抽油泵靜態(tài)漏失試驗(yàn)與分析

屈成亮，徐洪軍，邵寶力，王海彪

(吉林化工學(xué)院化工與材料工程學(xué)院，吉林吉林132022)

長期以來，管式抽油泵一直是重要的采油機(jī)械裝置，管式抽油泵中柱塞和泵筒環(huán)隙漏失量以及游動閥和固定閥漏失量直接影響著泵的排量和使用期限，因此漏失量是確定抽油泵等級的重要依據(jù)，也是衡量抽油泵實(shí)際生產(chǎn)率的重要參數(shù)，它對抽油泵的設(shè)計(jì)、性能分析、檢定抽油泵制造質(zhì)量、提高抽油泵效率有重要意義.而通過實(shí)驗(yàn)對抽油泵實(shí)際工作中的動態(tài)漏失量進(jìn)行測量是很難實(shí)現(xiàn)的.因此，本文在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)建立了測柱塞和泵筒環(huán)隙漏失量以及游動閥和固定閥漏失量的實(shí)驗(yàn)裝置，對常規(guī)泵和斜井泵進(jìn)行了靜態(tài)漏失量測試.

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 柱塞

常規(guī)泵柱塞采用的是常見的鋼質(zhì)金屬柱塞結(jié)構(gòu)，斜井泵的柱塞上端采用的是環(huán)式軟密封結(jié)構(gòu)(HPN材質(zhì))，下端仍采用常規(guī)金屬柱塞結(jié)構(gòu)，見圖1.

經(jīng)采用T3806-應(yīng)力儀裝置進(jìn)行半干摩擦力測試，軟密封柱塞泵是一種低摩阻泵，其特征是在柱塞外圓上加工多個(gè)環(huán)槽，增大了柱塞與泵筒的間隙，達(dá)到降低摩阻的目的.軟密封柱塞有一定柔韌性，其密封件具有在壓力作用下能擴(kuò)大直徑和材質(zhì)較軟的特點(diǎn)，取消了硬對硬的滑動摩擦，采用軟-硬摩擦，降低漏失量的同時(shí)也降低了機(jī)械摩阻［1］.斜井柱塞中間裝有軟密封部分與金屬部分的變向接箍，傾斜作業(yè)時(shí)，變向接箍能夠使金屬部分在受力時(shí)產(chǎn)生自然變向，減少柱塞在泵筒內(nèi)的摩擦力.

圖1 環(huán)式軟密封柱塞

1.2 固定閥

常規(guī)泵固定閥閥球材質(zhì)為鋼質(zhì)材料(φ44.46)，無固定閥罩結(jié)構(gòu);斜井泵固定閥球材質(zhì)為白色陶瓷(φ44.46)，改進(jìn)了固定閥罩結(jié)構(gòu)，見圖2～3.

圖2 固定閥剖面

圖3 三維固定閥罩

固定閥罩采用全鋼材質(zhì)，具有導(dǎo)向框架結(jié)構(gòu)，使閥球盡可能維持在軸線上運(yùn)動，閥球重力在軸線方向上的分力增大，利于閥球的及時(shí)開啟與關(guān)閉.同時(shí)也限制了閥球的彈跳高度，限制閥球彈跳高度的面采用錐形平面，與軸向呈60°，有效防止了閥球的偏磨現(xiàn)象.閥罩上增加了平行于軸線方向的導(dǎo)流槽，避免了由于出砂的原因產(chǎn)生的閥卡現(xiàn)象.采用陶瓷材質(zhì)的閥球，減弱了柱塞下行時(shí)球閥與閥座之間的偏擊偏磨作用［2］.

2 實(shí)驗(yàn)研究方案

要想通過實(shí)驗(yàn)對抽油泵實(shí)際工作中的動態(tài)漏失量進(jìn)行測量是很難實(shí)現(xiàn)的，本文只針對抽油泵的靜態(tài)漏失量進(jìn)行測定，設(shè)計(jì)了3種實(shí)驗(yàn)裝置，如圖4～6所示:

圖4 固定閥漏失量測定

圖5 柱塞與泵筒環(huán)隙及游動閥漏失總量測定

圖6 柱塞與泵筒環(huán)隙漏失量測定

為了模擬現(xiàn)場生產(chǎn)工況，選用高壓柱塞泵，分別以0～10 MPa的壓力向泵筒內(nèi)分別注入溫度不同的兩種清水(20℃、60℃).并通過計(jì)量裝置計(jì)量漏失量.

①不加柱塞，只加固定閥，測得固定閥的漏失量;

②不加固定閥，只加柱塞，同時(shí)將柱塞上的游動閥堵死，從而測得柱塞與泵筒之間的漏失量;

③將方案②中的絲堵去除，測得柱塞上的游動閥和柱塞與泵筒之間的總漏失量.那么游動閥的漏失量=總漏失量-柱塞與泵筒之間的漏失量.

實(shí)驗(yàn)步驟

①檢查實(shí)驗(yàn)裝置的密封度，防止高壓液體射出，同時(shí)檢查柱塞泵的循環(huán)管路是否順暢.

②開啟柱塞泵，將泵的出口壓力調(diào)到1 MPa(1～10 MPa十個(gè)點(diǎn)重復(fù)做)，使泵正常工作十分鐘.

③待液體正常排出后，利用計(jì)量裝置來測量漏失量.

④重復(fù)步驟②～③.

⑤關(guān)閉柱塞泵.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 固定閥漏失實(shí)驗(yàn)

利用高壓柱塞泵不斷向泵筒內(nèi)打入清水，泵筒內(nèi)的清水在靜壓力作用下會通過固定閥間隙泄漏到泵筒的外面，進(jìn)而測量漏失量.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，計(jì)量裝置并沒有顯示有漏失清水從泵出口流出，即泵的固定閥不漏失.

3.2 柱塞與泵筒環(huán)隙漏失實(shí)驗(yàn)

圖7 60℃斜井柱塞與常規(guī)柱塞

圖8 20℃傾角斜泵柱塞與常規(guī)柱塞

從圖7～8可以看出，當(dāng)實(shí)驗(yàn)介質(zhì)的溫度達(dá)到60℃時(shí)，相同壓力條件下，斜井柱塞的漏失量要小于常規(guī)柱塞，這是因?yàn)殡S著溫度的升高，斜井泵柱塞中軟密封結(jié)構(gòu)會受熱膨脹，使密封單元與泵筒之間的密封間隙縮小，減小了柱塞和泵筒的環(huán)形間隙，所以漏失量會減小.而常規(guī)泵柱塞隨溫度升高漏失量增大，是因?yàn)闇囟壬?，液體粘度變小.斜井柱塞間隙漏失量與壓力關(guān)系曲線略呈凸形，說明隨著壓力的升高，斜井柱塞由于材質(zhì)不同而發(fā)生膨脹，間隙減小，從而導(dǎo)致漏失量降低;而當(dāng)溫度為常溫狀態(tài)時(shí)，相同壓力條件下，常規(guī)泵柱塞的漏失量小于斜井泵柱塞，對于常規(guī)柱塞，隨著壓力的增加，間隙漏失量也增加，且二者呈線性關(guān)系.

3.3 游動閥漏失實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)介質(zhì)的溫度為常溫的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9～10所示:

圖9 常規(guī)柱塞漏失量與壓力關(guān)系圖

圖10 斜井柱塞漏失量與壓力關(guān)系圖

兩種泵游動閥的漏失量相對總漏失量而言是非常小的，即泵筒與柱塞的環(huán)隙漏失量要遠(yuǎn)大于游動閥靜態(tài)漏失量.

3.4 數(shù)據(jù)誤差分析

柱塞在往復(fù)運(yùn)動的過程中，柱塞的軸線與泵筒的軸線并非完全重合，會產(chǎn)生偏心度，針對不同的偏心度，柱塞與泵筒之間的環(huán)隙漏失量也不相同.目前，對于柱塞與泵筒之間的環(huán)隙流動有三種理論:泵筒與柱塞的軸線平行時(shí)同心漸縮環(huán)隙理論;泵筒與柱塞的軸線平行時(shí)偏心漸縮環(huán)隙理論;泵筒與柱塞的軸線不平行時(shí)偏心漸縮環(huán)隙理論［3-5］，由此產(chǎn)生以下三種公式:

泵筒與柱塞的軸線平行時(shí)同心漸縮環(huán)隙:

泵筒與柱塞的軸線平行時(shí)偏心漸縮環(huán)隙:

在生產(chǎn)實(shí)際當(dāng)中，常用初始間隙值來對環(huán)隙漏失量進(jìn)行計(jì)算.當(dāng)δ1=δ2=δ時(shí)，將實(shí)驗(yàn)所測得的常規(guī)柱塞(φ =38 mm，δ=0.032 mm)環(huán)隙漏失量數(shù)據(jù)與環(huán)隙漏失量公式(1)、(2)、(3)進(jìn)行對比，其中公式(2)取偏心率為0.816 4，結(jié)果如表1所示.

泵筒與柱塞的軸線不平行時(shí)偏心漸縮環(huán)隙:

表1 20℃實(shí)測數(shù)據(jù)與理論對比

從表1中可以看出，泵筒與柱塞軸線平行時(shí)同心環(huán)隙漸縮公式和泵筒與柱塞軸線不平行時(shí)完全偏心環(huán)隙漸縮漏失量公式所得的理論數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)差別較大，相對誤差也較大.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與泵筒與柱塞軸線平行時(shí)的偏心環(huán)隙漸縮公式所得的理論數(shù)據(jù)對比中，發(fā)現(xiàn)偏心率為0.8164的環(huán)隙漸縮公式所得的理論數(shù)據(jù)最接近，相對誤差最小.

4 結(jié) 論

建立了測抽油泵靜態(tài)漏失量實(shí)驗(yàn)裝置，針對兩種抽油泵(常規(guī)泵和斜井泵)進(jìn)行了測試，并通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比分析發(fā)現(xiàn):

(1)常規(guī)泵和斜井泵的固定閥靜態(tài)漏失量為0;游動閥靜態(tài)漏失量非常小;柱塞與泵筒環(huán)間隙靜態(tài)漏失量較大.

(2)斜井泵的漏失量與壓力曲線呈凸?fàn)?，常?guī)泵的漏失量與壓力曲線呈線性關(guān)系;在60℃條件下，斜井泵的漏失量要小于常規(guī)泵的漏失量;在常溫條件下，斜井泵的漏失量要大于常規(guī)泵的漏失量.

(3)常規(guī)泵靜態(tài)漏失量數(shù)據(jù)符合偏心度為0.816 4的泵筒與柱塞軸線平行時(shí)的偏心環(huán)隙漸縮理論公式，且相對誤差較小.

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