液压隔膜式计量泵液力端设计与应用.pdf

2 0 1 3年 第 4 2卷 第 1期第 8 6页 石油矿 0 I L FI ELD 场 机 械 E QUI P ME NT 文 章 编 号 1 0 0 1 - 3 4 8 2 2 O 1 3 0 卜0 0 8 6 0 3 液压隔膜式计量泵液力端设计与应用 王珉 ， 杨树 东 杭州大潮石化设备有 限公司， 杭州 3 1 0 0 1 7 摘要 针对液压 隔膜式计量泵非金属膜片在 高压工况下性能不稳定、 容易破 损的问题， 研 制 了一种 带有泵头护膜板结构的隔膜泵液力端， 并对其工作原理和结构特点进行了分析。与原技术对比， 突 破 了非金属膜一般承压在 2 0 MP a以下的界线， 使得膜片的承压能力与使 用寿命 大幅度提 高。在 实际应 用 中取 得 了较好 效益 。 关 键词 计量 泵 ； 液 力端 ； 膜 片 中图分 类号 TE 9 3 4 文献标 识码 B 计量泵属容积泵范筹 ， 因其具备在不 同压力工 况下 ， 可稳定定量地输送介质、 流量可无级调量的特 性 ， 广 泛 应 用 于石 油 化工 、 电力 、 环 保 等行 业 。常 见 计量泵一般分为柱塞式与液压隔膜式 。柱塞式计量 泵优点是结构简单、 工作压力高 ； 其弱点是柱塞与柱 塞密封填料直接与介质接触， 容易造成磨损， 使介质 泄漏 。液压隔膜式计量泵消除了柱塞式计量泵的弊 端 ， 介质 处于 隔膜 与泵头 组成 的封 闭腔 内 ， 实 现 了介 一 “ “““ “ ”””“ “ ” ” ” ” 一“ 于酸化等需要进行井筒封隔的其他工艺 ； 另外 ， 该结 构配合普通钻杆使用也存在较明显优势 ， 因此具有 较广阔的市场应用前景 。 参考文献 [ 1 ] 李宗 田． 连续 油管 技术手 册E K ] ． 北京 石油 工业 出版 社 ， 2 0 0 3 ． E 2 ] 赵 昆． 国外连 续 油管 作业 机 研究 进 展 及 国 内现状 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 2 ， 4 1 2 7 8 8 4 ． E 3 ] 田守增 ， 李根 生． 连续油管水力喷射压裂技术 [ J ] ． 天然 气工业 ， 2 0 0 8 ， 2 8 8 6 卜6 3 ． 1- 4 ] 王福勇， 吴晓东． 水平井连续油管射孑 L 分段压裂工艺 I- J ] ． 大庆石 油地 质与开发 ， 2 0 1 0 ， 2 9 5 1 1 4 1 1 7 ． [ 5 ] R o d v e l t G， T o o t h ma n R， Wi l l i s S ， e t a 1 ． Mu l t i s e a m C o a l S t i mu l a t i on U s i n g Co i l e d Tub i n g Fr a c t ur i n g a n d a U - 质 的零泄漏 口 ] 。 目前 ， 隔膜式计量泵逐渐取代柱塞式计量泵已 成 为发展 的趋 势 。但 是业 内一 般认 为非 金属膜 片适 用于 2 0 MP a以下工况， 成为隔膜泵 向高压工 况发 展的瓶颈 。以某油 田为例 3 j ， 在采气生产过程中， 为 防止井 口和管线发生水合物堵塞现象 ， 采用注入 甲 醇的方法来防止水合物 的生成， 以前榆林南 区使用 国内某高压泵厂生产的 J 3 Y一 3 2 ／ 3 2型高压双柱塞式 -4 -”卜”- - 4 --- 4 -“ “ ‘ ” ■一” 一” - 一” 卜”- 4-” 卜 - 4 “ -““ 一 n i q u e B o t t o mh o l e P a c k e r As s e mb l y [ c] ／ ／O h i o S P E Ea s t e r n Re g i ona l M e e t i ng， 2 00 1 1 0 1 7． [ 6 ] 张丽娟 ， 赵 广民． Y 2 4 1型封 隔器分 压管柱 可靠 性分析 I- j ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 7 2 5 2 8 ． [ 7 ] 刘林 ， 陈和平 ． 水平井分段压裂封隔器研制与封 隔性 能分析 [ J ] ． 石 油矿场机械 ， 2 0 1 2 ， 4 1 5 8 6 8 8 ． [ 8 ] 葛 松． 压 缩 式封 隔 器密 封 胶筒 有 限元 分 析及 改 进 I- J ] ． 石油矿场 机械 ， 2 0 1 1 ， 4 0 1 2 9 2 9 5 ． [ 9 ] J o h n E ． C o i l e d T u b i n g B o t t o m Ho l e As s e mb l y wit h P a c k e r a n d A n c h o r A s s e m b l y US ， 2 0 1 0 ／ 0 1 2 6 7 2 5 A 1 [ P ] ． 2 0 1 0 一 O5 27 ． [ 1 O ] 吴非 ， 黄剑华 ， 罗恩勇 ．锚定式杆式抽油泵 的研 制与 现场应用[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 1 ， 4 0 2 7 3 7 5 ． [ 1 1 ] 张尚君 ， 柴 国兴， 王登庆 ， 等 ．新型压裂 用防砂水 力锚 试验研究[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 1 2 5 4 5 6 ． 收稿 日期 2 0 1 2 0 9 2 8 项 目来源 国家实用新型专利 “ 具有前置式护膜板结构 的液压 隔膜式计量泵” z 1 2 0 O 5 1 O O 6 1 3 6 6 ． O 作 者简介 王珉 1 9 5 7 一 ， 男 ， 浙江杭州人 ， 工程师 ， 主要从事往复泵 的研制与开发 。 第 4 2卷第 1 期 王珉 ， 等 液压隔膜式计量泵液力端设计与应用 计量 泵 向井 口和 站 内 注入 甲醇 。该 泵 泄 漏 量 较 多 ， 泄漏 出 的 甲醇分 散到 空气 中或 流至 地 面给现 场 的管 理带来了极大的不便 ， 对员工身心健康造成危害， 且 存在严重的安全隐患。针对柱塞式泵的弊端 ， 本公 司对液压隔膜式计量泵液力端进行技术创新 ， 使得 隔膜泵 的工作压力达到 4 0 MP a ， 膜片寿命在 1 0 0 0 0 h以上 。 1结构 与工作原理 1 ． 1 结构 J M Z G 型高压 液 压 隔 膜 式 计 量 泵 液 力 端 由柱 塞、 柱塞填料 、 液缸体 、 膜片、 泵头、 泄压放空 阀、 进排 液单 向阀、 泵头护膜板 、 护膜板 弹簧等部件组成 ， 如 图 1所示。隔膜泵头中心部位设置有 圆形沉孔 ， 沉 孑 L 底部设有若干个导流孑 L 与介质通道相连 ， 沉孔 内 动配合装有泵头护膜板与护膜板弹簧。未改进前 的 液 力 端装 置如 图 2所 示 。泵 头 部 位 无 护 膜 板 结 构 ， 介 质 腔 与介质 通 道 是 由多 排 导 流 孔 连 通 ， 膜 片直 接 接 触 导流 孔 ， 容易 导致 膜片 穿孔 破损 。 1 1 l 2 l 3 1 4 1 5 l 6 l 一 柱塞 ； 2 一柱塞填料 ； 3 一液缸体 ； 4 一 液压腔 ； 5 膜片 ； 6 一介 质腔 ； 7 导流孑 L ； 8 一泄压 、 放 空阀 ； 9 一排液单 向阀； 1 0 一 泵头螺栓 ； 1 1 补油阀 ； 1 2 一泵头 护膜 板 ； 1 3 一 护膜板弹簧 ； 1 4 一 隔膜泵头 ； 1 5 一 介质通道 ； 1 6 进 液单 向阀 图 l 创新技术结构简 图 1 ． 2工 作原 理 柱塞往复运动 ， 带动膜片前后挠曲变形。当柱 塞 向左运动时 ， 膜片 向后挠 曲变形 ， 介质腔体 积增 大 ， 产生负压 ， 在负压作用下排液单 向阀关闭， 进液 单向阀开启， 介质经导流孔进入介质腔。当柱塞运 行 至左 止点 时 ， 进液 过程 完成 。柱 塞 向右 运行 时 ， 膜 片向前挠曲变形 ， 介质腔体积减小 ， 产生正压 ， 在正 压的作用下 ， 进液单 向阀关闭 ， 排液单向阀开启 ， 介 质经排液单 向阀排 出。柱塞运行至前止 点时， 排液 过程完成， 如此往复循环， 介质被连续定向输出。 ll l 2 lj l 4 1 柱塞 ； 2 柱塞填料 ； 3 一液缸体 ； 4液压腔 ； 5 一膜片 ； 6 一介质腔 ； 7 一导流孔 ； 8 一泄压 、 放 空阀 ； 9 一排液单 向阀； 1 O 一泵头螺栓 ； 1 1 一补油阀 ； 1 2 一 隔膜泵头 ； 1 3 一介质通道 ； 1 4 一进液单 向阀 图 2 原有技术结构简图 为 保证 隔膜 计 量泵 的计 量 精 度 ， 液 压 腔 内 的液 压油 的容积 必须 保持不变 ， 液压腔 内不存 在空气。 为此液压腔设有泄压放气阀、 补油阀， 放气阀的作用 是将 柱塞 工 作 时带 入液 压 腔 的气体 及 时排 出腔 体Ⅲ 。补油阀的作用是补偿液压腔 内因泄漏而减少 的液压油油量 。当液压腔压力超过规定的允许压力 时 ， 泄压 阀可 迅速 开启 泄压 。 1 ． 3主要技 术 参数 额定 流量 3 8 L ／ h 额定 压力 3 2 MP a 电机功率 2 ． 2 k W 使用 温度 一2 0 ～7 0℃ 计量 精度 ≤ 1 2 创新技术及优化设计 2 ． 1 创新 技 术 采用泵头护膜板结构 ， 使得膜 片承受 4 0 MP a 压力时不受损伤， 膜片使用寿命达到 1 0 0 0 0 h 。 8 8 石 油矿 场机 械 2 0 1 3年 1月 其原理是 泵头 中心部位设置 1个圆形沉孔 ， 沉 孔 底部设 置通 孑 L 与介 质 腔 贯 通 ， 沉 孔 内安 装 泵 头护 膜板。膜片工作时， 护膜板在弹簧的作用下始终托 着膜片一起运动 。吸液过程护膜板开启 ， 排液过程 护膜 板逐 渐关 闭 ， 当介 质 排 净 时 ， 护 膜板 完 全 关 闭 ， 覆盖住沉孔与导流孔 ， 使泵头腔体行成一个光滑连 续的曲面， 膜片依附着该光滑连续的曲面， 在高压工 况下 ， 确保膜片不受损伤。 2 ． 2 优化 设计 1 经过试验， 使膜片 的挠度 比值控制在 3 ～ 4 之间， 即泵头腔体的深度与腔体直径的比值为 3 ～4 9 ／ 6 。挠度 比过小 ， 泵的体积增大， 材料消耗增 加 ； 挠度 比过 大 ， 膜 片易 产 生 不 规则 形 变 ， 对 压 力平 衡 调节 不利 。 2 膜片采 用 聚 四氟 乙烯 塑 料 ， 经过 淬 火 处 理 一 多向轧制一定型特殊处理工艺 ， 使其力学性能达 到 拉 伸 强 度 4 3 ． 2 MP a ； 密 度 2 ． 1 8 k g ／ d m ， 断 裂 标 称应 变 4 0 0 。 3 经过 试 验， 护膜板 与 沉孑 L的侧 隙按表 1 选 取 。 表 1 压力与护膜板侧隙对应数值 3 室 内试 验 3 ． 1试验 设备 及工具 包括计量泵测试平台、 计量筒、 红外线温度测试 仪 、 测速仪 等 。 3 ． 2型 式测 验 试 验介 质 水 ； 试 验 温 度 常 温 。5 0 0 h满 负 荷 连 续运 转测试 ， 动 力 端 运 行平 稳 ， 调 量 灵 活 平稳 ， 介 质无泄漏现象。动力端温度 4 3 lC， 柱塞填料 温度 4 8。C， 计量 精 度 ≤ 。达 到设 计 和现 场 使 用 要求 。 3 ． 3高压运行试验 工作压力 4 0 MP a ， 2 0 0 h连续运行运转试验 ， 泵头无泄漏 ， 膜片无异常形变。 4现场应用及效 果评价 4 ． 1 现场 应 用 中国石油长庆油 田公司第二采气厂榆林 9站使 用 2 J M Z B 3 8 ／ 3 2型 隔膜 泵 ， 额 定 流量 为 3 8 L ／ h ， 额 定 压 力为 3 2 MP a 。运 行情况 是 泵 的压 力可 满足 生 产要 求 ； 泵 的泵体 、 填料 箱 、 电机 温 度 在 运行 中状 况 良好 ； 泵在 运行 及行 程 调 节 中振 动小 ， 运 行 平 稳 ； 泵 在运行 中无 泄漏 ； 泵 的排 量 由流量 表计算 误差 较 小 。 从 隔 膜泵 现 场 运行 情 况来 看 ， 基 本 可 以达 到 运 行指标 ， 运行状况 良好 ， 甲醇无泄漏现象 ； 保证 了气 井平稳 生 产 。 4 ． 2效 果评价 1 绿色环保 。长庆油田公司第二采气厂作业 2区 1 0 0台泵 全 部 改成 隔膜 泵 后 ， 使 泵 房 内 甲醇 泄 漏 情况 得到 彻底解 决 ， 泵在 运行 中几 乎无泄 漏 ， 使 泵 房变得干净整齐 。 2 产生 的经济 效益 是平均 每年 可 以节约 甲醇 1 2 0 m。 ， 约1 3 ． 9万元 。平均每年 因泵稳定工作而 增 加 的产 能 约 为 6 O1 0 r n 。 ， 新 增 经 济 效 益 3 6 万 元 。 5 结 论 1 液压 隔膜 式 计 量 泵 采 用 泵 头 护 膜 板 技 术 后 ， 泵的工作压力可达 4 0 MP a ， 膜片 的使用寿命高 达 1 0 0 0 0 h以上 。 2 扩展了液压隔膜泵的使用范围。 3 维修量大幅减少， 员工的工作强度减轻 ， 节 约 了人 力物 力 。 参考文献 [ 1 ] 全 国化工设备 设计技术 中心站 机泵技术 委员会 ． 工 业 泵选用手册[ K ] ． 北京 化学工业出版社 ， 1 9 9 8 ． 2 ] 关运忠 ，关举忠 ，h 开洋 ， 等． 隔膜泵在低产 油 田集输工 程中的应用[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 4 8 9 9 1 ． [ 3 ] 王晓强 ， 马国华 ， 景军军 ， 等 ， 注醇隔膜泵应用效果评价 [ J ] ． 石油化工应用 ， 2 0 0 7 3 6 0 6 2 ． E 4 3 董 晓娟 ， 权晓惠 ， 荆云海 ， 等 ． 泵 蓄势器联合传 动在 4 O MN挤压机中应用 E J ] ． 重型机械 ， 2 0 1 2 3 1 3 3 1 3 6 ．