提高泥浆泵活塞总成寿命的措施

冯国强 关洪涛

（1焦作煤业（集团）股份有限责任公司 河南焦作）

（2河南中轴控股集团股份有限公司 河南焦作）

1.概述

在现代石油钻井中，泥浆泵是钻井工作过程中不可缺少的设备，其作用是为钻井液的循环提供能量，以一定的压力和流量，将钻井液输进钻具，对钻杆和钻头进行冷却和润滑、冲洗净化井底、携带岩屑。在常用的正循环钻探中，它是将地表冲洗介质──清水、泥浆或聚合物冲洗液，在一定的压力下，经过高压软管、水龙头及钻杆柱中心孔直送钻头的底端，以达到冷却钻头、将切削下来的岩屑清除并输送到地表的目的。泥浆泵工作环境非常恶劣，其易损件活塞和缸套经常损坏，影响钻井效率和钻井质量。根据国内外油气资源勘探开发发展趋势，钻井作业面临更加恶劣的自然环境，钻井地质条件更加复杂。现代钻井技术的发展，对泥浆泵的工作能力提出了更高的要求，对泥浆泵工作的可靠性和安全性也有更高的要求。

目前广泛使用三缸单作用泥浆泵，损坏的主要原因是液力端易损件寿命低，容易破坏失效。液力端的主要易损件是阀、活塞和缸套。据有关资料统计，在所有易损件中，活塞发生失效的次数是最多的，使用寿命较短，平均寿命一般在150～200h。这直接影响钻井速度和生产成本，为此，研制长寿命泥浆泵活塞总成很有必要。

2.泥浆泵活塞总成失效分析

泥浆泵活塞总成寿命短是多种因素作用的结果，其失效形式主要有：

（1）磨损失效。①高冲压、高冲次造成活塞皮碗与缸套间的摩擦力变大，产生大量摩擦热，加速橡胶材料的磨耗、氧化、老化。②微小磨粒首先进入活塞皮碗与缸套的接触面，磨粒对皮碗和缸套的相对运动，造成了活塞皮碗的磨耗和缸套的磨损。

（2）挤伤失效。密封材料皮碗因进入活塞芯和缸套之间缝隙而形成挤伤，挤伤发生在活塞皮碗根部。

3.长寿命泥浆泵活塞总成研制

针对活塞失效原因，研制一种长寿命泥浆泵活塞总成（图1），活塞总成尼龙环、丙纶密封环和橡胶皮碗连接见图2，具体措施如下。

图1 长寿命泥浆泵活塞总成

（1）在活塞的橡胶工作表面距离活塞唇口和活塞根部一定距离沿圆周方向和与之垂直方向，设宽2mm、深1.5mm的槽，使活塞工作表面分割成一些小方块。可在沟槽内存储润滑液，工作时，活塞与缸套由干摩擦变成湿摩擦，减小活塞与缸套间的摩擦力，减小摩擦热产生，同时对缸套和活塞端面进行冷却，使活塞工作表面的温度进一步降低，从而减小活塞工作表面因摩擦热而产生的磨损。

（2）活塞中尼龙环和橡胶皮碗一次成型，尼龙环对橡胶皮碗起支撑作用，避免活塞皮碗与活塞芯直接接触，从而避免工作时橡胶皮碗变形进入活塞芯和缸套的缝隙，减小挤伤失效的发生。

（3）在尼龙环上沿圆周方向槽中镶有丙纶纤维密封圈，丙纶纤维具有弹性和耐磨性好的优点。丙纶密封圈可以和缸套紧密结合，避免工作中对缸套进行冲刷时，泥浆中的沙粒进入活塞皮碗与缸套之间的缝隙。同时，随活塞运动对缸套有清理作用，可以避免沙粒磨损的发生。

图2 尼龙环、丙纶密封环和橡胶皮碗的连接

（4）在活塞橡胶皮碗前面没有采用传统的挡圈和卡簧固定，而是采用一端是圆锥面的尼龙挡板，挡圈螺母固定。尼龙挡板圆锥面的锥度比活塞皮碗的锥度要大，在初安装时，尼龙挡板的锥面将皮碗唇口涨开，使皮碗与缸套紧密结合。当活塞在使用过程中皮碗有磨损后，通过调整螺母，使尼龙挡板的锥面将活塞皮碗的唇口继续涨开，皮碗重新和缸套紧密结合，进而延长活塞的使用寿命。同时在尼龙挡板上也镶嵌有丙纶弹性密封圈，作用和活塞尼龙挡圈上的丙纶密封圈一样，起到阻止泥浆中沙粒进入活塞皮碗和清扫缸套的作用。

4.创新点与效果

长寿命泥浆泵活塞总成的创新点：在活塞皮碗和活塞芯之间增加了一个尼龙环，减小了皮碗的挤伤失效；通过在皮碗工作表面开一些纵横交错的槽，改善皮碗的工作环境，减小皮碗因摩擦热而产生的磨损；在活塞上的尼龙环和尼龙挡板上分别镶丙纶弹性密封圈，阻止泥浆中沙粒进入活塞皮碗，同时对缸套进行清扫，可以减小活塞的沙粒磨损和减小缸套的磨损。

通过采取上述措施达到了减小活塞磨损，提高活塞的使用寿命，进而提高了泥浆泵的使用寿命。长寿命泥浆泵活塞总成已在高效泥浆泵产品中使用，工程实践应用表明，高效泥浆泵使用寿命延长，有效提高了泥浆泵的非故障工作时间，提高石油钻井的工作效率。