螺桿泵密封性能影響因素分析

于曉燕

（大慶油田力神泵業(yè)有限公司，黑龍江大慶 163000）

0 引言

隨著采油技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，螺桿泵因?yàn)檎加玫拿娣e較少，運(yùn)行噪音小以及節(jié)能等方面的優(yōu)勢，已經(jīng)成為國內(nèi)很多油田采用的重要人工舉升設(shè)備之一。該設(shè)備造價(jià)不高而且具備很好的節(jié)能效果，可以為油田企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。可是當(dāng)前的螺桿泵采油技術(shù)只能開采深度不大于2000 m 的油氣井，其具備的優(yōu)勢還沒有完全發(fā)揮出來。如果把螺桿泵的舉升能力進(jìn)一步提高是當(dāng)前需要解決的關(guān)鍵問題，而螺桿泵具備的密封性能直接決定著其舉升能力，所以，從過盈量、螺桿泵橡膠硬度以及泊松比3 個(gè)方面展開探討。

1 螺桿泵密封性能分析模型的組建

1.1 幾何分析模型的建立

常規(guī)螺桿泵和等壁厚螺桿泵都是由橡膠材料的定子內(nèi)襯和剛性的金屬轉(zhuǎn)子，多采用丁腈橡膠作為加工定子內(nèi)襯的材料。定子之外的鋼套與橡膠內(nèi)襯進(jìn)行比較來看，兩者間的彈性模量差距很大，可是產(chǎn)生的變形卻很小，為了把模型進(jìn)行簡化處理，可以把定子外部的鋼套去除掉，而把位移進(jìn)行限制的施加到橡膠內(nèi)襯的外部。同時(shí)，螺桿泵的組成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)螺桿泵幾何模型進(jìn)行分析時(shí)，可以把定、轉(zhuǎn)子應(yīng)用平面應(yīng)力數(shù)學(xué)模開進(jìn)來取代三維模型，從提升分析和求解的效高。下面以GLB500-14 型號(hào)的螺桿泵作為實(shí)例，建立數(shù)學(xué)模型。

1.2 計(jì)算模型的建立

把經(jīng)過簡化處理之后的幾何模型來組建有限無分析模型，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化的區(qū)分。螺桿泵轉(zhuǎn)子材料為鋼，具備的強(qiáng)性模量為211 GPa，泊松比數(shù)值為0.26，螺桿泵內(nèi)部的定子橡膠和轉(zhuǎn)子相互間存在接觸的問題，對(duì)初始接觸情況進(jìn)行確定是實(shí)現(xiàn)過盈量接觸分析的關(guān)鍵，如果初始接觸情況確定的不正確，會(huì)引起計(jì)算數(shù)值的不準(zhǔn)確。過盈量會(huì)對(duì)螺桿泵接觸情況分析和研究形成很大的影響，有的科研人員把2 個(gè)需要接觸的構(gòu)件幾何位置設(shè)定一定數(shù)值的過盈量，利用過盈量來對(duì)配合情況進(jìn)行仿值，這種分析方法是不正確的。幾何理論上的過盈量不可以等同于劃分網(wǎng)格之后有限無數(shù)學(xué)模型的具體過盈量。

在進(jìn)行有限元分析時(shí)，不但要充分考慮到兩個(gè)接觸部件的最初位置引起的最初侵入量，還應(yīng)該關(guān)注CNOF（將接觸對(duì)上接觸面上的節(jié)點(diǎn)朝目標(biāo)面移動(dòng)所設(shè)定的距離）接觸參數(shù)產(chǎn)生的偏移情況。也就是2 個(gè)接觸部件的最初接觸情況是從CNOF 最初的侵入量共同影響下而產(chǎn)生的。這種情況下，2 個(gè)接觸部位的最初幾何位置對(duì)于最初的接觸情況會(huì)產(chǎn)生一定影響，會(huì)對(duì)精準(zhǔn)確定螺泵體的內(nèi)部的過盈量沒有幫助。

2 螺桿泵密封性能影響因素分析

2.1 過盈量對(duì)于密封性能的影響

螺桿泵的過盈量也就是內(nèi)部金屬材料的轉(zhuǎn)子與橡膠內(nèi)襯相互間的過盈量配合間隙的尺寸，該尺寸是否合理決定著螺桿泵橡膠定子和金屬轉(zhuǎn)子之間的過盈量情況。只有合理的過盈量數(shù)值才能使密閉的泵體腔室相互間密封及單級(jí)承壓性能，所以，對(duì)于螺桿泵具備的性能有著直接的影響。如果螺桿泵級(jí)數(shù)保持不變，過盈量會(huì)決定著定、轉(zhuǎn)子相互間的密閉腔體承壓，從而對(duì)舉升性能產(chǎn)生很大影響，如果過盈量變大，那么定轉(zhuǎn)子相互間的密封能力就會(huì)提升，舉升壓力則會(huì)相應(yīng)提高。

常用螺桿泵舉升設(shè)備在不同過盈量具備的特性曲線中可以得知，在螺桿泵容積效率超過50%條件下，才具有實(shí)際的分析價(jià)值，在過盈量為0.3 mm 時(shí)，螺桿泵的容許壓力可以達(dá)到10.5 MPa。如果過盈量為0.4 mm，那行螺桿泵容許的壓力為12 MPa。而從GLB500-14 型的螺桿泵中特性數(shù)量可知，如果內(nèi)子橡膠具備的彈性模量達(dá)到4 MPa，泊松比值則為0.5。有的科研人員對(duì)于最高接觸壓力情況對(duì)于螺桿泵體的密封圈性能的影響方面作了深入的分析和研究，把最高接觸壓力來對(duì)密封能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以得到過盈量對(duì)螺桿泵體可以達(dá)到的舉升能力的影響。

（1）如果最高接觸壓力和螺桿泵密封腔體內(nèi)部壓力相互間呈現(xiàn)出反向關(guān)系，會(huì)跟著密封腔體內(nèi)的壓力數(shù)值的變大，橡膠定子和金屬轉(zhuǎn)子之間的最高接觸壓力會(huì)減少。

（2）同樣的密封腔體壓力，會(huì)跟著螺桿泵定子橡膠內(nèi)襯和金屬轉(zhuǎn)子之間的過盈量提升，最高接觸壓力變大。

（3）如果過盈量數(shù)值變大，那行橡膠定子和金屬轉(zhuǎn)子相互間擠壓能力就會(huì)變強(qiáng)，形成的接觸壓力也會(huì)進(jìn)一步提長，螺桿泵具備的密封能力就越強(qiáng)。所以，如果別的性能參數(shù)保持不變，應(yīng)用較大的過盈量會(huì)使螺桿泵具備的密封能力提長，從而進(jìn)一步提高螺桿泵的舉升性能。

2.2 橡膠材料硬度對(duì)密封性能產(chǎn)生的影響

橡膠材料具備的硬度是用來衡量抵抗變形的性能。而彈性模量是來反應(yīng)材料彈性變形能力強(qiáng)弱參數(shù)，具備的彈性模量越大，則表明越難產(chǎn)生彈性變形。可以用于體現(xiàn)原子相互間結(jié)合力的物理量，和成分沒有任何關(guān)系。硬度是指在產(chǎn)生塑性變形狀況下進(jìn)行測量而得到的，和組織有著直接的關(guān)系。彈性模量和硬度之間存在著一定的聯(lián)系，從大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，一般認(rèn)識(shí)彈性變形會(huì)跟著硬度的變大而提升。國外的學(xué)者認(rèn)為，橡膠材料在小變形的情況下可對(duì)材料進(jìn)行簡化處理，即E=。其中，E 為彈性模量，HA是邵氏硬度數(shù)值。以上述研究作為前提，將邵氏硬度值取為56、75 然后轉(zhuǎn)化為彈性模型進(jìn)行研究。對(duì)螺桿泵截面的上、下不同腔室施加相同的壓力，過盈量為0.2 mm，泊松比為0.5。上、下2 個(gè)腔室從0 MPa 不斷加壓，不同壓力條件下的最高接觸壓力為：①螺桿泵定子橡膠內(nèi)襯最高接觸壓力會(huì)跟著壓力的變大而減少，改變的趨勢不變；②橡膠內(nèi)襯材料的硬度值高，最高接觸壓力曲線位置則就會(huì)越往上，具備的密封能力就越高。硬度值小，最高接觸壓力曲線位置則就向下，可以達(dá)到的密封性能就變差；③定子橡膠具備的硬度值高，則不易產(chǎn)生變，同樣的泵體腔室內(nèi)部的壓力條件下變形量就更少，最高接觸壓力減小程度則越低，螺桿泵密封特性就比較強(qiáng)。所以，選取硬度值高的定子橡膠材料來作為內(nèi)襯，就可以更好地提升泵體的密封能力。

2.3 泊松比對(duì)于密封性能產(chǎn)生的影響

一般情況下，對(duì)橡膠材料加工而成的構(gòu)件進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)，都可以把其作為不可壓縮或類似不可壓縮的的材料。如果嚴(yán)格進(jìn)行要求，那么橡膠構(gòu)件就是類似不可壓縮材料，具備的較小壓縮性能對(duì)于力學(xué)特性方面的影響應(yīng)該給予考慮。下面把橡膠定子內(nèi)襯變形當(dāng)作新彈性進(jìn)行處理，研究橡膠的泊松比對(duì)螺桿泵具備的密封能力影響。

油田通常采用的螺桿泵過盈量為0.3 mm，彈性模量為4 MPa。壓差以及泊松比數(shù)值不同時(shí)，最高的接觸壓力數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析，同時(shí)與等壁厚螺桿泵進(jìn)行對(duì)比分析，可以得知：①在特定區(qū)間內(nèi)，密封腔體內(nèi)部的壓差變大，臨界的接觸壓力就會(huì)變高；②內(nèi)部的密封腔體壓力變大，其臨界的接觸壓力就會(huì)變小；③泊松比和最大接觸壓力呈現(xiàn)出正比例關(guān)系，泊松比數(shù)值高，螺桿泵橡膠內(nèi)襯接觸壓力就會(huì)變高，具備的密封能力就越好；④在同樣的情況下，數(shù)值不同的泊松比不會(huì)對(duì)最高接觸壓力初值產(chǎn)生影響，但會(huì)對(duì)斜率值產(chǎn)生影響；⑤泊松比數(shù)值越小，橡膠材料最高接觸壓力會(huì)跟著壓力差的變大呈現(xiàn)出上漲緩慢的趨勢（橡膠材料最高接觸壓力會(huì)跟著壓力差變大而減少得更快，可以表明橡膠材料如果易被壓縮，則密封特性就會(huì)變差）；⑥泊松比與螺桿泵和等壁厚螺桿泵對(duì)于密封能力關(guān)系，同樣情況下螺桿泵的數(shù)據(jù)曲線會(huì)減少的更快，如果接觸壓力變小，它的密封能力就會(huì)變?nèi)酰憩F(xiàn)為等壁厚要比螺桿泵具有更好的密封特性。

3 結(jié)論和建議

（1）如果螺桿泵的過盈量較大，那么橡膠定子會(huì)和金屬轉(zhuǎn)子相互間的擠壓能力變強(qiáng)，形成的接觸壓力就會(huì)提高，泵體具備的密封能力就會(huì)越高。所以，不對(duì)其他性能參數(shù)進(jìn)行改變的條件下，可以選取過盈量較高的螺桿泵，可以有效提高泵體的密封能力，實(shí)現(xiàn)更高的舉升壓力，但這樣會(huì)減小機(jī)械效率。

（2）泵體內(nèi)部的壓力會(huì)讓定子橡膠材料產(chǎn)生體積壓縮，形成的接觸壓力會(huì)變小、引起漏失問題。定子橡膠材料具備的硬度條件越大，可以承受的彈性變形的能力就會(huì)提高，泵體具備的密封能力就會(huì)更好，可是提升定子橡膠的硬度必須要保證螺桿泵的加工制造精度滿足更高的要求。

（3）質(zhì)量不好的定子橡膠材料可以產(chǎn)生更大的壓縮變形，泵體內(nèi)部施加一定的壓力會(huì)產(chǎn)生壓縮而發(fā)生漏失現(xiàn)象。在同樣的情況下，泊松比數(shù)值越高，泵體的密封能力就越好。