柱塞泵柱塞強制潤滑技術研究與效果評價

劉炳峰，陶操

（長慶油田分公司第三采油廠，寧夏 銀川 750006）

1 出現的情況探索

（1）柱塞、盤根損傷失效的原因。現有的柱塞密封方式主要是依靠盤根壓帽壓緊力，擠壓盤根產生塑性變形，因而達到柱塞與盤根環形間隙減小，達到減少盤根漏失的效果。油田注水主要使用柱塞式往復泵進行油田注水作業。油田注水水源又是采出地下深層的地層水，含鹽高，雜質多，特別是摻雜小顆粒物。由于水質的特性，因而，容易造成柱塞的腐蝕和小顆粒物在柱塞和盤根間往返摩擦，使表面拉傷而損壞，致使柱塞密封失效，而需更換盤根和柱塞。同時，柱塞間隙的漏失量沒有標準的計量數據，依據現場的經驗，調整盤根壓帽的松緊度，容易造成過緊使盤根燒壞，檢查調整不及時造成盤根失效而更換。柱塞式往復泵的柱塞密封失效的主要原因為柱塞工作中的散熱不足及調整不及時，致使盤根密封失效；顆粒物在柱塞與盤根間隙造成摩擦拉傷柱塞表面致使柱塞失效。同時，采出地下深層的地層水的水質特性，柱塞與盤根的散熱和潤滑效果下降，使柱塞和盤根腐蝕和磨損加速，維修周期縮短。由于柱塞長期在含鹽高，雜質多，特別是摻雜小顆粒物采出地下深層的地層水水質環境下工作，在柱塞表面上，會經常見到有拉傷和腐蝕的現象。而產生腐蝕的主要原因是柱塞受含鹽高水質的影響，在高壓、往復柱塞運動產生摩擦力的多重作用下，化學腐蝕反應速度加快，造成柱塞產生點狀穴蝕。由于自身的點狀穴蝕，造成柱塞與盤根的動密封面間隙增大，致使盤根漏失量增大；同時，柱塞的點狀穴蝕面與盤根接觸面產生接觸，拉傷盤根，加速了盤根失效速度，致使柱塞、盤根更換周期縮短。

（2）改進主要方法。①改變柱塞與盤根間的工作介質。改變柱塞與盤根間的工作介質，使用潤滑油進入柱塞與盤根間的環形縫隙，阻止泵頭高壓水進入柱塞與盤根間的環形縫隙。由于減少了高壓水進入柱塞與盤根間的環形縫隙，潤滑油的粘度相對水粘度大，在柱塞表面容易形成油膜，隔離了水在柱塞表面的存在，因而，消除了柱塞表面的腐蝕；潤滑油進入柱塞與盤根間的環形縫隙，依據流體力學，流體在環形縫隙的流動為縫隙流動，通常為層流。從而，減小了柱塞與盤根的摩擦，進而可以達到延長柱塞和盤根使用時間的效果。

式中符號：Q——流量，cm3/s；d——柱塞直徑cm；pΔ——壓差，kgf/cm2；δ——縫隙，cm；μ——動力粘度，kgf·s/m2；l——縫隙長度，cm。

式中符號：Q——流量，cm3/s；d——柱塞直徑cm，m；μ——動力粘度，kgf．s/m2；l——縫隙長度，cm。

②改變盤根截面形狀?，F有的柱塞密封采用矩形碳纖維盤根，密封方式主要是依靠盤根壓帽壓緊力，擠壓盤根產生塑性變形，因而達到柱塞與盤根環形間隙減小，達到減少盤根漏失的效果。因此，隨著使用時間的增加，在高壓渦流的作用下，沿著盤根壓帽方向的間隙是由小向大呈楔形增大，這也是盤根使用時間縮短的原因之一。根據目前注水壓力，選用適用往復運動的V形動密封，材料為橡膠件。V形動密封特點是密封性能好，耐壓高。

（3）柱塞式往復泵密封強制潤滑技術設計示意圖如圖1、圖2、圖3。

圖1

圖2 改造前柱塞泵

圖3 改造后柱塞泵

（4）改造后效果。完成安42站5ZB-20/43柱塞泵柱塞強制潤滑改造后，更換柱塞5只，盤根20只。較以前的盤根更換周期通常為7～12天，柱塞更換平均周期為25天，大有延長，降低了故障率和生產成本，提高了注水效率。由于柱塞室與動力端之間只是潤滑油存在，沒有水分進入，隔斷了動力端潤滑油乳化因素，消除了動力端潤滑油乳化現象。減少了潤滑油因乳化造成的失效，減少了生產成本。同期減少潤滑油消耗640公斤。圖4為柱塞泵基本結構圖。

圖4 柱塞泵基本結構圖

2 項目組織管理

（1）成立項目組。成立了以具有豐富現場經驗的技術人員為組員的項目組，實施課題長負責制，共同開展項目。

（2）建立項目管理制度。細化節點管理，定期組織課題組成員開展項目進展匯報與對接，確保研究進度。強化試驗過程監管，嚴格方案編制、審核工作；加強施工組織，確保實施質量。做好技術交流、現場監督及生產現場試驗監督，加強現場試驗資料的錄取工作，為后期效果評價提供可靠依據。

3 成果應用評價及前景

2017年8月3日開始，在胡尖山作業區安42站5ZB-20/43柱塞泵進行柱塞強制潤滑改造，同月5日結束改造工作，柱塞泵投入試運行，到目前為止，運行正常，滿足該泵運行要求。柱塞強制潤滑改造后，在柱塞表面容易形成油膜，隔離了水在柱塞表面的存在，因而，消除了柱塞表面的腐蝕，同時，舊柱塞的表面除了拉傷痕跡以外，表面粗糙度略有提高。安42站月注水11836M3，柱塞強制潤滑裝置月消耗機油33L，符合注水水質含油要求(145mg/l)。

通過柱塞式往復泵密封強制潤滑技術的使用，提高了柱塞與盤根間隙的潤滑效果，由于它們之間油膜的形成，避免了調整盤根造成的柱塞與盤根直接接觸造成的磨損和發熱；同時，通過柱塞的往復運動不斷將潤滑油帶入或帶進柱塞與盤根間隙中，起到輸出熱量和帶入新的潤滑油進入柱塞與盤根間隙中的作用，形成了良好的潤滑工作循環，進而降低了柱塞與盤根的磨損，延長了它們的使用壽命。

通過使用V型密封組件，有效的阻止顆粒物進入柱塞與密封間隙；在高壓液流的推動下，V型密封向邊緣縱向張開，進一步加強了柱塞與密封、函體與密封的效果，阻止了顆粒物對柱塞表面的拉傷。

同時，消除了往復式柱塞泵原有的柱塞室漏失介質地面排放與環境污染，實現了潤滑油循環使用，無環境污染。產生經濟效益：每月節約材料費用0．8萬元，節約潤滑油費用0．25萬元，每年總計節約費用12．6萬元/臺，經濟效益較好，有較好的實用價值和推廣前景。

4 結語

目前，密封強制潤滑技術使用不足半年，應用效果還有待進一步跟蹤分析，下一步通過觀察使用情況，持續驗證該技術的應用效果和可靠性。密封強制潤滑技術使用V形動密封，材料為丁腈膠，價格略高。下一步通過水質監測，尋找出更為廉價，且耐用的材料，降低材料費用和成本。

參考文獻:

[1]機械工程手冊[M]．第六卷,第34篇,液壓傳動，第一章，1982,(9):6-34．

[2]機械工程手冊[M]．第六卷,第34篇,液壓傳動，第五章，1982,(9):34-60．

[3]周昌．高比例生物柴油和二甲醚混合燃料在直噴式柴油機上的試驗研究[D]．太原理工大學，2008．