柱塞泵柱塞强制润滑技术研究与效果评价

刘炳峰，陶操

（长庆油田分公司第三采油厂，宁夏 银川 750006）

1 出现的情况探索

（1）柱塞、盘根损伤失效的原因。现有的柱塞密封方式主要是依靠盘根压帽压紧力，挤压盘根产生塑性变形，因而达到柱塞与盘根环形间隙减小，达到减少盘根漏失的效果。油田注水主要使用柱塞式往复泵进行油田注水作业。油田注水水源又是采出地下深层的地层水，含盐高，杂质多，特别是掺杂小颗粒物。由于水质的特性，因而，容易造成柱塞的腐蚀和小颗粒物在柱塞和盘根间往返摩擦，使表面拉伤而损坏，致使柱塞密封失效，而需更换盘根和柱塞。同时，柱塞间隙的漏失量没有标准的计量数据，依据现场的经验，调整盘根压帽的松紧度，容易造成过紧使盘根烧坏，检查调整不及时造成盘根失效而更换。柱塞式往复泵的柱塞密封失效的主要原因为柱塞工作中的散热不足及调整不及时，致使盘根密封失效；颗粒物在柱塞与盘根间隙造成摩擦拉伤柱塞表面致使柱塞失效。同时，采出地下深层的地层水的水质特性，柱塞与盘根的散热和润滑效果下降，使柱塞和盘根腐蚀和磨损加速，维修周期缩短。由于柱塞长期在含盐高，杂质多，特别是掺杂小颗粒物采出地下深层的地层水水质环境下工作，在柱塞表面上，会经常见到有拉伤和腐蚀的现象。而产生腐蚀的主要原因是柱塞受含盐高水质的影响，在高压、往复柱塞运动产生摩擦力的多重作用下，化学腐蚀反应速度加快，造成柱塞产生点状穴蚀。由于自身的点状穴蚀，造成柱塞与盘根的动密封面间隙增大，致使盘根漏失量增大；同时，柱塞的点状穴蚀面与盘根接触面产生接触，拉伤盘根，加速了盘根失效速度，致使柱塞、盘根更换周期缩短。

（2）改进主要方法。①改变柱塞与盘根间的工作介质。改变柱塞与盘根间的工作介质，使用润滑油进入柱塞与盘根间的环形缝隙，阻止泵头高压水进入柱塞与盘根间的环形缝隙。由于减少了高压水进入柱塞与盘根间的环形缝隙，润滑油的粘度相对水粘度大，在柱塞表面容易形成油膜，隔离了水在柱塞表面的存在，因而，消除了柱塞表面的腐蚀；润滑油进入柱塞与盘根间的环形缝隙，依据流体力学，流体在环形缝隙的流动为缝隙流动，通常为层流。从而，减小了柱塞与盘根的摩擦，进而可以达到延长柱塞和盘根使用时间的效果。

式中符号：Q——流量，cm3/s；d——柱塞直径cm；pΔ——压差，kgf/cm2；δ——缝隙，cm；µ——动力粘度，kgf·s/m2；l——缝隙长度，cm。

式中符号：Q——流量，cm3/s；d——柱塞直径cm，m；µ——动力粘度，kgf．s/m2；l——缝隙长度，cm。

②改变盘根截面形状。现有的柱塞密封采用矩形碳纤维盘根，密封方式主要是依靠盘根压帽压紧力，挤压盘根产生塑性变形，因而达到柱塞与盘根环形间隙减小，达到减少盘根漏失的效果。因此，随着使用时间的增加，在高压涡流的作用下，沿着盘根压帽方向的间隙是由小向大呈楔形增大，这也是盘根使用时间缩短的原因之一。根据目前注水压力，选用适用往复运动的V形动密封，材料为橡胶件。V形动密封特点是密封性能好，耐压高。

（3）柱塞式往复泵密封强制润滑技术设计示意图如图1、图2、图3。

图1

图2 改造前柱塞泵

图3 改造后柱塞泵

（4）改造后效果。完成安42站5ZB-20/43柱塞泵柱塞强制润滑改造后，更换柱塞5只，盘根20只。较以前的盘根更换周期通常为7～12天，柱塞更换平均周期为25天，大有延长，降低了故障率和生产成本，提高了注水效率。由于柱塞室与动力端之间只是润滑油存在，没有水分进入，隔断了动力端润滑油乳化因素，消除了动力端润滑油乳化现象。减少了润滑油因乳化造成的失效，减少了生产成本。同期减少润滑油消耗640公斤。图4为柱塞泵基本结构图。

图4 柱塞泵基本结构图

2 项目组织管理

（1）成立项目组。成立了以具有丰富现场经验的技术人员为组员的项目组，实施课题长负责制，共同开展项目。

（2）建立项目管理制度。细化节点管理，定期组织课题组成员开展项目进展汇报与对接，确保研究进度。强化试验过程监管，严格方案编制、审核工作；加强施工组织，确保实施质量。做好技术交流、现场监督及生产现场试验监督，加强现场试验资料的录取工作，为后期效果评价提供可靠依据。

3 成果应用评价及前景

2017年8月3日开始，在胡尖山作业区安42站5ZB-20/43柱塞泵进行柱塞强制润滑改造，同月5日结束改造工作，柱塞泵投入试运行，到目前为止，运行正常，满足该泵运行要求。柱塞强制润滑改造后，在柱塞表面容易形成油膜，隔离了水在柱塞表面的存在，因而，消除了柱塞表面的腐蚀，同时，旧柱塞的表面除了拉伤痕迹以外，表面粗糙度略有提高。安42站月注水11836M3，柱塞强制润滑装置月消耗机油33L，符合注水水质含油要求(145mg/l)。

通过柱塞式往复泵密封强制润滑技术的使用，提高了柱塞与盘根间隙的润滑效果，由于它们之间油膜的形成，避免了调整盘根造成的柱塞与盘根直接接触造成的磨损和发热；同时，通过柱塞的往复运动不断将润滑油带入或带进柱塞与盘根间隙中，起到输出热量和带入新的润滑油进入柱塞与盘根间隙中的作用，形成了良好的润滑工作循环，进而降低了柱塞与盘根的磨损，延长了它们的使用寿命。

通过使用V型密封组件，有效的阻止颗粒物进入柱塞与密封间隙；在高压液流的推动下，V型密封向边缘纵向张开，进一步加强了柱塞与密封、函体与密封的效果，阻止了颗粒物对柱塞表面的拉伤。

同时，消除了往复式柱塞泵原有的柱塞室漏失介质地面排放与环境污染，实现了润滑油循环使用，无环境污染。产生经济效益：每月节约材料费用0．8万元，节约润滑油费用0．25万元，每年总计节约费用12．6万元/台，经济效益较好，有较好的实用价值和推广前景。

4 结语

目前，密封强制润滑技术使用不足半年，应用效果还有待进一步跟踪分析，下一步通过观察使用情况，持续验证该技术的应用效果和可靠性。密封强制润滑技术使用V形动密封，材料为丁腈胶，价格略高。下一步通过水质监测，寻找出更为廉价，且耐用的材料，降低材料费用和成本。

参考文献:

[1]机械工程手册[M]．第六卷,第34篇,液压传动，第一章，1982,(9):6-34．

[2]机械工程手册[M]．第六卷,第34篇,液压传动，第五章，1982,(9):34-60．

[3]周昌．高比例生物柴油和二甲醚混合燃料在直喷式柴油机上的试验研究[D]．太原理工大学，2008．