注水泵柱塞填料密封方式的改进和效果分析

2022-05-14朱传智朱浩波生文博宋健

机械工程师 2022年5期

朱传智，朱浩波，生文博，宋健

（中国石油集团渤海石油装备制造有限公司钻井装备公司工业泵制造厂，天津 300280）

0 引言

作为油田重要的注水设备，柱塞式注水泵通过注水能够促进油层压力提升，保障原有产量，在油田开发领域有着不可替代的作用。近年来，随着油田开发技术水平的提升，柱塞式水泵技术参数及性能也发生了一定的改变，以满足不同场合的应用需求[1]。作为注水泵密封的主要材料，密封填料会随着柱塞泵运行时间的增加而出现不同程度的磨损，可能会导致增加液体泄漏量，甚至发生刺漏，这就需要及时对盘根盒内的密封填料予以更换，不仅操作难度大，而且增加了成本投入，因此对注水泵柱塞填料密封方式的改进尤为迫切。针对上述问题，研究通过柱塞填料密封结构及材料的改进，以达到提升性能、降低成本的效果。

1 注水泵柱塞填料密封现状

以某地区油田采油厂为例，其现有的不同类型注水泵共有210台，每台注水泵每年在填料密封方面的费用平均高达数万元。油田注水泵常用的密封为柱塞填料密封，也可以称为压紧式密封与接触型密封，柱塞泵作为一种易损耗器件，当发生故障后会对注水泵的性能产生直接影响。从现有情况看，柱塞泵填料密封寿命普遍较短，损耗严重，这在无形中增加了油田生产开发成本，因此加强对注水泵现场管理、提升其技术性能尤为重要。柱塞填料密封结构如图1所示，其工作原理为：将零件调节螺母旋紧后产生压紧力，直接对后导向套产生作用，然后对填料密封压紧[2]。经过压紧力的作用，填料密封与柱塞表面、密封函体的内孔表面会形成接触应力，自填料密封安装入口向里呈现出减小的趋势。在后导向套位置接触应力最大，因此该位置是最容易磨损的部位，通常在该位置出现填料密封失效。针对这一问题，应注意压紧机构的合理选择，且在安装、使用环节加强对压紧力的控制。

图1 柱塞填料密封结构

2 注水泵柱塞填料密封失效原因分析

研究结果显示，污水注水泵的寿命与企业实际需求尚存在一定的差距。《往复式注水泵技术规范》明确提出：当含油污水输送额定排出压力为20 MPa以下时，柱塞寿命应达到1300 h，填料寿命应在1400 h以上，泵阀能够进行长达1600 h的无故障运行。但在实际运行过程中，柱塞寿命仅为600～900 h，填料寿命维持时间更短，约为350～500 h，泵阀仅能够维持150～240 h无故障运行。

2.1 部件结构不适宜回注污水

作为注水泵主要部件，污水泵柱塞填料容易受到含颗粒污水的影响，其中所含的腐蚀性成分会对柱塞填料产生腐蚀，污水难以被有效隔离，润滑条件不佳，使得填料磨损进一步加剧。污水泵泵阀常用结构为上下分体式，阀心、阀体采用金属密封，若输送的污水存在明显的颗粒物，将会影响到阀心、阀体密封性，出现泄漏[3]，长此以往会使金属密封面产生不同程度的破损，引起泵阀故障。

2.2 柱塞填料选择不合理

在原油开采过程中，注水泵柱塞往复运动，柱塞表面很容易受到水中成分腐蚀，不光滑的柱塞表面也会让密封圈磨损加剧。一般柱塞要10个月更换1次，密封圈要每月更换1次，频繁更换不仅给生产造成损失，对注水生产时间也会造成影响。通过测试污水泵柱塞材料，可以发现其基材为45钢，表面涂喷了硬质合金，在实际应用过程中可以发现此类喷涂材料在腐蚀性污水输送过程中存在较高的脱落风险，容易损伤到柱塞，部分柱塞应用不足700 h便会出现喷涂材料脱落的现象，甚至发生拉毛[4]。注水泵曾经使用过的填料如表1所示。污水泵填料采用碳纤维编织材料，耐寒性不佳，且具有回弹性，遇水后会出现变硬的现象，降低密封弹性，导致使用寿命大大减少。聚四氟乙烯最主要的特点为耐高温，但缺乏有效的回弹性能，若柱塞偏摆幅度过大，与柱塞之间会产生较大间隙，进而引起介质的泄漏。柔性石墨自润滑性能好，但摩擦因数低，在冲击性及耐剪切性能方面存在一定的不足，无法将其单独应用于高压柱塞轴封。不同密封填料性能如表2所示。

表1 密封填料应用情况

表2 各类密封填料性能比较

2.3 封油压力低

密封油能够对液体外漏起到较好的密封作用，与此同时还能够对填料密封润滑、冷却。密封工作性能很大程度上受封油压力高低的影响。实施技术改造前，封油最大压力不超过0.3 MPa，与介质工作压力（16 MPa）相比明显较小。可以发现，受封油压力过低的影响，即使主填料密封段封油进入填料与柱塞，也难以起到明显的润滑作用，此时受压力差的影响，介质会在填料与柱塞之间的径向间隙充满，顺轴向从泵内往封油侧泄漏。副调料密封段可见侧向压力比封油压力高，封油无法顺利进入填料与柱塞间，难以发挥润滑作用[5]，增加了填料与柱塞的摩擦因数，同时降低了液膜压力。介质压力升高并分布于轴向，导致封油、介质混合物外泄，需要加大密封填料压紧力，导致摩擦因数进一步增加，导致密封失效。

3 注水泵柱塞填料密封方式的改进策略

3.1 密封填料材料选择

注水泵柱塞密封填料喷涂材料涉及到多方面内容，在具体改进及应用过程中应结合以往经验及现有技术水平，根据不同材料的性能进行调整，在延长注水泵寿命的同时，降低设备故障发生率。此次研究引入新型复合填料，结合不同类型密封填料的优势，使密封填料使用寿命增加，降低摩擦力[6]。在材料方面，将聚四氟乙烯与石墨成型填料混合组装，效果较好，密封填料性能如表3所示。两种材料混合后，不仅保留了柔性石墨弹性高、气密性好的优势，而且克服了抗剪切、耐冲击性能低的弱点，综合使用性能得到了提升。经过试验可以发现，按照一定比例混合四氟乙烯纤维、柔性石墨，获得的新型复合填料可达到理想的效果。

表3 密封填料的性能参数分析

3.2 “13141”盘根组合法结构改进

以往注水泵柱塞填料加装主要是在前后导向套中心加装7～8个盘根，经过大量的文献资料查询及实践验证，提出“13141”盘根组合结构法：在一个导向套上加装3个盘根，另外一个导向套加装4个盘根。现场试验显示，改进后密封效果得到大幅度提升。与常规加装方法相比，“13141”盘根组合结构法使得盘根寿命得到了显著提升，从10 d到30 d不等。泵出口压力不同，其使用寿命也呈现出明显的差异性，员工劳动强度也会明显降低，有利于降低人力资源成本[7]。在进行软填料密封时，拧紧压盖螺栓与压盖产生的接触压力为受到的压力，经压盖导向套对密封填料产生直接作用，顺着密封函壁、轴杆，从第一个密封填料传导到下一个填料环。密封函壁、轴上摩擦力很大程度上会影响到密封填料，自近端到远端呈现出明显的轴向变化。此时压盖位置密封填料环接触压力能够达到最大，与压盖位置较远的部分接触压力则最小[8]。与接触压力作用相反，密封填料密封流体作用能够提升密封填料，在导向套作用下，使压盖受到密封填料的压实，此时能够降低压盖位置受到的流体压力。当密封组件密封效果达到理想状态后，能够维持密封填料接触压力与流体压力的平衡，密封填料组件会导致其施加压缩密封填料接触压力增加，导致摩擦阻力增加，出现过度压缩的情况，使得密封填料与轴套受到破坏。通过控制压缩密封填料的接触压力，能够保持应力松弛状态，降低摩擦力，延长密封填料的使用寿命。

3.3 封油系统改进

为保证轴封的密封性能，应注重封油系统压力的注入，通过试验研究发现，当封油压力升高后，会增强轴封的密封效果，在实际应用中应维持封油压力稳定性，尽可能处于较高值，以延长轴封的使用寿命。

4 注水泵柱塞填料密封方式改进效果分析

应用“13141”盘根结构法后，选择1台注水泵进行实验，采用常规密封法对1缸、2缸进行处理，采用“13141”组合法对3缸进行处理，保持其他工况条件一致，进行对比试验。结果显示：1缸、2缸经过230 h运行，出现严重的密封失效泄漏事件，3缸密封正常。对1缸、2缸进行更换，跟踪其密封效果，发现3缸在运行570 h后出现泄漏。经过计算可以发现，与常规密封法相比，3缸寿命提升1.39倍。将该方法全面推广，可以发现盘根使用寿命提升了1.5倍。为计算改进后的经济效益，在4台注水泵中引入“13141”组合法，可以发现盘根寿命得到了延长，约为369 h，寿命提升了1.5倍。按照当前碳铅密封价格（23 元），可以计算得到常规密封方法下4台泵盘根耗费为365×24÷245.75×4×24×24=75683 元，应用“13141”盘根组合法后，其费用为26 603 元，降低了成本，经济效益可观。