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【摘要】针对TPA-600型三缸单作用卧式往复柱塞泵液力端(泵头) 柱塞密封盘根结构设计上存在的缺陷 ,进行了改进 . 新泵头舍去了原来的可换式盘根底座,将柱塞盘根密封室延长到泵体深处, 缩小了原安装盘根座的内孔尺寸, 并增设了一个铜环, 一个铁环, 把柱塞盘根 ( 除润滑油环保留在原位外 ) 整体前移, 相应的增加了柱塞的长度; 为了保证泵头强度不受影响, 还将泵头作相应的加厚。此外柱塞盘根压帽也进行了改进, 柱塞盘根润滑油孔和调节盘根用的工具查孔, 由六孔改为八孔。 改造制作的新泵头, 降低了盘根所受压力, 利于盘根密封的调整, 提高了柱塞盘根密封的可靠性, 延长了柱塞密封及泵头的使用寿命。
【关键词】三缸单作用泵;卧式往复柱塞泵;液力端;柱塞;
2004年12月,大港油田集团公司钻采工艺技术开发服务中心 (现在合并后名为钻采工艺研究院)启动了防砂产业化项目,先后从加拿大和国内购进两套压裂设备,进行压裂、防砂、酸化施工。2006年 8月起,在国内使用的车组,就有一台泵车柱塞泵液力端经常发生严重的刺漏现象,整套车组不能正常使用。2006年12月,另一泵车泵头也因相同原因损坏。于是采用加工堆焊再加工的办法,三个泵头轮流修复使用,但每次修复就花费 1 万多元,耽搁一周时间,影响了正常生产;一次损坏造成直接和间接经济损失约 30多万元。虽多方查找原因,采用很多方法都没能解决这个问题 。于是对两台泵车原泵头盘根结构进行改进。
一 、柱塞泵液力端柱塞盘根结构缺陷及刺漏原因
T PA-600型三缸单作用卧式往复柱塞泵 , 是国内某厂家新开发出来的一种新型高效泵,结构紧凑 ,单泵上限排量 1292L/min,对应输出泵压为15.9MPa,上限输出工作压力可达到 63.6MPa;两台泵车相当于四台 YLC-700Ⅰ型压裂车的工作能力。四台组合一起,可进行压裂施工。两台泵车采用的是撬装结构,到海上施工时 ,将泵撬从卡车上拆吊到船上,是海路两用的泵注设备 。由于当初设计为 89mm、114.3mm两种尺寸的柱塞都可以装配使用,因此柱塞密封结构上有一个盘根座,该盘根座前端外圆面通过间隙配合 ( 配有“O”型密封圈及支撑环 )安装在泵体内孔中,后端外圆面安装在柱塞盘根压帽内孔中 ( 配有“O”型密封圈及支撑环 ) ,后端是密封盘根 ( 由柱塞油环4、尼龙盘根5、夹布密封盘根6、弧形密封盘根7组成 ) 。而盘根座内孔与柱塞是大间隙配合。
施工过程中,盘根座 9前端外圆面与泵体内孔配合面之间常出现刺漏,刺漏的酸液 (或砂液)沿着泵体向上 ,通过盘根压帽与泵体之间的螺纹间隙刺出,泵注压力接近零,无法正常施工,同时还加速泵体与柱塞压帽 3之间的螺纹面损坏。随着这种刺漏时间的延长和刺漏次数的增加 , 泵头安装盘根座 9的内孔表面就被高压液流 (携砂液或酸液 ) 冲刷,形成沟槽,造成泵头的损坏,即使更换新的盘根座 9和配套组合盘根座密封圈 8,11,原来泄漏的部位还是漏,施工时柱塞泵也打不起压力,无法进行施工。究其原因 : 柱塞 1向泵头工作腔运动时 ,来自泵头工作腔的高压推动盘根座 9向远离泵头工作腔方向移动(因盘根压帽 3是通过能发生压缩变形的盘根 5、6、7来推顶盘根座 9的 ) ,此时安装在盘根座 9前端外圆面的密封圈 (“O”型密封圈及支撑环 11) 直接承受来自泵头工作腔的高压 ;在柱塞 1相远离泵头工作腔运动时,泵头工作腔内的压力降低,盘根 5, 6, 7弹力推动盘根座 9向泵头工作腔移动 (因盘根压帽是通过能发生压缩变形的盘根来推顶盘根座的)。因此 ,在施工过程中,盘根座9随着泵头工作腔内压力的波动而前后窜动,使承受高压的盘根座 9 前端外圆面上的盘根座密封圈 11(“ O ”型密封圈及支撑环)加速磨损损坏,进而导致盘根前端外圆面与泵体内孔配合面之间常出现刺漏 , 刺漏的酸液 (或砂液)沿着泵体向上进入盘根压帽与泵体之间的螺纹间隙刺出,泵注压力接近零 ,使施工无法正常进行。
图1是改造前 T P A-600型三缸单作用卧式往复柱塞泵液力端结构。
二 、三缸单作用卧式往复柱塞泵液力端改造
将原来装配盘根座 9的泵体內孔尺寸加工到与原来盘根压帽 3内的盘根密封室内径相同,并延长50mm;同时泵头内的工作内腔、凡尔座孔及其它部分整体同步前移50 mm,泵头总厚度增加了50 mm。在原来柱塞润滑 4油环前安装增加的铜环 (柱塞压环) 6,铜环 6把原来的三道密封盘根 5, 6, 7推入泵体内的盘根密封室内,三道密封盘根7, 8, 9 前端是新增加的铁环 (柱塞挡砂环) 10。原来结构中的盘根座9和盘根密封圈 8,11就去掉了,改进后的柱塞泵液力端结构如图2所示。
改造前的柱塞盘根压帽,是六个润滑油孔,且油孔中心线与柱塞轴线垂直,改造后的柱塞盘根压帽,是八个润滑油孔,油孔中心线与柱塞轴线倾斜,114. 3内圆面右端去掉了原来与盘根座后端外圆面相配合的一个台解,此外盘根压帽左端的防尘圈槽也做了变化。图 3是改造前的柱塞盘根压帽;图4是改造后的柱塞盘根压帽。
图 5是改进后 T P A-600型柱塞泵液力端结构新增加的铜环;图 6是新增加的铁环。
三 、改造后的特点及使用效果
两台泵车柱塞泵液力端改进后, 经过三个多月的使用,达到了预期效果。
(1) 新泵头舍去了原来的可换式盘根底座, 将柱塞盘根密封室延长到泵体深处 , 缩小了原安装盘根座的内孔尺寸,并增设了一个铜环, 一个铁环,把柱塞盘根 ( 除润滑油环保留在原位外) 整体前移 ,相应的增加了柱塞的长度; 为了保证泵头强度不受影响 ,还将泵头作相应的加厚。此外柱塞盘根压帽也进行了改进,柱塞盘根润滑油孔和调节盘根用的工具查孔,由六孔改为八孔。
(2) 由于新结构去掉了可换式盘根座及其组合密封件,消除了原在高压下前后窜动易损坏的密封件,解决了施工过程中,盘根座前端外圆面与泵体内孔配合面之间常出现刺漏现象,避免施工中泵压突然降低对施工的影响。
(3) 由于新结构缩小了原安装盘根座的内孔尺寸,降低了盘根所受压力;改进了的盘根压帽,柱塞盘根润滑油孔和调节盘根用的工具查孔,由六孔改为八孔,有利于盘根密封的调整。提高了柱塞盘根密封的可靠性,延长了泵头安装盘根座的内孔的使用寿命 ,柱塞密封及泵头的使用寿命也得以延长。避免了经常拆卸泵头到专业厂进行修复的现象。既节省费用,又减轻了拆装的劳动强度,还不影响正常的生产。
(4) 在四个月井场防砂和酸化施工期间做了进一步完善 ,把图 2中的尼龙盘根 7 换成夹布密封盘根8( 即图中7﹑8两道盘根都是夹布密封盘根) ,并在铜环前短面加工出与夹布密封盘根相配合的“V ”型槽 , 新柱塞泵施工压力﹑排量都达到原设计要求,运转良好。
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