压裂泵柱塞失效模式分析与改进应用

田 奎，李 雄，陈守成，谢照宽，马志勇 (河南油田分公司井下作业处，河南 桐柏 474780)

压裂泵柱塞失效模式分析与改进应用

田 奎，李 雄，陈守成，谢照宽，马志勇 (河南油田分公司井下作业处，河南 桐柏 474780)

通过对河南井下700型压裂车在使用过程中柱塞失效模式的统计分析，找出了该种柱塞快速磨损的主要原因。针对失效原因以及实际工作情况，对柱塞结构进行改造，将一体化实心柱塞改为空心柱塞，进行局部结构改进和表面特殊工艺处理，消除了柱塞的快速磨损的失效原因，大大延长柱塞的使用寿命，在现场应用后取得了良好的效果。

压裂泵；柱塞；失效模式

压裂、酸化施工是通过压裂、酸化设备将施工液高压注入改造地层，从而达到提高油层渗透率的增油措施，目前被广泛运用于油田勘探开发，成为增加原油产量的重要手段，压裂泵作为压裂、酸化设备的核心部件之一，其工作运行的可靠性对于压裂、酸化的成功施工具有重要的意义。

柱塞是压裂泵的重要部件之一，安装于压裂泵动力端和液力端之间，它一方面受到来自动力端的交变作用力，另一方面直接耐受液力端的高压冲击，工作条件复杂恶劣，是容易损坏的部件之一。通过研究分析柱塞失效模式的成因，有针对性提出改进措施，从而延缓柱塞在工作运行中的磨损，延长柱塞的使用寿命，对于提高压裂泵的整体工作能力和可靠性具有至关重要的作用。

1 一体化实心柱塞工作原理

柱塞泵由其动力端提供动力，来自动力端的动力通过十字头传递给柱塞，从而使柱塞在缸套内端作往复直线运动，柱塞进出泵阀腔改变阀腔工作室体积。当柱塞离开阀腔时，工作室容积增大，压力降低，排出阀关闭，当压力低于进口处压力时，吸入阀打开，液体进入；当柱塞进入阀腔时，阀腔工作室体积减少，压力升高，吸入阀关闭，排出阀打开，排出液体，上述过程的不断循环往复，从而泵出高压液流。

2 柱塞失效分析

统计压裂泵柱塞在使用中失效报废的各种形式，进行总结归类，找出柱塞主要和次要磨损失效模式，分析其成因，寻求主要改进方向，制定控制削减措施。

以2011年河南井下酸压队为研究对象，该队8台700型压裂车因柱塞磨损失效共更换柱塞150根，各种失效模式和频次及故障影响见表1。

1)柱塞偏磨 由于一体化实心柱塞过重，容易导致柱塞下部运动接触面出现偏磨，导致高压密封失效，从而出现酸液刺漏现象。

2)柱塞表面腐蚀 在酸液以及细小颗粒的冲刷下，柱塞表面出现失去光洁度，出现细小麻点或凹坑，从而导致酸液刺漏。

3)划痕沟槽 一般是由较大颗粒进入柱塞表面，导致柱塞表面出现划痕沟槽，引起柱塞刺漏。

4)柱塞丝头断裂 由于高压施工柱塞受力极大，当柱塞与十字头连接出现松旷时，在交变冲击载荷下，柱塞丝头发生断裂。

5)柱塞装配不当 柱塞装配时用力过猛，或者柱塞密封过送或过紧，均可能导致柱塞和密封件较早损坏，从而失去密封作用，引起柱塞刺漏。

3 改进对策

1)优化结构 柱塞偏磨主要原因在于一体化实心柱塞过重，导致下部运动接触面磨损较快，在材料许用应力大于工作应力时，可以考虑采用空心柱塞代替实心柱塞。

700型柱塞主要承受轴向拉伸和压缩载荷，以700型压裂泵最高压力70MPa计算，则柱塞最大受力F=P×S=70×π×1002/4=549500N，空心柱塞外径D为100mm，内径d为52mm，则工作应力σ=4·F/[π(D2-d2)]=4×549500/[π(10000-2704)]=95.94MPa。

经查柱塞材料许用应力为230MPa，大于最大工作应力，表明选用该种材料制作空心柱塞能够满足使用要求。根据柱塞使用要求，空心柱塞采用前端镗孔加工，另外加工堵头将端孔堵住，其结构设计图纸如图1所示。

2)辅助优化措施 为了增强柱塞表面防腐能力，对柱塞表面进行渗氮处理；其次，柱塞后端加工弧形倒角，便于柱塞安装，且在安装柱塞过程中不容易割破损坏柱塞盘根，确保其密封性能；第三，酸罐出口接头处加滤网，防止较大颗粒进入泵腔，避免其对柱塞以及泵体造成冲击及磨损。

4 应用效果

采用新型柱塞之后，通过半年时间的使用，每根柱塞的使用期限达到60井次，较之改进前的每跟柱塞40井次的使用期限，其使用性能和使用寿命得到了显著的提高。

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.08.036

TE934

A

1673-1409(2012)08-N110-02

2012-05-25

田奎(1972-)，男，1993年重庆石油学校毕业，助理工程师，现主要从事压裂酸化方面的研究工作。

[编辑] 洪云飞