被击穿的现象。这表明树脂密封环改用Z字型开口比V字形、H普通形这2种型号的密封圈开口方式能承受更大的压力,不会因为压力过高导致密封失效,进一步完善了整套密封装置中的密封圈的承压能力。

4 结论与认识

1)采用改造后的密封技术,能够有效的改善密封效果,而且柱塞泵能够正常运行。

2)有效解决了高压流体回流的问题,泵出口的压力和流量也非常稳定,不会产生太大波动。

3)通过一段时间使用情况来看,经过改造的柱塞泵在试用期内完全符合出厂时所标定的排量值。每半年就要对扶正套进行一次更换,这符合油田泵设备的检修周期,扶正套能够扶正柱塞,防止其在往复运动中过度摆动,具有定向和导向的作用,能有效的减少由于多级密封环的不均匀而造成的磨损。这样改造后延长了易损件的使用寿命,延长了检泵周期,减少了维修工作量,节省人力物力。

[1]李枫,刘彩玉.柱塞泵密封结构的改造[J].润滑与密封,2004,162(2)98-99.

[2]陈树峰,马伏波.柱塞泵油漏损流量的理论计算[J].煤矿机械,2006,27(12):1-2.

[3]夏廷栋.实用密封技术手册[M].哈尔滨:黑龙江科学技术出版社,1985.

[4]尹赐禹.柱塞泵密封失效原因分析及解决措施[J].中国设备工程,2004(4):55-56.

[编辑]洪云飞

TE933

A

1673-1409(2014)19-0057-02

2014-02-17

王金东(1964-),男,博士,教授,现主要从事机械设备故障诊断、石油机械系统工程方面的教学与研究工作。