壓裂泵是一種三缸單作用臥式柱塞泵，是油田進行壓裂、酸化作業(yè)，提高油氣產(chǎn)量的重要設(shè)備，壓裂泵柱塞密封性能的好壞與使用壽命的長短，直接影響到壓裂泵的工作性能及質(zhì)量。在多年的施工作業(yè)中，壓裂泵動力端密封泄漏成為了制約生產(chǎn)的一個重要的問題。
在實際作業(yè)中，目前常規(guī)的壓裂泵密封性能不能完全滿足使用要求，特別是工況較差的情況下，動力端密封泄漏會直接影響其動力傳輸，影響液力端的正常工作，同時也增加了生產(chǎn)成本及人工的消耗。
近年來，有關(guān)專家對壓裂泵液力端的密封性能進行了多方面的研究，但是對動力端的密封性能研究還很少。由中成機械制造公司制造的ZC- 3ZB105-1100型壓裂泵，在使用初期其動力端柱塞密封的密封效果良好，但是經(jīng)過一段時間運行后就會出現(xiàn)泄漏，這成為應(yīng)用中的一大困擾。為此，中成機械和巨鹿德美瑞展開合作，共同研究解決該問題。
密封泄漏原因分析
壓裂泵動力端是由主軸、連桿、十字頭、小連桿、軸承、齒輪、殼體及泵殼蓋等組成，其動力端有獨立的潤滑系統(tǒng)。壓裂泵動力端柱塞密封泄漏會造成嚴(yán)重后果，首先潤滑油的泄漏會造成環(huán)境污染，其次油箱內(nèi)由于泄漏造成潤滑油不足會引起爆缸，造成設(shè)備損壞。針對ZC-3ZB105-1100型壓裂泵動力端柱塞密封出現(xiàn)的問題，經(jīng)過反復(fù)分析和實驗，我們認(rèn)為致使壓裂泵動力端柱塞密封失效主要有以下幾個原因。
柱塞往復(fù)運動的速度 柱塞是壓裂泵的主要易損件之一。壓裂泵動力端主要是由曲軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成柱塞的往復(fù)運動，給液力端提供動力。
當(dāng)柱塞往復(fù)運動速度在每分鐘100沖～350沖之間，當(dāng)其往復(fù)運動速度達到每分鐘350沖的時候，柱塞表面與油封密封唇間會產(chǎn)生大量的摩擦熱，使橡膠材質(zhì)的密封唇加速老化而過早的失去彈性，從而減小了對柱塞的徑向抱緊力而產(chǎn)生泄漏。旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為往復(fù)運動的時候，曲軸要與柱塞頭保持同一水平面上，當(dāng)運動速度加快的時候，容易偏離水平面使密封圈產(chǎn)生偏磨而失效。
油封的材料 決定密封圈的適用范圍的關(guān)鍵條件和使用壽命的重要因素就是對密封圈材質(zhì)的選擇。朱維兵等對密封圈失效的原因進行了分析，指出由于過熱引起的燒傷是密封圈失效的主要原因。原密封件采用的是丁腈橡膠(NBR)作為其唇口材料，這種橡膠的長期工作溫度為-10℃～120℃，最高使用溫度為170℃。NBR材質(zhì)的密封件適用于中低速條件下，在柱塞部分做高速運動的時候會產(chǎn)生高溫，這使得橡膠急劇老化而失效。
油封的結(jié)構(gòu) 原密封件為Garlock公司生產(chǎn)的53R2樣式油封，其結(jié)構(gòu)是兩個密封唇板簧結(jié)構(gòu)，即在金屬凹槽中安裝一個K字型的橡膠部件，用板片彈簧代替螺旋彈簧是為了避免在劇烈振動的環(huán)境下螺旋彈簧的脫出。
但是這種結(jié)構(gòu)的油封用在ZC-3ZB105-1100型壓裂泵上會出現(xiàn)泄漏問題，實際應(yīng)用證明這種結(jié)構(gòu)設(shè)計不夠完善。筆者經(jīng)過反復(fù)的分析研究，在柱塞進行往復(fù)運動時，左邊的密封唇將軸上的潤滑油刮掉，使油流回油箱，但會有刮不干凈的情況，右邊的密封唇在這種情況下會起到刮掉剩下的油的作用，由于兩道密封唇中間的空間是密閉的，而且中間的空腔空間也較小，當(dāng)油在這個密閉空間中越積越多達到其空間容量的極限時就會向兩邊溢出，出現(xiàn)泄漏問題。
壓裂泵動力端柱塞密封的改進
通過上面的分析，我們知道了泄漏的主要原因是：一、運動速度很高的情況下，旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為往復(fù)運動的時候，曲軸和柱塞頭軸心線不重合，使密封圈產(chǎn)生偏磨而失效;二、密封圈的橡膠材質(zhì)不能滿足實際應(yīng)用的溫度條件;三、密封圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計上不太合理。針對其泄漏原因，我們對壓裂泵動力端柱塞密封從以下兩個方面進行了改進。
材料選用 由于丁腈橡膠(NBR)的性能不能滿足實際工況，因此我們選用性能更好的氟橡膠來作為唇口材料，氟橡膠可以在-10℃～280℃之間長時間工作，其最高使用溫度可以達到315℃，而且氟橡膠的耐磨性、耐油性、耐水性、耐氧化性，耐酸堿性、氣密性等都非常突出。選用氟橡膠，其性能比丁腈橡膠有了大幅度的提高，也能夠滿足在柱塞進行到極限沖刺速度時產(chǎn)生的瞬時高溫。
結(jié)構(gòu)設(shè)計 從上面的分析可以知道，原有密封件的結(jié)構(gòu)不能滿足實際工作的需要，因此我們經(jīng)過反復(fù)研究，對原有密封件在結(jié)構(gòu)上做了改進。原密封件采用單個的外骨架雙唇密封圈，改進后采用裝配盒式密封系統(tǒng)，為了防止高速運動下彈簧脫出和密封圈偏磨我們依然采用板片彈簧。如圖3所示，A點左邊是油面，放一個單唇的油封;B點右邊是空氣面，對應(yīng)的也放一個相同的油封，兩個油封中間放置一個回油環(huán)，在這個回油環(huán)上均勻的打上小孔。這樣設(shè)計的優(yōu)點在于，將油封的高度提高增加兩唇間的空間，在拉桿運動的時候，一方面會在一定程度上起到降溫的作用;另一方面，當(dāng)拉桿從A點到B點做運動的時候左邊油封的密封唇將把拉桿上的油刮回油箱中，拉桿繼續(xù)從B點向右運動，在A點留下的油會被B點的密封唇刮完，而這些油將會暫時儲存在兩唇之間的空腔內(nèi)，當(dāng)油在這個空腔內(nèi)積到一定的程度后，油就會通過小孔R沿著虛線箭頭所指的方向從C點回流到油箱中，這樣就解決了箱內(nèi)潤滑油泄漏的問題。
在實驗過程中出現(xiàn)了另一個問題，當(dāng)柱塞往復(fù)運動達到極限速度每分鐘350沖的時候，右邊空氣面的油封容易攛出，我們在空氣面的油封外放置一個擋板，有效的解決了這個問題。
壓裂泵動力端柱塞密封經(jīng)過改進設(shè)計后，在長慶、華北、大港等油氣田的現(xiàn)場使用，證明效果很理想，動力端的潤滑油不再向外泄漏，使用壽命從原來的2個月左右，提高到了一年以上。
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