泥漿泵活塞偏磨分析

馮曉飛

摘要：泥漿泵是石油鉆井的重要設備之一。活塞是泥漿泵運轉過程中的易損件，是比較容易失效的部件，活塞偏磨是引起其失效的主要原因。活塞偏磨后容易造成缸套拉傷，一旦拉傷嚴重，就需要成套更換，無形中增加了鉆井成本。本文通過對泥漿泵活塞偏磨的原因進行了分析，可以采取預防性措施，提高活塞的使用壽命，從而提高鉆井效率，降低鉆井成本。

關鍵詞：泥漿泵;活塞;缸套;偏磨

中圖分類號：TH31? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）08-0143-02

0? 引言

泥漿泵是石油鉆井必不可少的設備，活塞式泥漿泵在目前鉆井中較為常用，活塞的主要結構有金屬活塞芯和活塞膠皮。泥漿泵運轉時由動力機構驅動曲軸轉動，曲軸通過連桿和十字頭帶動活塞在缸套內往復運動，將泥漿由泥漿罐輸送到井內。在活塞往復運動過程中，活塞膠皮需要起到密封的作用，防止泥漿泄漏，活塞芯支撐活塞膠皮，起到保護的作用。鉆井過程中活塞直接與泥漿接觸，同時受到壓力和摩擦力，且長期往復運動，是鉆井過程中比較容易損壞的零部件。由于泥漿泵使用工況非常復雜，所以引起活塞損壞的原因有很多，活塞偏磨造成的損壞是其中一個原因。活塞偏磨是指活塞在缸套內運動時由于活塞芯部分圓周與缸套內壁接觸，如圖1，造成活塞芯和缸套接觸部分拉傷。

實踐表明，有大量的泥漿泵在使用中出現活塞偏磨導致缸套拉傷的情況，即金屬活塞芯在運動過程中摩擦缸套內孔，在缸套內表面拉出許多條不規則的縱向溝槽。在泥漿泵工作過程中，輕微拉傷時，活塞膠皮依靠其柔韌性，會繼續起到密封作用，不會對鉆井造成影響，但發生嚴重拉傷時，活塞會在缸套內造成很深的溝槽，這些偏磨溝槽反過來會磨損并破壞活塞膠皮，從而導致活塞提前失效，泥漿進入機架和冷卻水箱的問題，同時造成鉆井壓力不穩，此時只能更換損壞的活塞和缸套。因而，有效解決活塞偏磨問題也是提升缸套活塞使用壽命的可行方法。本文主要針對造成活塞偏磨的原因進行分析。

根據泥漿泵的結構分析，引起活塞偏磨的主要原因是活塞與缸套不同心。而引起活塞與缸套不同心的主要原因有泥漿泵裝配調整不達標造成十字頭與缸套不同心，活塞和鎖緊螺母不合格造成活塞與缸套不同心，鉆井現場活塞桿裝配不到位造成活塞與缸套不同心。

1? 泥漿泵裝配調整不達標引起活塞偏磨

十字頭是泥漿泵動力端的重要部件，是將曲軸的旋轉運動轉化為活塞的直線運動的關鍵。活塞通過介桿和活塞桿與十字頭連接為一體運動，泥漿泵運轉時，十字頭往復運動帶動活塞在缸套內運動，如圖2。活塞與十字頭處于同一中心，缸套裝在液缸內固定在機架上，缸套與機架處于同一中心。泥漿泵裝配要求十字頭與機架前墻板孔的同軸度在0.25mm以內時，才能保證液力端裝配后十字頭與缸套的同心度。此時活塞在缸套內進行直線運動，活塞芯不會與缸套內壁發生接觸。當十字頭中心與機架前墻板孔中心偏差超過0.25mm時，活塞會與十字頭偏移方向一致，如果偏差引起活塞芯與缸套接觸，將會引起活塞偏磨或拉傷。所以泥漿泵在調整十字頭與機架同軸度時要確保其一定在合格的范圍內。

2? 活塞和鎖緊螺母原因引起活塞偏磨

活塞本身尺寸和形位公差超差，裝配后將直接影響活塞的運轉情況。如圖3所示，當活塞芯內孔與外圓的同軸度，以及與兩個端面的垂直度超差較大時，活塞裝配在活塞桿上，活塞中心會偏離活塞桿中心。在此情況下，即使十字頭和機架的同心度調整到合格的范圍內，活塞與缸套也不會同心。在此情況下泥漿泵進行運轉，可能會造成活塞偏磨，偏磨嚴重時拉傷缸套，造成泥漿泵無法運轉，必須更換活塞和缸套。所以在活塞芯加工時首先需要以活塞芯內孔中心為基準，加工外圓，保證其同軸度在0.12mm以內，其次加工活塞芯兩個端面需要以內孔軸線為基準加工，保證其垂直度在0.03mm內。按照此工藝加工活塞芯，提高了活塞的制造精度，避免因活塞質量問題造成偏磨。

除了活塞的加工質量不合格會引起活塞偏磨以外，活塞鎖緊螺母的加工質量也直接影響了活塞的裝配質量，當活塞鎖緊螺母端面與螺紋孔垂直度超差較大時，裝配活塞鎖緊螺母后會導致活塞芯徑向跳動超標，出現活塞與活塞桿不同心的問題，從而導致活塞偏磨。

為了查找活塞鎖緊螺母加工質量對活塞偏磨的影響程度，我們進行了一項檢測試驗，使用形位公差超差的鎖緊螺母，將檢驗合格的活塞芯裝配到同樣檢驗合格的活塞桿上，在磨床上以頂尖頂緊活塞桿兩端中心孔，用百分表檢測了活塞芯的徑向跳動和端面跳動（圖4）。發現在活塞螺母不壓緊時活塞芯的徑向跳動和端面跳動均為合格，當活塞螺母按照力矩要求壓緊后，再次檢測發現活塞芯的徑向跳動和端面跳動均發生嚴重超標，且經過多次試驗得出，活塞鎖緊螺母垂直度超差的數值，基本與裝配后活塞芯徑向跳動偏差超標的數值趨于一致。

而使用形位公差合格的鎖緊螺母進行上述試驗時，活塞芯的徑向跳動和端面跳動均未發生變化。

因此，活塞鎖緊螺母端面與螺紋孔垂直度超差較大時，裝配活塞鎖緊螺母后會導致活塞芯徑跳超標，出現活塞與活塞桿不同心的問題。在此情況下，運轉泥漿泵也可能會引起活塞偏磨。所以活塞鎖緊螺母加工時需要控制與活塞接觸的一側端面同螺紋孔中心的垂直度在0.05mm以內，如圖5所示。

3? 活塞桿裝配不到位引起活塞偏磨

當泥漿泵在鉆井現場使用時，經常會根據井況實際要求頻繁更換缸套和活塞，在頻繁的更換后容易造成活塞桿和介桿定位臺階損傷，損傷后的活塞桿和介桿裝配后端面不能完全接觸，卡箍卡緊后，將端面間隙偏差通過剛性連接直接傳遞到缸套活塞之間，可能會使活塞桿偏離缸套中心，導致活塞芯與缸套的間隙不均勻或直接接觸上。泥漿泵運轉后，活塞在缸套內偏離原直線運動，從而可能導致活塞芯在缸套上磨出溝槽，發生活塞偏磨現象。所以在現場更換活塞時一定要檢查活塞桿和介桿定位是否有損傷或夾有雜質，發現問題及時進行處理后再進行裝配，消除引起活塞偏磨的隱患。

4? 結論

總之，由于泥漿泵活塞在現場更換比較頻繁，造成其偏磨的原因很多，這需要我們在實際使用中不斷的進行總結，并做好前期檢查和維護，只有這樣才能減少活塞偏磨，提高鉆井效率。本文只對引起活塞偏磨的部分原因進行了歸納和總結，僅供參考。

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