王金東,高娜 (東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江大慶 163318)

王長忠 (大慶職業(yè)學(xué)院機械系,黑龍江大慶 163000)

地面高壓柱塞泵密封結(jié)構(gòu)的改造研究

王金東,高娜 (東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江大慶 163318)

王長忠 (大慶職業(yè)學(xué)院機械系,黑龍江大慶 163000)

針對現(xiàn)有柱塞泵在使用中存在的密封性不好、壽命短等問題,提出了一種地面高壓柱塞泵的密封結(jié)構(gòu)改造方案。該裝置采用多級液壓密封結(jié)構(gòu),利用泵內(nèi)自身泄露出的高壓液體,作用在密封件上,形成密封自緊力;多級密封之間分級工作,可實現(xiàn)對柱塞泵內(nèi)高壓液體的完全密封,達(dá)到微漏失、甚至零漏失的效果,工作壽命長,維護(hù)工作量小;在保證密封的前提下,可以隨壓力自動調(diào)整對柱塞的抱緊力,減少了的磨阻損失;在密封環(huán)發(fā)生一定量的磨損時,在高壓作用下,能自動補償,仍能保證完好的密封效果。該研究的成果有利于解決現(xiàn)有的填料密封造成的漏失問題,具有一定的理論意義和實際應(yīng)用價值。

柱塞泵;結(jié)構(gòu)改造;密封

柱塞泵是一種常用的高壓液體輸送設(shè)備,廣泛應(yīng)用于石油、化工等領(lǐng)域,是一種關(guān)鍵的動力設(shè)備,在整個工藝流程中起著重要作用。柱塞泵的工作原理是在缸體內(nèi),柱塞通過進(jìn)行往復(fù)的運動,來改變工作腔的容積量,從而使流體在壓力的作用下能夠被吸入和排出。柱塞泵是一種容積式泵,具有高壓的特性。所以,在油田上經(jīng)常使用柱塞泵作為動力源對地層進(jìn)行注水,其壓力完全能滿足12MPa左右的工作壓力要求。柱塞泵的軸密封裝置是其關(guān)鍵部件,也是其薄弱環(huán)節(jié)。柱塞與缸套間的環(huán)形腔的間隙大小決定了柱塞泵的容積效率的大小[1]。環(huán)形間隙會隨著柱塞泵的工作時間的延長而增大,工作時間越長,環(huán)形間隙就會越大。由于泵內(nèi)的液體處于高壓狀態(tài),而且柱塞在不停地進(jìn)行往復(fù)運動,會造成液體從柱塞與填料之間的縫隙漏失。介質(zhì)的漏失不但造成浪費,而且會污染環(huán)境,甚至危機設(shè)備運行和人身安全。泵的密封性能是評價泵產(chǎn)品質(zhì)量的一個主要指標(biāo)。為此,筆者研究了一種地面高壓柱塞泵的密封結(jié)構(gòu)改造方案。

1 現(xiàn)有柱塞泵柱塞密封結(jié)構(gòu)及原理

圖1 柱塞密封結(jié)構(gòu)

圖1所示是油田地面在注水的時候,柱塞泵的柱塞與缸套之間的密封形式。長時間使用后會加大柱塞和密封缸套之間的間隙,泵的效率會明顯降低,要對泵及時進(jìn)行檢查維修。在檢修中,主要對密封缸套進(jìn)行更換,縮小柱塞與密封缸套的間隙[2]。注水泵一直處于連續(xù)的工作狀態(tài),密封缸套容易造成損壞,因此要經(jīng)常性頻繁地泵進(jìn)行檢修,這樣不僅影響了正常的生產(chǎn)運行,同時還增大了人力、物力的投入。

目前,現(xiàn)有柱塞泵軸封采用常規(guī)的填料密封,其密封的原理就是依靠填料與柱塞之間的擠壓作用減小相互之間的縫隙,通過多次的填料環(huán)繞線路,阻止液體介質(zhì)外泄。但在柱塞往復(fù)運動及泵內(nèi)部高壓力作用下,油、水等液體介質(zhì)必然會沿著柱塞與填料的間隙向外泄漏,間隙越大,泄露量越大,超過規(guī)定值,密封就失效,必須停機重新更換盤根。為減少泄漏量,通常的做法是加大盤根的壓緊力,但作用有限,卻增加了填料與柱塞之間的摩擦力,即增加了能耗。這導(dǎo)致填料密封存在著密封效果差、密封摩擦損耗功率較大、維護(hù)頻繁等問題[3]。

2 密封結(jié)構(gòu)改造

圖2 改造后的柱塞密封方式

通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面分析,制定了以下措施進(jìn)行改造。不改變原有的缸體和柱塞結(jié)構(gòu)(目的是避免重新加工這些部件),只改造密封缸套,改造結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該設(shè)備由2級密封組成(由設(shè)備空間決定也可增加級數(shù),使其達(dá)到最優(yōu)化),每一級有密封環(huán)、橡膠密封套、支撐件組成。剛開始時,密封件靠彈性有一定的預(yù)緊力,在工作時,泵缸內(nèi)泄露出的高壓液體被引入橡膠密封件外圍的空腔內(nèi),高壓作用在橡膠表面,產(chǎn)生較高的壓力,作用在密封環(huán)上,使密封環(huán)與柱塞接觸更加緊密,密封更加可靠。而當(dāng)腔內(nèi)壓力降低時,作用在密封件上的壓力隨之降低,在保證良好密封的情況下,抱緊力減小,摩擦力減小,降低了磨損并提高了工作效率。另外,在運行一段時間后,密封環(huán)避免不了要發(fā)生磨損,這時在壓力的作用下,可以自動補償,使密封件始終保持良好的接觸密封。這種密封的優(yōu)點就是隨著壓力的變化抱緊力也相應(yīng)變化,能根據(jù)壓力的大小自動調(diào)整密封的程度,密封性能好,密封時間長。一般填料密封有效期為幾十天,這種密封有效期將大大延長。

3 橡膠密封套高壓承受試驗

圖3 密封圈打壓試驗

密封圈打壓試驗結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出,采用Z字型開口泵徑為83mm和32mm的泵,壓力達(dá)到24MPa,也沒出現(xiàn)有擊穿的痕跡;采用V字型開口泵徑為32mm的泵打壓到19MPa就會出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象,泵徑為83mm的打壓到20MPa會出現(xiàn)擊穿的痕跡;普通H型開口泵徑為83mm的泵,打壓到22MPa就出現(xiàn)被擊穿的現(xiàn)象。這表明樹脂密封環(huán)改用Z字型開口比V字形、H普通形這2種型號的密封圈開口方式能承受更大的壓力,不會因為壓力過高導(dǎo)致密封失效,進(jìn)一步完善了整套密封裝置中的密封圈的承壓能力。

4 結(jié)論與認(rèn)識

1)采用改造后的密封技術(shù),能夠有效的改善密封效果,而且柱塞泵能夠正常運行。

2)有效解決了高壓流體回流的問題,泵出口的壓力和流量也非常穩(wěn)定,不會產(chǎn)生太大波動。

3)通過一段時間使用情況來看,經(jīng)過改造的柱塞泵在試用期內(nèi)完全符合出廠時所標(biāo)定的排量值。每半年就要對扶正套進(jìn)行一次更換,這符合油田泵設(shè)備的檢修周期,扶正套能夠扶正柱塞,防止其在往復(fù)運動中過度擺動,具有定向和導(dǎo)向的作用,能有效的減少由于多級密封環(huán)的不均勻而造成的磨損。這樣改造后延長了易損件的使用壽命,延長了檢泵周期,減少了維修工作量,節(jié)省人力物力。

[1]李楓,劉彩玉.柱塞泵密封結(jié)構(gòu)的改造[J].潤滑與密封,2004,162(2)98-99.

[2]陳樹峰,馬伏波.柱塞泵油漏損流量的理論計算[J].煤礦機械,2006,27(12):1-2.

[3]夏廷棟.實用密封技術(shù)手冊[M].哈爾濱:黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社,1985.

[4]尹賜禹.柱塞泵密封失效原因分析及解決措施[J].中國設(shè)備工程,2004(4):55-56.

[編輯]洪云飛

TE933

A

1673-1409(2014)19-0057-02

2014-02-17

王金東(1964-),男,博士,教授,現(xiàn)主要從事機械設(shè)備故障診斷、石油機械系統(tǒng)工程方面的教學(xué)與研究工作。