壓裂泵動(dòng)力端潤(rùn)滑系統(tǒng)技術(shù)要求研究

呂月志 （中石化勝利石油工程有限公司井下作業(yè)公司，山東 東營(yíng)257077）

壓裂泵是一種往復(fù)、容積式、單作用、臥式三缸柱塞泵?？梢赃x擇不同規(guī)格的柱塞以滿足用戶對(duì)不同壓力和排量的要求；可以滿足油田間歇性油井作業(yè)，如酸化、壓裂和壓井等，主要用于油田大型壓裂施工作業(yè)。柱塞泵由動(dòng)力端、液力端和行星輪減速箱組成；用戶可選用不同規(guī)格的柱塞以及相應(yīng)盤(pán)根總成或者液力端總成來(lái)進(jìn)行不同工作性能參數(shù)的配置。動(dòng)力端總成主要由曲軸箱體、曲軸總成、十字頭箱體以及連桿十字頭總成等組成。動(dòng)力端潤(rùn)滑采用壓力強(qiáng)制潤(rùn)滑，必須提供一個(gè)合理可靠的外部潤(rùn)滑系統(tǒng)，才能保證柱塞泵具有最佳工作性能和最長(zhǎng)使用壽命［1］。為了使柱塞泵正常工作，對(duì)其動(dòng)力端潤(rùn)滑系統(tǒng)提出了嚴(yán)格的技術(shù)要求。

1 動(dòng)力端總成潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

1.1 油箱

①最小容量必須為568L；②吸入管出口最小尺寸應(yīng)為3in（1in＝25.4mm），盡可能深地安裝；③吸入管出口和回油管入口應(yīng)盡可能遠(yuǎn)的隔開(kāi)；④排出管的回流接頭的最小尺寸應(yīng)為3in，安全閥管線的回流接頭最小尺寸應(yīng)為1in；⑤極力推薦在3in回油管口附近安裝1個(gè)方便使用的磁鐵；⑥通氣孔／加油口蓋最小應(yīng)為40目，并應(yīng)包含有能阻止廢物進(jìn)入油箱的內(nèi)置濾網(wǎng)；⑦油尺和窺視孔應(yīng)可指示油箱中油面位置；⑧油箱必須位于柱塞泵最低排放口下面，離泵盡可能的近（最好在泵的正下方）。

1.2 潤(rùn)滑油系統(tǒng)的吸入管道

①整個(gè)管內(nèi)徑最小必須為3in，這樣吸入管流速絕不會(huì)超過(guò)2～3ft／s。②必須包括1個(gè)入口最小尺寸為3in的吸入濾網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格為40～100目（400～150μm）的金屬網(wǎng)，濾芯面積最小為1500in2，內(nèi)置旁通管壓力3～5psi（6～10inHg），額定流量最小為150gal／min（1gal＝3.78541L）；清洗濾芯時(shí)，為了方便維護(hù)，應(yīng)優(yōu)先采用軸向筒式濾網(wǎng)。③如果潤(rùn)滑油泵裝在油箱的液面以上，那么可以在吸入管中安裝至少3in的回轉(zhuǎn)式單向閥。④吸入管應(yīng)盡可能的短，不得有太多的彎曲；為防止損壞，采用金屬絲編織的吸入管；如果它的長(zhǎng)度大于10ft，應(yīng)該通過(guò)增加管內(nèi)徑到4in來(lái)補(bǔ)償摩擦損失。

1.3 潤(rùn)滑泵

①潤(rùn)滑泵必須是齒輪泵，當(dāng)它以最高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，其流量最小應(yīng)為50gal／min。②出口和入口應(yīng)盡可能大，入口最好為3in，出口最好為1.25in；如果齒輪泵吸入口小于3in，為了保持3in的吸入管盡可能安裝在齒輪泵附近，應(yīng)該采用一種短節(jié)接頭。③為了監(jiān)控吸入流量狀況，特別是寒冷天氣下的冷啟動(dòng)期間，1個(gè)充液真空計(jì)（0～30inHg）（1inHg≈249Pa）應(yīng)被安裝在離齒輪泵吸入口盡可能近的地方。④齒輪泵可直接安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的一個(gè)輔助傳動(dòng)位置上，或者通過(guò)PTO（取力器）直接與傳動(dòng)箱連接；通過(guò)傳動(dòng)箱／PTO的安裝方式能降低安裝高度，改善吸入條件；潤(rùn)滑泵的安裝必須是一種直接安裝的驅(qū)動(dòng)布置，無(wú)論柱塞泵原動(dòng)機(jī)何時(shí)運(yùn)行時(shí)，它都在發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速下工作。

1.4 潤(rùn)滑系統(tǒng)壓力管線和油濾器

①為了保持10～12ft／s的流速，壓力管線的最小內(nèi)徑必須為1.25in。②壓力管線應(yīng)為金屬絲編織的，最小工作壓力800psi（1psi＝6894.757Pa）。③油濾器的最小額定能力為150gal／200psi，必須有一個(gè)內(nèi)置的15～25psi安全閥和25～33μm的濾芯；油濾器可以是自旋式一次性濾芯或筒形密封式一次性濾芯；油濾器必須安裝在易于檢修的位置，推薦使用1個(gè)內(nèi)置旁通指示器（檢修指示器）；150gal以上的雙濾芯油濾器將減少過(guò)濾90號(hào)重齒輪油時(shí)的壓降并延長(zhǎng)更換濾芯的間隔時(shí)間；絕不可使用外置安全閥來(lái)保護(hù)油濾器。④在柱塞泵上NPT1的潤(rùn)滑油入口必須安裝0～200psi油壓表（注液）；對(duì)于安裝有遠(yuǎn)控的裝置，極力推薦使用1個(gè)輔助油壓表。

1.5 潤(rùn)滑系統(tǒng)的安全閥和回流管線

①系統(tǒng)安全閥應(yīng)為1in、30～40gal、60psi（最小）／200psi（最大）、可調(diào)整的、無(wú)振動(dòng)型的安全閥；②安全閥必須裝在柱塞泵1in的NPT（標(biāo)準(zhǔn)管螺紋）潤(rùn)滑口上（對(duì)著潤(rùn)滑油入口），以便保證潤(rùn)滑油在到達(dá)安全閥前通過(guò)整個(gè)柱塞泵；③安全回流管線（金屬絲編織）內(nèi)徑最小為1in，最小工作壓力為800psi，直接回油箱。

1.6 潤(rùn)滑油排放管路（從柱塞泵到油箱）

①在動(dòng)力端殼體的底部配有3in的NPT排放口，排出管線不得比動(dòng)力端的排出口小，還應(yīng)盡可能的短；排出管不應(yīng)有太多的彎曲，應(yīng)確保潤(rùn)滑油自由連續(xù)地向下流入油箱。②0～2500℉油溫表應(yīng)該安裝在主排出管線上，以便它的傳感器可以淹沒(méi)在從柱塞泵回來(lái)的潤(rùn)滑油中；溫度計(jì)應(yīng)安裝在易于觀察的位置；對(duì)于安裝有遠(yuǎn)控的裝置，極力推薦使用一個(gè)輔助的溫度計(jì)。

1.7 供選用的潤(rùn)滑系統(tǒng)

①極熱的環(huán)境條件下，需要1個(gè)油冷卻器來(lái)防止油溫過(guò)高和油黏度不合適；使用時(shí)，冷卻器應(yīng)為“空氣至油”或“強(qiáng)制空冷”型式，并裝在油濾器的下游；冷卻器的能力應(yīng)為150gal／250psi（最小），入口和出口接頭最小為1.25in；如果油井服務(wù)裝置在寒冷的氣候下也要作業(yè)，冷卻器必須豎直放置，讓油旁通過(guò)冷卻器。②在極冷的環(huán)境條件下，可以使用一個(gè)電控油槽加熱器或一個(gè)“管殼式熱交換器”，來(lái)防止特別差的潤(rùn)滑油吸入狀況，避免因潤(rùn)滑油太冷和潤(rùn)滑油黏度不合適而導(dǎo)致潤(rùn)滑油泵的損壞；使用時(shí)，電控油槽加熱器應(yīng)該安裝在靠近油箱吸入管出口的位置，并能在8～12h期間將油加熱到80～100℉；為防止油過(guò)熱，電控油槽加熱器必須是恒溫控制的。

2 推薦使用的動(dòng)力端潤(rùn)滑油

為了確保柱塞泵長(zhǎng)壽命和無(wú)故障服務(wù)，選擇合適的齒輪油滿足動(dòng)力端潤(rùn)滑的需要是非常重要的。筆者極力推薦用戶使用目前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的一種現(xiàn)代“合成潤(rùn)滑油”。合成潤(rùn)滑油在大多數(shù)環(huán)境條件下表現(xiàn)出更加穩(wěn)定的黏度；與同樣黏度的傳統(tǒng)齒輪油相比，合成潤(rùn)滑油增加了油膜強(qiáng)度。使用這種合成潤(rùn)滑油，將在柱塞泵啟動(dòng)時(shí)提高潤(rùn)滑油的流動(dòng)性能，提供更好的防磨效果，減少配合部件的阻力和磨擦，產(chǎn)生更大的輸出功率。為獲得最佳性能，不管選用何種動(dòng)力端潤(rùn)滑油，在使用時(shí)潤(rùn)滑油的溫度應(yīng)保持在1500℉以下。具體要求如下。

2.1 一般用途合成動(dòng)力端潤(rùn)滑油的選用

這些齒輪油必須適合在“高壓（EP）”條件下使用，其黏度指標(biāo)必須大于135s（塞氏通用黏度單位：秒數(shù)）或更高，凝點(diǎn)必須低于－350℉或更低，必須進(jìn)行50lb或更大的“鐵姆肯測(cè)試（TIMKEN TEST）”，在2100℉下黏度必須大于125s。在使用這些齒輪油時(shí)，柱塞泵的工作溫度不得超過(guò)1750℉。

2.2 季節(jié)性非合成動(dòng)力端潤(rùn)滑油的選用

柱塞泵也可以使用常規(guī)非合成齒輪潤(rùn)滑油；在特定的季節(jié)，要更加注意選擇適合周?chē)h(huán)境的潤(rùn)滑油的正確等級(jí)。在任何情況下，常規(guī)的齒輪潤(rùn)滑油必須包括一種極壓添加劑，必須達(dá)到或超過(guò)Mil－Spec.Mil－L－2105B標(biāo)準(zhǔn)，必須進(jìn)行45lb或更大的“鐵姆肯測(cè)試（TIMKEN TEST）”。

1）適宜的工作情況（春季和秋季） 這些齒輪油適合在32～90℉氣溫下使用。油的凝固點(diǎn)必須在0℉以下，在210℉下必須有85s的黏度。在使用這些潤(rùn)滑油時(shí)，柱塞泵的工作溫度不得超過(guò)175℉。

2）氣溫變高的工作情況（夏季或熱帶氣候） 這些齒輪油適合于這種氣候條件的環(huán)境溫度為40～110℉。油的凝固點(diǎn)必須在20℉以下，在210℉下必須有125s的黏度。在使用這些潤(rùn)滑油時(shí)，柱塞泵的工作溫度不得超過(guò)195℉。

3）氣溫變低的工作情況（冬季） 在極冷的環(huán)境下使用任何柱塞泵，極力推薦使用合成壓力齒輪油。這些齒輪油適合在低溫（－15～70℉）的冬季使用。油的凝固點(diǎn)必須在－20℉以下，在210℉下必須有75s的黏度。在使用這些潤(rùn)滑油時(shí)，柱塞泵的工作溫度不得超過(guò)130℉。

3 動(dòng)力端潤(rùn)滑系統(tǒng)的啟動(dòng)

整機(jī)工作前，應(yīng)先啟動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)，主要步驟如下：

1）按現(xiàn)有的環(huán)境條件，向動(dòng)力端潤(rùn)滑油箱加注正確等級(jí)的極壓齒輪油。油箱不要加得過(guò)滿，正確的油位應(yīng)在液面上留出約10%的空間。卸開(kāi)潤(rùn)滑油泵吸入口處的潤(rùn)滑油吸入軟管，用該軟管將齒輪油加入潤(rùn)滑油泵中。重新安裝和固定吸入軟管。

2）柱塞泵傳動(dòng)箱在空檔時(shí)，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)并讓它空轉(zhuǎn)。大約花幾分鐘的時(shí)間，就可將潤(rùn)滑油充滿所有管線和濾清器等；在此期間，應(yīng)對(duì)軟管連接處進(jìn)行一次徹底的泄漏檢查。待所有的管線充滿后，柱塞泵潤(rùn)滑油入口的壓力表開(kāi)始顯示系統(tǒng)壓力。讓發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行5min以上，以便排出系統(tǒng)中的空氣。關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，向油箱里加注潤(rùn)滑油，達(dá)到滿油位刻度。

3）傳動(dòng)箱在空檔時(shí)，重新啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，逐漸提高發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速到滿速；與此同時(shí)，檢查潤(rùn)滑油吸入口的真空表和柱塞泵潤(rùn)滑油入口的壓力表。如果潤(rùn)滑油溫度太高和黏度太低，真空表的讀數(shù)不會(huì)超過(guò)0.035MPa；如果潤(rùn)滑油太冷、太黏，應(yīng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，直到真空表的讀數(shù)下降到0.035MPa。油在潤(rùn)滑系統(tǒng)和柱塞泵中流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生摩擦，其溫度最終會(huì)升高。

4）當(dāng)真空表的讀數(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)滿速運(yùn)行時(shí)不再超過(guò)0.035MPa時(shí)，調(diào)整潤(rùn)滑系統(tǒng)的安全閥以使其油壓在發(fā)動(dòng)機(jī)滿速時(shí)不超過(guò)約1.05～1.2MPa。在潤(rùn)滑系統(tǒng)中，濾清器的壓力通常是最低的。對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)安全閥的設(shè)定主要是為了保護(hù)油濾器，只要不超過(guò)系統(tǒng)中最低壓力的部件，它的設(shè)定值可高于1.2MPa；除非油壓超過(guò)約2.8MPa，否則柱塞泵本身是不會(huì)被損壞的。再次強(qiáng)調(diào)，必要時(shí)，檢查整個(gè)潤(rùn)滑系統(tǒng)的泄漏情況，關(guān)掉發(fā)動(dòng)機(jī)并向油箱加油。待潤(rùn)滑系統(tǒng)安裝和正確運(yùn)行后，柱塞泵才能運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 動(dòng)力端潤(rùn)滑系統(tǒng)的工作技術(shù)規(guī)范

由于齒輪油黏度會(huì)隨著溫度的變化而變化，所以動(dòng)力端潤(rùn)滑系統(tǒng)的壓力也會(huì)有比較大的變化。因此，在使用的過(guò)程中要遵守潤(rùn)滑系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范。

1）潤(rùn)滑油泵吸入口的最大真空度：10inHg。

2）柱塞泵正常工作時(shí)的最高油溫：一般SEA90齒輪潤(rùn)滑油為175℉；低溫SEA80齒輪潤(rùn)滑油為130℉；高溫SEA140齒輪潤(rùn)滑油為195℉。

3）柱塞泵正常工作時(shí)的潤(rùn)滑油壓力：在冷啟動(dòng)或正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的最高油壓為175psi；穩(wěn)定的溫度下正常運(yùn)轉(zhuǎn)油壓范圍為70～120psi；穩(wěn)定的溫度下高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的最小油壓40psi。

任何不正常的真空度、壓力、溫度上突然的變化（尤其同時(shí)出現(xiàn)異常的噪音、振動(dòng)、煙塵），均要停止柱塞泵的工作并查明原因，防止動(dòng)力端更大的損壞。

［1］劉明皓 .新型壓裂泵潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)要求 ［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)（江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)），2012，34（05X）：341～342.