螺杆泵密封性能影响因素分析

于晓燕

（大庆油田力神泵业有限公司，黑龙江大庆 163000）

0 引言

随着采油技术的不断发展进步，螺杆泵因为占用的面积较少，运行噪音小以及节能等方面的优势，已经成为国内很多油田采用的重要人工举升设备之一。该设备造价不高而且具备很好的节能效果，可以为油田企业创造更多的经济效益。可是当前的螺杆泵采油技术只能开采深度不大于2000 m 的油气井，其具备的优势还没有完全发挥出来。如果把螺杆泵的举升能力进一步提高是当前需要解决的关键问题，而螺杆泵具备的密封性能直接决定着其举升能力，所以，从过盈量、螺杆泵橡胶硬度以及泊松比3 个方面展开探讨。

1 螺杆泵密封性能分析模型的组建

1.1 几何分析模型的建立

常规螺杆泵和等壁厚螺杆泵都是由橡胶材料的定子内衬和刚性的金属转子，多采用丁腈橡胶作为加工定子内衬的材料。定子之外的钢套与橡胶内衬进行比较来看，两者间的弹性模量差距很大，可是产生的变形却很小，为了把模型进行简化处理，可以把定子外部的钢套去除掉，而把位移进行限制的施加到橡胶内衬的外部。同时，螺杆泵的组成结构较为复杂，对螺杆泵几何模型进行分析时，可以把定、转子应用平面应力数学模开进来取代三维模型，从提升分析和求解的效高。下面以GLB500-14 型号的螺杆泵作为实例，建立数学模型。

1.2 计算模型的建立

把经过简化处理之后的几何模型来组建有限无分析模型，对其进行网络化的区分。螺杆泵转子材料为钢，具备的强性模量为211 GPa，泊松比数值为0.26，螺杆泵内部的定子橡胶和转子相互间存在接触的问题，对初始接触情况进行确定是实现过盈量接触分析的关键，如果初始接触情况确定的不正确，会引起计算数值的不准确。过盈量会对螺杆泵接触情况分析和研究形成很大的影响，有的科研人员把2 个需要接触的构件几何位置设定一定数值的过盈量，利用过盈量来对配合情况进行仿值，这种分析方法是不正确的。几何理论上的过盈量不可以等同于划分网格之后有限无数学模型的具体过盈量。

在进行有限元分析时，不但要充分考虑到两个接触部件的最初位置引起的最初侵入量，还应该关注CNOF（将接触对上接触面上的节点朝目标面移动所设定的距离）接触参数产生的偏移情况。也就是2 个接触部件的最初接触情况是从CNOF 最初的侵入量共同影响下而产生的。这种情况下，2 个接触部位的最初几何位置对于最初的接触情况会产生一定影响，会对精准确定螺泵体的内部的过盈量没有帮助。

2 螺杆泵密封性能影响因素分析

2.1 过盈量对于密封性能的影响

螺杆泵的过盈量也就是内部金属材料的转子与橡胶内衬相互间的过盈量配合间隙的尺寸，该尺寸是否合理决定着螺杆泵橡胶定子和金属转子之间的过盈量情况。只有合理的过盈量数值才能使密闭的泵体腔室相互间密封及单级承压性能，所以，对于螺杆泵具备的性能有着直接的影响。如果螺杆泵级数保持不变，过盈量会决定着定、转子相互间的密闭腔体承压，从而对举升性能产生很大影响，如果过盈量变大，那么定转子相互间的密封能力就会提升，举升压力则会相应提高。

常用螺杆泵举升设备在不同过盈量具备的特性曲线中可以得知，在螺杆泵容积效率超过50%条件下，才具有实际的分析价值，在过盈量为0.3 mm 时，螺杆泵的容许压力可以达到10.5 MPa。如果过盈量为0.4 mm，那行螺杆泵容许的压力为12 MPa。而从GLB500-14 型的螺杆泵中特性数量可知，如果内子橡胶具备的弹性模量达到4 MPa，泊松比值则为0.5。有的科研人员对于最高接触压力情况对于螺杆泵体的密封圈性能的影响方面作了深入的分析和研究，把最高接触压力来对密封能力进行评价，可以得到过盈量对螺杆泵体可以达到的举升能力的影响。

（1）如果最高接触压力和螺杆泵密封腔体内部压力相互间呈现出反向关系，会跟着密封腔体内的压力数值的变大，橡胶定子和金属转子之间的最高接触压力会减少。

（2）同样的密封腔体压力，会跟着螺杆泵定子橡胶内衬和金属转子之间的过盈量提升，最高接触压力变大。

（3）如果过盈量数值变大，那行橡胶定子和金属转子相互间挤压能力就会变强，形成的接触压力也会进一步提长，螺杆泵具备的密封能力就越强。所以，如果别的性能参数保持不变，应用较大的过盈量会使螺杆泵具备的密封能力提长，从而进一步提高螺杆泵的举升性能。

2.2 橡胶材料硬度对密封性能产生的影响

橡胶材料具备的硬度是用来衡量抵抗变形的性能。而弹性模量是来反应材料弹性变形能力强弱参数，具备的弹性模量越大，则表明越难产生弹性变形。可以用于体现原子相互间结合力的物理量，和成分没有任何关系。硬度是指在产生塑性变形状况下进行测量而得到的，和组织有着直接的关系。弹性模量和硬度之间存在着一定的联系，从大量的统计数据中可以发现，一般认识弹性变形会跟着硬度的变大而提升。国外的学者认为，橡胶材料在小变形的情况下可对材料进行简化处理，即E=。其中，E 为弹性模量，HA是邵氏硬度数值。以上述研究作为前提，将邵氏硬度值取为56、75 然后转化为弹性模型进行研究。对螺杆泵截面的上、下不同腔室施加相同的压力，过盈量为0.2 mm，泊松比为0.5。上、下2 个腔室从0 MPa 不断加压，不同压力条件下的最高接触压力为：①螺杆泵定子橡胶内衬最高接触压力会跟着压力的变大而减少，改变的趋势不变；②橡胶内衬材料的硬度值高，最高接触压力曲线位置则就会越往上，具备的密封能力就越高。硬度值小，最高接触压力曲线位置则就向下，可以达到的密封性能就变差；③定子橡胶具备的硬度值高，则不易产生变，同样的泵体腔室内部的压力条件下变形量就更少，最高接触压力减小程度则越低，螺杆泵密封特性就比较强。所以，选取硬度值高的定子橡胶材料来作为内衬，就可以更好地提升泵体的密封能力。

2.3 泊松比对于密封性能产生的影响

一般情况下，对橡胶材料加工而成的构件进行力学分析时，都可以把其作为不可压缩或类似不可压缩的的材料。如果严格进行要求，那么橡胶构件就是类似不可压缩材料，具备的较小压缩性能对于力学特性方面的影响应该给予考虑。下面把橡胶定子内衬变形当作新弹性进行处理，研究橡胶的泊松比对螺杆泵具备的密封能力影响。

油田通常采用的螺杆泵过盈量为0.3 mm，弹性模量为4 MPa。压差以及泊松比数值不同时，最高的接触压力数据资料进行分析，同时与等壁厚螺杆泵进行对比分析，可以得知：①在特定区间内，密封腔体内部的压差变大，临界的接触压力就会变高；②内部的密封腔体压力变大，其临界的接触压力就会变小；③泊松比和最大接触压力呈现出正比例关系，泊松比数值高，螺杆泵橡胶内衬接触压力就会变高，具备的密封能力就越好；④在同样的情况下，数值不同的泊松比不会对最高接触压力初值产生影响，但会对斜率值产生影响；⑤泊松比数值越小，橡胶材料最高接触压力会跟着压力差的变大呈现出上涨缓慢的趋势（橡胶材料最高接触压力会跟着压力差变大而减少得更快，可以表明橡胶材料如果易被压缩，则密封特性就会变差）；⑥泊松比与螺杆泵和等壁厚螺杆泵对于密封能力关系，同样情况下螺杆泵的数据曲线会减少的更快，如果接触压力变小，它的密封能力就会变弱，表现为等壁厚要比螺杆泵具有更好的密封特性。

3 结论和建议

（1）如果螺杆泵的过盈量较大，那么橡胶定子会和金属转子相互间的挤压能力变强，形成的接触压力就会提高，泵体具备的密封能力就会越高。所以，不对其他性能参数进行改变的条件下，可以选取过盈量较高的螺杆泵，可以有效提高泵体的密封能力，实现更高的举升压力，但这样会减小机械效率。

（2）泵体内部的压力会让定子橡胶材料产生体积压缩，形成的接触压力会变小、引起漏失问题。定子橡胶材料具备的硬度条件越大，可以承受的弹性变形的能力就会提高，泵体具备的密封能力就会更好，可是提升定子橡胶的硬度必须要保证螺杆泵的加工制造精度满足更高的要求。

（3）质量不好的定子橡胶材料可以产生更大的压缩变形，泵体内部施加一定的压力会产生压缩而发生漏失现象。在同样的情况下，泊松比数值越高，泵体的密封能力就越好。