一種新型密封結構在螺桿泵地面驅動裝置上的應用研究

史萬蘋

（大慶油田力神泵業(yè)有限公司，黑龍江大慶163311）

0 引言

地面驅動裝置是螺桿泵采油系統(tǒng)的動力源，其應用性能的好壞直接影響螺桿泵采油技術的現(xiàn)場應用。光桿動密封系統(tǒng)是螺桿泵采油配套技術中的重要組成部分，它的安全性和可靠性直接影響螺桿泵采油技術的現(xiàn)場應用［1］。

地面驅動裝置光桿動密封已經(jīng)經(jīng)歷光桿盤根盒式填料密封結構，下置機械密封式結構，雙保險機械密封結構和上置式機械密封結構四個階段。盤根密封型式雖然結構簡單，成本低，易于加工和設計，但經(jīng)常發(fā)生泄漏，需要經(jīng)常更換盤根，而且盤根對光桿的磨損非常大，下置機械密封結構和雙保險機械密封結構雖然減少了盤根密封頻繁泄漏的情況，但一旦機械密封損壞，更換機械密封需要將整個驅動裝置吊起，更換成本大，也不便于現(xiàn)場操作［2］。目前光桿動密封系統(tǒng)采用上置雙級機械密封結構。但機械密封對安裝、檢驗、裝配等要求較高，不便于現(xiàn)場安裝操作，而且運行期間的壓力波動也對機械密封的使用壽命產生很大影響。目前機械密封泄漏已成為螺桿泵采油機組故障的主要原因之一。為了使螺桿泵采油滿足油田生產無滲漏、無污染、低成本、易維護的要求，本文創(chuàng)新性地采用新型密封結構（以下簡稱復合密封）實現(xiàn)光桿動密封，減少保修期內機械密封泄漏隱患，保證油田生產順利進行。

1 光桿動密封基本結構及工作原理

目前螺桿泵采油動密封系統(tǒng)均采用光桿密封結構形式，對流經(jīng)地面驅動裝置進入輸油管線的井液進行密封，防止其滲漏到外部環(huán)境中。復合密封采用滑動密封型式，主要由O型圈、滑動密封總成、密封壓蓋和密封殼體等部分組成。密封總成安裝在減速箱空心主軸與隔離套間的環(huán)形空間內（如圖1所示），使用時作為總成件使用，通過鎖緊裝置實現(xiàn)軸向和徑向定位。驅動裝置正常運轉時下支撐套帶動復合密封外殼體旋轉，對進入驅動裝置的井液進行密封。

圖1 復合密封安裝示意圖

復合密封關鍵部件是滑動密封總成，由滑動密封環(huán)和O型圈組成。滑動密封環(huán)主要成分是聚四氟乙烯，為了進一步改善密封性能，聚四氟乙烯中加入青銅或石墨等添加劑，增加耐磨性和表面硬度，改善熱傳導性和遇熱尺寸穩(wěn)定性。安裝時O型圈有個預壓縮量使密封環(huán)緊密貼合在被密封軸套表面實現(xiàn)密封。當驅動裝置正常工作時，介質壓力作用在O型圈上，O型圈變形增大，從而密封環(huán)與被密封表面貼合更緊，增強密封效果。由于密封環(huán)與金屬的摩擦因數(shù)遠遠小于O型圈與金屬的摩擦因數(shù)，因此這種裝置產生的摩擦力比O型圈密封產生的摩擦力小得多［3］。

2 技術參數(shù)及特點

復合密封承壓0～7 MPa，高壓力時密封性能更好，適應井溫0～150℃，摩擦阻力低，與金屬無黏著性。采用該密封結構的螺桿泵驅動裝置結構簡單，整個密封裝置安裝在主軸和隔離套間的空腔內，整體密封結構尺寸小，占用空間較小，隔離套外柱面可以采用噴涂陶瓷或鍍硬鉻方式增強表面抗磨損性能，提高復合密封使用壽命。復合密封作為總成件使用，對安裝精度和使用環(huán)境要求較機械密封低，便于現(xiàn)場安裝和更換，適應范圍廣。

3 復合密封產生的軸功率損失及溫升計算

復合密封屬于彈性密封的一種，在實現(xiàn)密封同時，密封圈與被密封軸套外表面產生摩擦生熱造成功率損失，而產生熱量的多少直接影響復合密封的使用壽命。因此對復合密封由于摩擦生熱造成的驅動裝置溫升情況進行計算很有必要。

3.1 密封圈產生的軸功率損失計算

假設：1）O型圈由于預緊力和工作壓力產生的對密封軸套表面壓力具有疊加性；2）O型圈材料遵循廣義虎克定律，根據(jù)參考文獻［3］中提供的計算方法，復合密封處于工作狀態(tài)時密封環(huán)對密封軸套表面的摩擦阻力計算公式為

式中：F為摩擦阻力，N；ε0為O型圈預壓縮力；E0為O型圈材料的彈性模量，Pa；μ為密封圈材料的泊松系數(shù)；μ0為O型圈材料的泊松系數(shù)；P1為復合密封工作壓力，Pa；α為O型圈拉伸變形率；E為密封環(huán)材料彈性模量；Δt為密封環(huán)厚度，mm；B為密封環(huán)寬度，mm；d為密封圈外徑，mm；f為密封圈材料摩擦因數(shù)；N為復合密封內密封環(huán)個數(shù)。

則復合密封產生的功率損失為

式中：ω=2πn/60；P 為功率，W；n為光桿轉速，r/min；r為光桿半徑，mm；μ0=0.47；E0=7800 Pa；μ=0.4；E=1.2×106Pa；ε0=10%；α=1%；Δt=0.75 mm；d=77 mm；B=6.5mm；f=0.03；N=2；r=14 mm。目前油田螺桿泵機組常用轉速為100 r/min左右，井口回壓1500 Pa，因此取 n=100 r/min，P1=1000 Pa。由此計算28mm光桿，在壓力為1500Pa、轉速為100r/min工況下復合密封產生的軸功率損失為1.68 W。

3.2 密封結構處油品溫升計算

假設驅動裝置與外界無熱量交換，則由密封圈摩擦阻力產生的功率全部轉化為熱能，根據(jù)參考文獻［4］對螺桿泵地面驅動裝置溫升測試的要求，設2 h內由于摩擦阻力產生的溫升為Δt，則

式中：Q為熱量，J；t為時間，s；c為電機油比熱，J/（kg·℃）；ρ為比重，kg/m3；v為油腔體積，m3；Δt為電機油溫升，℃。

將Q=1.2×104J、t=7200 s、c=2×103J/（kg·℃）、ρ=0.9×103kg/m3、v=3.25×10-4m3代入式（3），經(jīng)計算可得由摩擦阻力產生的溫升為20.17℃，符合標準中的溫升小于45℃要求。

4 密封結構處溫升試驗分析

將復合密封樣機安裝于螺桿泵地面驅動裝置檢測平臺上，采用變頻控制柜，調節(jié)驅動裝置轉速，通過調節(jié)壓力開關控制管線壓力。在室溫15℃，轉速150 r/min，管線壓力分別控制在1 MPa、2 MPa、3 MPa和4 MPa條件下運轉驅動裝置2 h，采用紅外線測溫儀測量驅動裝置密封處外表面溫度值，測得密封結構處溫升變化曲線如圖2所示，從曲線圖可以看出，溫升隨壓力增大呈明顯增大趨勢。

圖2 溫升隨壓力變化曲線圖

在室溫15℃，管線壓力1 MPa，調節(jié)驅動裝置轉速分別為80 r/min、100 r/min、120 r/min和150 r/min條件下運轉驅動裝置2 h，采用紅外線測溫儀測量驅動裝置密封處外表面溫度值，測得密封結構處溫升變化曲線如圖3所示，從曲線圖可以看出，溫升隨轉速增大呈明顯增大趨勢。

圖3 溫升隨轉速變化曲線圖

目前油田螺桿泵轉速為80～100 r/min范圍內，井口回壓為1 MPa左右，而實驗測得的該條件下的實際溫升小于8℃，遠小于國標中規(guī)定的溫升45℃數(shù)值，所以采用復合密封實現(xiàn)螺桿泵地面驅動裝置光桿動密封，在保證驅動裝置承壓能力同時不會造成驅動裝置溫升過高問題。

5 現(xiàn)場應用情況

截至2014年2月20日，這種新型密封結構已經(jīng)在大慶油田和乍得油田Ronier區(qū)塊和Mimosa區(qū)塊成功應用40余口井，現(xiàn)場應用取得了較好的應用效果，最長無故障運轉時間已超過700 d。

［1］ 韓修廷，王秀玲.螺桿泵采油原理及應用［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，1998.

［2］ 鄭學成.螺桿泵地面驅動裝置機械密封系統(tǒng)研制［J］.石油機械，2004，33（6）：102-103.

［3］ 李永德.對組合式密封裝置引起的摩擦力的計算［J］.油氣儲運，1994，3（13）：39-42.

［4］ GB/T21411.2-2009石油天然氣工業(yè)井下設備人工舉升用螺桿泵系統(tǒng)第二部分：地面驅動裝置［S］.