注水泵柱塞填料密封方式的改進和效果分析

朱傳智，朱浩波，生文博，宋健

（中國石油集團 渤海石油裝備制造有限公司 鉆井裝備公司工業(yè)泵制造廠，天津 300280）

0 引言

作為油田重要的注水設(shè)備，柱塞式注水泵通過注水能夠促進油層壓力提升，保障原有產(chǎn)量，在油田開發(fā)領(lǐng)域有著不可替代的作用。近年來，隨著油田開發(fā)技術(shù)水平的提升，柱塞式水泵技術(shù)參數(shù)及性能也發(fā)生了一定的改變，以滿足不同場合的應(yīng)用需求[1]。作為注水泵密封的主要材料，密封填料會隨著柱塞泵運行時間的增加而出現(xiàn)不同程度的磨損，可能會導(dǎo)致增加液體泄漏量，甚至發(fā)生刺漏，這就需要及時對盤根盒內(nèi)的密封填料予以更換，不僅操作難度大，而且增加了成本投入，因此對注水泵柱塞填料密封方式的改進尤為迫切。針對上述問題，研究通過柱塞填料密封結(jié)構(gòu)及材料的改進，以達到提升性能、降低成本的效果。

1 注水泵柱塞填料密封現(xiàn)狀

以某地區(qū)油田采油廠為例，其現(xiàn)有的不同類型注水泵共有210臺，每臺注水泵每年在填料密封方面的費用平均高達數(shù)萬元。油田注水泵常用的密封為柱塞填料密封，也可以稱為壓緊式密封與接觸型密封，柱塞泵作為一種易損耗器件，當(dāng)發(fā)生故障后會對注水泵的性能產(chǎn)生直接影響。從現(xiàn)有情況看，柱塞泵填料密封壽命普遍較短，損耗嚴(yán)重，這在無形中增加了油田生產(chǎn)開發(fā)成本，因此加強對注水泵現(xiàn)場管理、提升其技術(shù)性能尤為重要。柱塞填料密封結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理為：將零件調(diào)節(jié)螺母旋緊后產(chǎn)生壓緊力，直接對后導(dǎo)向套產(chǎn)生作用，然后對填料密封壓緊[2]。經(jīng)過壓緊力的作用，填料密封與柱塞表面、密封函體的內(nèi)孔表面會形成接觸應(yīng)力，自填料密封安裝入口向里呈現(xiàn)出減小的趨勢。在后導(dǎo)向套位置接觸應(yīng)力最大，因此該位置是最容易磨損的部位，通常在該位置出現(xiàn)填料密封失效。針對這一問題，應(yīng)注意壓緊機構(gòu)的合理選擇，且在安裝、使用環(huán)節(jié)加強對壓緊力的控制。

圖1 柱塞填料密封結(jié)構(gòu)

2 注水泵柱塞填料密封失效原因分析

研究結(jié)果顯示，污水注水泵的壽命與企業(yè)實際需求尚存在一定的差距?！锻鶑?fù)式注水泵技術(shù)規(guī)范》明確提出：當(dāng)含油污水輸送額定排出壓力為20 MPa以下時，柱塞壽命應(yīng)達到1300 h，填料壽命應(yīng)在1400 h以上，泵閥能夠進行長達1600 h的無故障運行。但在實際運行過程中，柱塞壽命僅為600～900 h，填料壽命維持時間更短，約為350～500 h，泵閥僅能夠維持150～240 h無故障運行。

2.1 部件結(jié)構(gòu)不適宜回注污水

作為注水泵主要部件，污水泵柱塞填料容易受到含顆粒污水的影響，其中所含的腐蝕性成分會對柱塞填料產(chǎn)生腐蝕，污水難以被有效隔離，潤滑條件不佳，使得填料磨損進一步加劇。污水泵泵閥常用結(jié)構(gòu)為上下分體式，閥心、閥體采用金屬密封，若輸送的污水存在明顯的顆粒物，將會影響到閥心、閥體密封性，出現(xiàn)泄漏[3]，長此以往會使金屬密封面產(chǎn)生不同程度的破損，引起泵閥故障。

2.2 柱塞填料選擇不合理

在原油開采過程中，注水泵柱塞往復(fù)運動，柱塞表面很容易受到水中成分腐蝕，不光滑的柱塞表面也會讓密封圈磨損加劇。一般柱塞要10個月更換1次，密封圈要每月更換1次，頻繁更換不僅給生產(chǎn)造成損失，對注水生產(chǎn)時間也會造成影響。通過測試污水泵柱塞材料，可以發(fā)現(xiàn)其基材為45鋼，表面涂噴了硬質(zhì)合金，在實際應(yīng)用過程中可以發(fā)現(xiàn)此類噴涂材料在腐蝕性污水輸送過程中存在較高的脫落風(fēng)險，容易損傷到柱塞，部分柱塞應(yīng)用不足700 h便會出現(xiàn)噴涂材料脫落的現(xiàn)象，甚至發(fā)生拉毛[4]。注水泵曾經(jīng)使用過的填料如表1所示。污水泵填料采用碳纖維編織材料，耐寒性不佳，且具有回彈性，遇水后會出現(xiàn)變硬的現(xiàn)象，降低密封彈性，導(dǎo)致使用壽命大大減少。聚四氟乙烯最主要的特點為耐高溫，但缺乏有效的回彈性能，若柱塞偏擺幅度過大，與柱塞之間會產(chǎn)生較大間隙，進而引起介質(zhì)的泄漏。柔性石墨自潤滑性能好，但摩擦因數(shù)低，在沖擊性及耐剪切性能方面存在一定的不足，無法將其單獨應(yīng)用于高壓柱塞軸封。不同密封填料性能如表2所示。

表1 密封填料應(yīng)用情況

表2 各類密封填料性能比較

2.3 封油壓力低

密封油能夠?qū)σ后w外漏起到較好的密封作用，與此同時還能夠?qū)μ盍厦芊鉂櫥?、冷卻。密封工作性能很大程度上受封油壓力高低的影響。實施技術(shù)改造前，封油最大壓力不超過0.3 MPa，與介質(zhì)工作壓力（16 MPa）相比明顯較小?？梢园l(fā)現(xiàn)，受封油壓力過低的影響，即使主填料密封段封油進入填料與柱塞，也難以起到明顯的潤滑作用，此時受壓力差的影響，介質(zhì)會在填料與柱塞之間的徑向間隙充滿，順軸向從泵內(nèi)往封油側(cè)泄漏。副調(diào)料密封段可見側(cè)向壓力比封油壓力高，封油無法順利進入填料與柱塞間，難以發(fā)揮潤滑作用[5]，增加了填料與柱塞的摩擦因數(shù)，同時降低了液膜壓力。介質(zhì)壓力升高并分布于軸向，導(dǎo)致封油、介質(zhì)混合物外泄，需要加大密封填料壓緊力，導(dǎo)致摩擦因數(shù)進一步增加，導(dǎo)致密封失效。

3 注水泵柱塞填料密封方式的改進策略

3.1 密封填料材料選擇

注水泵柱塞密封填料噴涂材料涉及到多方面內(nèi)容，在具體改進及應(yīng)用過程中應(yīng)結(jié)合以往經(jīng)驗及現(xiàn)有技術(shù)水平，根據(jù)不同材料的性能進行調(diào)整，在延長注水泵壽命的同時，降低設(shè)備故障發(fā)生率。此次研究引入新型復(fù)合填料，結(jié)合不同類型密封填料的優(yōu)勢，使密封填料使用壽命增加，降低摩擦力[6]。在材料方面，將聚四氟乙烯與石墨成型填料混合組裝，效果較好，密封填料性能如表3所示。兩種材料混合后，不僅保留了柔性石墨彈性高、氣密性好的優(yōu)勢，而且克服了抗剪切、耐沖擊性能低的弱點，綜合使用性能得到了提升。經(jīng)過試驗可以發(fā)現(xiàn)，按照一定比例混合四氟乙烯纖維、柔性石墨，獲得的新型復(fù)合填料可達到理想的效果。

表3 密封填料的性能參數(shù)分析

3.2 “13141”盤根組合法結(jié)構(gòu)改進

以往注水泵柱塞填料加裝主要是在前后導(dǎo)向套中心加裝7～8個盤根，經(jīng)過大量的文獻資料查詢及實踐驗證，提出“13141”盤根組合結(jié)構(gòu)法：在一個導(dǎo)向套上加裝3個盤根，另外一個導(dǎo)向套加裝4個盤根?，F(xiàn)場試驗顯示，改進后密封效果得到大幅度提升。與常規(guī)加裝方法相比，“13141”盤根組合結(jié)構(gòu)法使得盤根壽命得到了顯著提升，從10 d到30 d不等。泵出口壓力不同，其使用壽命也呈現(xiàn)出明顯的差異性，員工勞動強度也會明顯降低，有利于降低人力資源成本[7]。在進行軟填料密封時，擰緊壓蓋螺栓與壓蓋產(chǎn)生的接觸壓力為受到的壓力，經(jīng)壓蓋導(dǎo)向套對密封填料產(chǎn)生直接作用，順著密封函壁、軸桿，從第一個密封填料傳導(dǎo)到下一個填料環(huán)。密封函壁、軸上摩擦力很大程度上會影響到密封填料，自近端到遠端呈現(xiàn)出明顯的軸向變化。此時壓蓋位置密封填料環(huán)接觸壓力能夠達到最大，與壓蓋位置較遠的部分接觸壓力則最小[8]。與接觸壓力作用相反，密封填料密封流體作用能夠提升密封填料，在導(dǎo)向套作用下，使壓蓋受到密封填料的壓實，此時能夠降低壓蓋位置受到的流體壓力。當(dāng)密封組件密封效果達到理想狀態(tài)后，能夠維持密封填料接觸壓力與流體壓力的平衡，密封填料組件會導(dǎo)致其施加壓縮密封填料接觸壓力增加，導(dǎo)致摩擦阻力增加，出現(xiàn)過度壓縮的情況，使得密封填料與軸套受到破壞。通過控制壓縮密封填料的接觸壓力，能夠保持應(yīng)力松弛狀態(tài)，降低摩擦力，延長密封填料的使用壽命。

3.3 封油系統(tǒng)改進

為保證軸封的密封性能，應(yīng)注重封油系統(tǒng)壓力的注入，通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)封油壓力升高后，會增強軸封的密封效果，在實際應(yīng)用中應(yīng)維持封油壓力穩(wěn)定性，盡可能處于較高值，以延長軸封的使用壽命。

4 注水泵柱塞填料密封方式改進效果分析

應(yīng)用“13141”盤根結(jié)構(gòu)法后，選擇1臺注水泵進行實驗，采用常規(guī)密封法對1缸、2缸進行處理，采用“13141”組合法對3缸進行處理，保持其他工況條件一致，進行對比試驗。結(jié)果顯示：1缸、2缸經(jīng)過230 h運行，出現(xiàn)嚴(yán)重的密封失效泄漏事件，3缸密封正常。對1缸、2缸進行更換，跟蹤其密封效果，發(fā)現(xiàn)3缸在運行570 h后出現(xiàn)泄漏。經(jīng)過計算可以發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)密封法相比，3缸壽命提升1.39倍。將該方法全面推廣，可以發(fā)現(xiàn)盤根使用壽命提升了1.5倍。為計算改進后的經(jīng)濟效益，在4臺注水泵中引入“13141”組合法，可以發(fā)現(xiàn)盤根壽命得到了延長，約為369 h，壽命提升了1.5倍。按照當(dāng)前碳鉛密封價格（23 元），可以計算得到常規(guī)密封方法下4臺泵盤根耗費為365×24÷245.75×4×24×24=75683 元，應(yīng)用“13141”盤根組合法后，其費用為26 603 元，降低了成本，經(jīng)濟效益可觀。

5 結(jié)語

綜上所述，采用“13141”盤根組合密封法對材料進行改進后，盤根使用壽命延長，且降低了員工工作量與工作強度，具有較高的經(jīng)濟效益，能夠節(jié)省成本，在保障油田清潔生產(chǎn)的同時，有利于促進現(xiàn)場設(shè)備管理水平的提升，具有廣闊的發(fā)展前景。