油田用注水泵柱塞點蝕分析及柱塞密封結(jié)構(gòu)的改進

王志云 杜艷杰 東營職業(yè)學(xué)院工業(yè)工程系

油田用注水泵柱塞點蝕分析及柱塞密封結(jié)構(gòu)的改進

王志云 杜艷杰 東營職業(yè)學(xué)院工業(yè)工程系

針對油田用3H-8/450型注水泵柱塞中部點蝕的現(xiàn)象進行調(diào)查，獲悉這一現(xiàn)象在各種型號的柱塞泵中具有普遍性；這種故障會導(dǎo)致柱塞密封嚴(yán)重失效，進而造成停泵乃至機器損壞的重大故障。研究確定這一故障的成因是柱塞密封結(jié)構(gòu)不合理，中部彈簧處在壓力波動時產(chǎn)生汽蝕。改進了密封結(jié)構(gòu)并進行現(xiàn)場試驗，效果良好。

注水泵；柱塞；密封；失效；汽蝕高壓柱塞泵在油田注水、輸油等方面應(yīng)用廣泛。尤其3H-8/450型柱塞泵結(jié)構(gòu)簡單，操作維修方便，因此具有很強的市場生命力。但由于注水泵輸送的是油井產(chǎn)液分離污水，加之回注地層壓力很高，泵的工作條件十分惡劣，因此泵柱塞處的動密封經(jīng)常失效。柱塞中部產(chǎn)生點蝕則是一種較為嚴(yán)重的故障，以3H-8/450型柱塞泵為基礎(chǔ)，經(jīng)調(diào)查研究找到了其產(chǎn)生的規(guī)律及原因，通過改進結(jié)構(gòu)并進行現(xiàn)場試驗解決了這一問題。

1 3 H-8/450型泵柱塞的汽蝕

3H-8/450型注水泵柱塞動密封總成結(jié)構(gòu)如圖1所示?？偝芍饕商盍虾?、柱塞、填料、彈簧、彈簧座、導(dǎo)向圈、鉛墊、填料壓蓋、壓帽等組成，該密封結(jié)構(gòu)采用了導(dǎo)向圈和彈簧裝置。

圖1 3H-8/450型泵柱塞動密封總成

在現(xiàn)場調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，許多注水站的柱塞泵，其柱塞中部經(jīng)常產(chǎn)生點蝕，且很頻繁而有規(guī)律，如圖2所示。蝕點位置至柱塞端面的距離在110～120mm之間，發(fā)生點蝕的周期（柱塞壽命）是15～20天。一旦柱塞產(chǎn)生點蝕，會引起嚴(yán)重的刺漏，因而柱塞必須更換。

2 點蝕性質(zhì)的判斷及成因分析

點蝕發(fā)生的原因是很復(fù)雜的。一般在柱塞使用15～20天過程中要更換3次盤根，因而點蝕與柱塞磨損有關(guān)系。由于柱塞的往復(fù)運動，磨損在柱塞工作面上是均等的，因而磨損不是造成局部點蝕的直接原因。假如是腐蝕，腐蝕點形狀、大小及位置應(yīng)是沒有規(guī)律的，顯然這種極有規(guī)律的點蝕也不是腐蝕，現(xiàn)場調(diào)查也沒有發(fā)現(xiàn)柱塞在使用過程中發(fā)生腐蝕的現(xiàn)象。根據(jù)蝕點形貌及位置很有規(guī)律這一特征判斷，蝕點應(yīng)是由一種特殊的現(xiàn)象造成的。根據(jù)柱塞密封結(jié)構(gòu)研究推斷，這種特殊的現(xiàn)象就是汽蝕。它對柱塞、彈簧、彈簧座及導(dǎo)向圈都有影響。實際這些零件都有損毀的。

在柱塞中部發(fā)生的汽蝕與密封腔的組成有關(guān)。密封腔中有盤根，也有彈簧等零件，彈簧附近有相對較大的空間，參見圖1。在彈簧空間中液體的壓力也是變化的，而且更復(fù)雜。在吸入開始時，彈簧空間中液體類似于泵閥一端的剩余高壓液體，能急劇向中部回流，隨著吸入行程增加，缸內(nèi)壓力降低，彈簧空間中液體的壓力也驟然下降，而注水泵輸送的液體的溫度一般在40℃以上，容易汽化，這就給氣泡形成提供了壓力和溫度上的條件。其次，在填料磨損到一定程度時，柱塞與填料函中的其他零件也產(chǎn)生摩擦，致使彈簧裝置零件發(fā)生振動，尤其底部的導(dǎo)向圈和鉛墊更易松動，也給低壓氣泡形成提供了條件[1]。一旦低壓氣泡形成，則在排出行程中被壓縮，溫度和壓力升高。當(dāng)柱塞運行至排出行程的2/3～3/4（約82～95mm）時，加速度達到最大值[2]，缸內(nèi)壓力達到最大，氣泡迅速凝結(jié)而破裂，造成水擊，產(chǎn)生很大的爆破力和高溫，致使金屬局部熔蝕，即汽蝕。此時彈簧中部至柱塞端面距離約110～120 mm，這與實際情況是相符合的?？梢姲l(fā)生汽蝕與兩方面的因素有關(guān)：一是柱塞泵原理所決定的壓力變化，是必然存在的；二是彈簧處的復(fù)雜溶液空間易于造成旋流和壓力變化，是可以調(diào)整的。

3 3H-8/450型泵柱塞密封結(jié)構(gòu)的改進

由上節(jié)分析可知，減小彈簧處溶液空有利于防止汽蝕發(fā)生。通過增大彈簧簧絲直徑可以實現(xiàn)這一目的，但這易導(dǎo)致預(yù)緊力太大，摩擦加劇，縮短填料使用壽命。因而應(yīng)對密封結(jié)構(gòu)作改進。

首先，不論柱塞直徑大小均采用剛度較大的彈簧，簧絲直徑均不小于4mm，彈簧的內(nèi)徑比填料函上的柱塞孔直徑大2mm，以使彈簧支撐可靠，也避免它與柱塞摩擦。

第二，改彈簧座定位為套筒定位。即制作一個帶內(nèi)凸緣的銅質(zhì)套筒，如圖6所示，其內(nèi)徑等于彈簧的外徑，彈簧裝于套筒內(nèi)，帶內(nèi)凸緣的一端頂住填料，使填料受力均勻，彈簧另一端超出套筒一定長度（相當(dāng)于總壓縮量），直接頂在密封腔底部臺階上。密封腔底部臺階面要求不高，稍有磨損不會影響泵的工作，因而也不需要加墊片保護。這樣可保證柱塞與彈簧及填料函上的柱塞孔之間具有近似相等的間隙，減少彈簧部位的溶液空間，從而減少汽蝕發(fā)生的機會。

第三，合理設(shè)計鉛墊位置，去掉易動的薄片導(dǎo)向圈，通過合理設(shè)計使填料壓蓋兼起導(dǎo)向作用，改各零件孔與柱塞間的間隙裝配為小間隙配合，增強導(dǎo)向和密封效果。改進后結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4 結(jié)論與建議

實踐證明彈簧裝置的使用是必要的，它不僅能使盤根的磨損得到及時補償，而且能自動控制填料軸向壓緊力。但密封結(jié)構(gòu)應(yīng)合理，改進的密封結(jié)構(gòu)避免了汽蝕，增加各零件的穩(wěn)定性，現(xiàn)場試驗效果良好。要嚴(yán)格控制各零件的加工質(zhì)量，尤其是柱塞與彈簧的熱處理質(zhì)量；裝配后各零件要穩(wěn)固，不歪斜，填料預(yù)緊力要適當(dāng)。唯此才能降低故障率，延長密封結(jié)構(gòu)的使用壽命。

[1]錢錫俊,陳弘.泵與壓縮機[M].東營:中國石油大學(xué)出版社.2007:43-45

[2]黃錫愷,鄭文緯.機械原理[M].北京:人民教育出版社.1981:62-65

[3]元和平,劉長儒.油田設(shè)備使用管理手冊[M].東營:石油大學(xué)出版社.2001:307-308

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.08.107

王志云，副教授，生于1964年，1988年畢業(yè)于浙江工業(yè)大學(xué)機械制造工藝及設(shè)備專業(yè)，現(xiàn)從事石油礦場機械及制造方面的研究與教學(xué)工作。山東省東營市東營區(qū)黃河路東營職業(yè)學(xué)院。