壓裂泵是一種三缸單作用臥式柱塞泵，是油田進(jìn)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(zhǎng)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(dòng)力端密封泄漏成為了制約生產(chǎn)的一個(gè)重要的問題。
在實(shí)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(dòng)力端密封泄漏會(huì)直接影響其動(dòng)力傳輸，影響液力端的正常工作，同時(shí)也增加了生產(chǎn)成本及人工的消耗。
近年來(lái)，有關(guān)專家對(duì)壓裂泵液力端的密封性能進(jìn)行了多方面的研究，但是對(duì)動(dòng)力端的密封性能研究還很少。由中成機(jī)械制造公司制造的ZC- 3ZB105-1100型壓裂泵，在使用初期其動(dòng)力端柱塞密封的密封效果良好，但是經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行后就會(huì)出現(xiàn)泄漏，這成為應(yīng)用中的一大困擾。為此，中成機(jī)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(dòng)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(dòng)力端有獨(dú)立的潤(rùn)滑系統(tǒng)。壓裂泵動(dòng)力端柱塞密封泄漏會(huì)造成嚴(yán)重后果，首先潤(rùn)滑油的泄漏會(huì)造成環(huán)境污染，其次油箱內(nèi)由于泄漏造成潤(rùn)滑油不足會(huì)引起爆缸，造成設(shè)備損壞。針對(duì)ZC-3ZB105-1100型壓裂泵動(dòng)力端柱塞密封出現(xiàn)的問題，經(jīng)過反復(fù)分析和實(shí)驗(yàn)，我們認(rèn)為致使壓裂泵動(dòng)力端柱塞密封失效主要有以下幾個(gè)原因。
柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度 柱塞是壓裂泵的主要易損件之一。壓裂泵動(dòng)力端主要是由曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，給液力端提供動(dòng)力。
當(dāng)柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度在每分鐘100沖～350沖之間，當(dāng)其往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到每分鐘350沖的時(shí)候，柱塞表面與油封密封唇間會(huì)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(duì)柱塞的徑向抱緊力而產(chǎn)生泄漏。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為往復(fù)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，曲軸要與柱塞頭保持同一水平面上，當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度加快的時(shí)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(duì)密封圈材質(zhì)的選擇。朱維兵等對(duì)密封圈失效的原因進(jìn)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(zhǎng)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(yùn)動(dòng)的時(shí)候會(huì)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(gè)密封唇板簧結(jié)構(gòu)，即在金屬凹槽中安裝一個(gè)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(dòng)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(huì)出現(xiàn)泄漏問題，實(shí)際應(yīng)用證明這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠完善。筆者經(jīng)過反復(fù)的分析研究，在柱塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，左邊的密封唇將軸上的潤(rùn)滑油刮掉，使油流回油箱，但會(huì)有刮不干凈的情況，右邊的密封唇在這種情況下會(huì)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(gè)密閉空間中越積越多達(dá)到其空間容量的極限時(shí)就會(huì)向兩邊溢出，出現(xiàn)泄漏問題。
壓裂泵動(dòng)力端柱塞密封的改進(jìn)
通過上面的分析，我們知道了泄漏的主要原因是：一、運(yùn)動(dòng)速度很高的情況下，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為往復(fù)運(yùn)動(dòng)的時(shí)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(shí)際應(yīng)用的溫度條件;三、密封圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上不太合理。針對(duì)其泄漏原因，我們對(duì)壓裂泵動(dòng)力端柱塞密封從以下兩個(gè)方面進(jìn)行了改進(jìn)。
材料選用 由于丁腈橡膠(NBR)的性能不能滿足實(shí)際工況，因此我們選用性能更好的氟橡膠來(lái)作為唇口材料，氟橡膠可以在-10℃～280℃之間長(zhǎng)時(shí)間工作，其最高使用溫度可以達(dá)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(jìn)行到極限沖刺速度時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(shí)際工作的需要，因此我們經(jīng)過反復(fù)研究，對(duì)原有密封件在結(jié)構(gòu)上做了改進(jìn)。原密封件采用單個(gè)的外骨架雙唇密封圈，改進(jìn)后采用裝配盒式密封系統(tǒng)，為了防止高速運(yùn)動(dòng)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(diǎn)左邊是油面，放一個(gè)單唇的油封;B點(diǎn)右邊是空氣面，對(duì)應(yīng)的也放一個(gè)相同的油封，兩個(gè)油封中間放置一個(gè)回油環(huán)，在這個(gè)回油環(huán)上均勻的打上小孔。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于，將油封的高度提高增加兩唇間的空間，在拉桿運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，一方面會(huì)在一定程度上起到降溫的作用;另一方面，當(dāng)拉桿從A點(diǎn)到B點(diǎn)做運(yùn)動(dòng)的時(shí)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(diǎn)向右運(yùn)動(dòng)，在A點(diǎn)留下的油會(huì)被B點(diǎn)的密封唇刮完，而這些油將會(huì)暫時(shí)儲(chǔ)存在兩唇之間的空腔內(nèi)，當(dāng)油在這個(gè)空腔內(nèi)積到一定的程度后，油就會(huì)通過小孔R(shí)沿著虛線箭頭所指的方向從C點(diǎn)回流到油箱中，這樣就解決了箱內(nèi)潤(rùn)滑油泄漏的問題。
在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)了另一個(gè)問題，當(dāng)柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)達(dá)到極限速度每分鐘350沖的時(shí)候，右邊空氣面的油封容易攛出，我們?cè)诳諝饷娴挠头馔夥胖靡粋�(gè)擋板，有效的解決了這個(gè)問題。
壓裂泵動(dòng)力端柱塞密封經(jīng)過改進(jìn)設(shè)計(jì)后，在長(zhǎng)慶、華北、大港等油氣田的現(xiàn)場(chǎng)使用，證明效果很理想，動(dòng)力端的潤(rùn)滑油不再向外泄漏，使用壽命從原來(lái)的2個(gè)月左右，提高到了一年以上。
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