石油矿场用高压往复泵柱塞密封结构设计_董怀荣.pdf

2020年第12期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-06-04 基金项目 国家重大专项 “致密油气开发环境保护技术集成及关键装备”（2016ZX05040-005） 及国家重大专项 “致密油藏开发钻井技术优化及集成” （2017ZX05072-003） 部分研究内容。 第一作者简介 董怀荣 （1969-） ， 男 （汉族） ， 江苏盱眙人， 教授级高级工程师， 现从事油田往复泵及钻井液固控系统与环保方向研究工作。 石油矿场用高压往复泵柱塞密封结构设计 董怀荣*， 李宗清， 陈志礼， 李亚伟， 郭振 （中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院， 山东 东营 257000） 摘要 高压往复泵在石油矿场领域应用非常广泛， 影响往复泵可靠性和使用成本的主要因素在于 往复泵易损件的寿命， 其中易损件使用成本较高和劳动强度较大的就是柱塞及其密封盘根。传统往 复泵使用过程中存在密封易失效， 寿命短， 影响了泵的连续工作要求， 并存在一定的环境污染隐患。 为此， 在充分研究分析现有石油矿场用高压往复泵密封结构存在问题的基础上， 提出一种T型骨架 柱塞密封圈及密封结构型式， 采用帘布增强橡胶、 聚四氟乙烯贴层、 高耐磨橡胶等材料与T型骨架采 用高压硫化在一起， 制造工艺简单， 轴向调节压缩不产生压缩变形， 实现自封， 与柱塞接触面积小， 具 有热量产生少、 散热快、 密封可靠、 使用寿命长等优点， 能够满足往复式柱塞泵长时间连续运行的工 作要求， 目前已经在胜利油田得到广泛推广应用。 关键词 往复泵； 柱塞； T型骨架； 密封 中图分类号 TE974.3 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202012-0082-03 由于往复泵的排出压力比较高， 流量大且流量脉 动小， 且能输送各种介质， 如高粘度、 具有腐蚀性、 易 燃、 易爆以及有毒的各种液体， 所以在国民经济中的各 个部门中得到了广泛应用。往复泵在石油矿场领域应 用也非常广泛， 排出压力一般都大于10MPa， 所以一般 都是高压往复泵。它常常用在高压下输送高粘度、 大 密度和高含砂量的液体介质， 而流量相对较小。按照 用途的不同， 石油矿场用往复泵往往被冠以相应名称， 例如 在钻井工程中， 为了携带出井底的岩屑和供给井 底动力钻具的动力， 用于向井底输送和循环钻井液的 往复泵， 称作钻井泵或泥浆泵； 为了固化井壁， 向井底 注入高压水泥的往复泵， 称作固井泵； 为了造成油层的 人工裂缝， 提高原油产量和采收率， 用于向井底注入含 有大量固体颗粒的液体或酸碱液体的往复泵， 称作压 裂固井泵； 在采油过程中， 用于在井内抽汲原油的往复 泵， 称作抽油泵； 在油田二次采油、 三次采油工艺中， 常 常用到往复泵向井底输送水、 聚合物、 粘土胶液等， 也 叫注水泵、 注聚泵、 注粘土胶泵等等。除了额定压力小 于35MPa的钻井泵液力端采用活塞式型式以外， 石油 矿场用往复泵大多数都是柱塞式型式， 额定压力大于 35MPa的钻井泵液力端一般也采用柱塞式型式[1-2]。 随着油气田勘探开发难度和深度的不断增加， 开 采的地层更加复杂， 因而对石油矿场用往复泵提出了 更高的要求， 主要是压力越来越高， 功率越来越大， 要 求易损件寿命更长以确保泵的连续运行， 而制造、 维修 和使用成本要低， 体积和重量不能过大。由于石油矿 场用往复泵的工作条件都十分恶劣， 提高其易损件 （主 要是泵阀、 柱塞和缸套等） 的工作寿命， 就成为往复泵 设计、 制造和选择使用中迫切需要解决的问题。 影响往复泵可靠性和使用成本的主要因素在于往 复泵易损件的寿命， 其中易损件使用成本较高和劳动 力强度较大的就是柱塞及其密封圈。往复泵柱塞及其 密封圈是一对摩擦副， 相互影响和制约， 一般都是密封 圈先于柱塞损坏， 如果密封圈损坏也会导致柱塞使用 寿命急剧下降。 往复泵柱塞及其密封圈是个关键的密封部位， 而 且它是往复式动密封， 技术难度高， 如果柱塞密封不可 靠， 就会从阀腔泄漏大量介质并高压喷射而出， 严重污 染环境和存在较大安全风险， 而且泄漏的介质也可能 会进入泵的动力端而污染润滑油以及对动力端其它各 82 2020年第12期西部探矿工程 部位造成致命的损伤。所以柱塞密封一旦失效必须立 刻停泵更换， 以确保往复泵安全可靠运行[3-4]。 1改进前石油矿场用往复泵柱塞密封结构型式 改进前， 石油矿场用往复泵柱塞密封结构如图1所示， 主要由阀箱、 双头螺柱、 矩形密封圈、 法兰、 柱塞密封盒、 螺 母、 压环、 隔环、 柱塞密封圈、 压套、 背帽及柱塞等组成。 图1改进前石油矿场用往复泵柱塞密封结构 1.阀箱； 2.双头螺柱； 3.矩形密封圈； 4.法兰； 5.柱塞密封盒； 6.螺 母； 7.压环； 8.隔环； 9.柱塞密封圈； 10.压套； 11.背帽； 12柱塞 阀箱和柱塞及其密封总成是往复泵的液力端主要 部件， 在柱塞往复运动下完成泵送流体介质的吸入与排 出过程。首先将压环、 隔环、 一定数量的柱塞密封圈、 压 套、 柱塞按照图1所示依次安装到柱塞密封盒内， 适当拧 紧背帽， 然后通过双头螺柱、 法兰及螺母将其与阀箱牢 固连接在一起， 最后再次拧紧背帽， 使得密封圈变形， 增 大柱塞与盘根密封接触面， 实现柱塞的密封。首次安装 使用密封圈数量根据介质以及泵压确定， 一般数量是 6～7个密封圈， 密封圈组的前端、 末端以及中间都安装 有压环和隔环， 其材料一般采用铜合金或硬度较高的尼 龙， 以保证柱塞密封圈的形状和便于压紧密封。使用过 程中， 如果有密封圈损坏， 可以拧紧背帽再次直接压紧 密封圈， 以保证往复泵尽可能长期运行， 直到完全损坏 无法密封为止， 再按照图1所示进行更换。 在柱塞密封盒与阀箱之间安装有静密封作用的矩 形密封圈， 防止阀箱内高压流体泄漏到外部， 也防止外 部雨水、 粉尘等外部介质进入阀箱内部。 在往复泵柱塞密封结构组件中， 最为关键的是柱 塞密封圈的形状、 材料以及结构型式。目前油田常规 往复泵柱塞密封圈形状有矩形、 V 型和U型断面结构 的， 主要采用橡胶、 夹布橡胶和石棉橡胶材料制成的。 矩型密封圈是靠压紧使其变形实现密封的。U型和V 型断面的密封圈是靠背靠两个组装在一起， 并依靠压 紧压缩实现密封。这三种柱塞密封的缺点是 （1） 柱塞与柱塞密封圈之间的接触面积和摩擦力 大， 降低机械效率。 （2） 柱塞与柱塞密封圈之间过紧易产生高温发热， 降低使用寿命。 （3） 柱塞与桂塞密封圈之间易进入坚硬颗粒， 易产 生磨砺性磨损， 降低柱塞与柱塞密封圈的使用寿命。 现在油田注水泵使用的柱塞密封圈 （盘根） 寿命最多为 300～800h。 如若带有颗粒的液体最多70～80h就损 坏， 直接影响往复泵的连续运行， 导致往复泵的易损件 消耗量大， 使用成本高[5-6]。 2改进后高压往复泵柱塞密封用新型T型密封结构 型式 针对目前使用的往复泵柱塞密封圈摩擦接触面积 大、 容易发热、 影响密封效果与使用寿命等问题， 在分 析现有石油矿场用高压往复泵密封结构存在问题的基 础上， 提出一种T型柱塞密封圈及密封结构型式， 如图 2所示， 主要由阀箱、 双头螺柱、 矩形密封圈、 法兰、 柱塞 密封盒、 螺母、 压环、 隔环、 柱塞T型密封圈、 压套、 背帽 及柱塞等组成。 图2改进后T型骨架柱塞密封结构 1.阀箱； 2.双头螺柱； 3.矩形密封圈； 4.法兰； 5.柱塞密封盒； 6.螺 母； 7.压环； 8.隔环； 9.柱塞密封圈； 10.压套； 11.背帽； 12柱塞 按照图2所示， 将压环、 隔环、 一定数量的柱塞密封 圈、 压套、 柱塞依次安装到柱塞密封盒内， 适当拧紧背 帽， 再将其与阀箱连接在一起。根据泵送介质特性以 及泵压确定T型密封圈的数量， 一般数量是2～3个， 在 T型密封圈的前端和末端安装有压环， 在相邻两个T 型密封圈之间安装有隔环， 其材料一般采用铜合金， 起 到对柱塞的支撑作用。 83 2020年第12期西部探矿工程 与改进前柱塞密封结构相比， 主要是特殊设计的 T型骨架柱塞密封圈的形状， 如图3所示， 主要由帘布 增强橡胶、 T型骨架、 聚四氟乙烯贴层、 高耐磨橡胶采 用高压硫化在一起。 T型骨架采用40Cr或45号钢材料， 使得密封圈被 压紧时不产生轴向变形。T型密封圈的内圈唇部采用 高耐磨橡胶材料， 其厚度为2～6mm， 并与柱塞有一定 的过盈量， 始终紧贴在一起， 坚硬颗粒不易进入， 避免 产生磨砺性磨损， 提高使用寿命， 并使其自然密封。 T型骨架密封圈的内圈两端唇部之间的中间部位加 一层聚四氟乙烯贴层， 其厚度为1～5mm， 宽度为3～ 15mm， 从而达到既不产生过热， 又延长密封的使用寿命。 帘布增强橡胶两端为U型槽， 形成如图3所示的自 密封A腔、 自密封B腔。当往复泵工作时， 在吸入冲程 时， 靠柱塞与T型密封圈之间的过盈 （直径方向0.3～ 1.5mm） 量实现吸入时的自密封； 在排出冲程时， 液体 进入空腔 A、 空腔B中， 当压力升高时， 空腔 A、 空腔B 内的液体压力迫使T型密封圈内圈唇部变形， 增加其 与柱塞之间压力， 实现高压自密封。同时， 空腔 A、 空 腔B内的液体也可起降温作用。往复进行这一过程， 使得密封圈靠液体的压力实现自封， 而在吸入过程中， 不产生较大的摩擦热， 提高使用寿命。 这种T型骨架式柱塞密封结构的优点是 采用T 型骨架结构， 使其不产生压缩变形， 实现自封， 与柱塞 接触面积小， 具有热量产生少、 散热快、 密封可靠、 使用 寿命长等优点， 而且使用数量少。 3现场应用效果 根据胜利油田分公司所属的某采油厂的现有3ZB- 37型三缸单作用往复式注水泵柱塞、 柱塞密封圈以及柱 塞密封盒的尺寸规格， 按照图2、 图3所示专门设计制造 了的替代的T型骨架柱塞密封结构， 自2017年3月17 日先后在56台3ZB-37型注水泵上投入使用。 该泵的主要参数为 功率37kW； 泵速 （冲次） 120～ 150r/min； 柱塞尺寸规格 60mm 和 70mm； 排量 90～ 150m3/d； 泵压0～25MPa。 截止到2020年2月21日， 柱塞平均寿命5826h， 更 换后T型骨架柱塞密封圈平均寿命4021h， 相比于原来 同区块注水泵寿命提高2.2倍， 大大节约了柱塞及其密 封圈的使用成本， 显著降低了工人劳动强度， 提高了注 水泵的连续运行效率。 4结论 （1） T型骨架柱塞密封圈采用帘布增强橡胶、 聚四 氟乙烯贴层、 高耐磨橡胶等材料与T型骨架采用高压 硫化在一起， 制造工艺简单， 批量生产成本较低。 （2） 被压紧时不产生轴向变形， 与柱塞密封接触面 积小， 不产生较大的摩擦热量。 （3） 两端面为U型槽结构设计， 在往复泵的吸入与排 出过程中实现自密封， 而且具有一定的降温、 散热效果。 （4） T型骨架密封圈的内圈唇部与柱塞有一定的过 盈量， 始终紧贴在一起， 坚硬颗粒不易进入， 避免产生磨 砺性磨损， 既可以防止往复泵液力端高压液体泄漏到外 部也可以防止外部雨水、 固相颗粒等进入泵的内部。 （5） 密封效果好， 使用寿命长。投入现场应用后可 以显著降低泵的运行成本， 提高运行效率， 而且可以广 泛推广到其它机械密封领域。 参考文献 [1]贾品元.油田往复泵及其应用[M].北京 中国石化出版社， 2016. 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