压裂泵柱塞密封副优化技术的发展与展望

为了打破压裂泵柱塞密封副优化技术的瓶颈、进一步提升压裂设备的工作性能、实现油气增产,从压裂泵柱塞密封系统的实际工况和密封机理出发,概述了压裂泵柱塞密封副失效的研究现状,梳理和总结了现有的压裂泵柱塞密封副优化技术;在此基础上,结合摩擦学和材料学等相关领域的最新研究成果,对我国压裂泵柱塞密封副优化技术未来的发展提出了建议和展望。研究结果表明:①表面织构技术已被证实能显著降低柱塞密封副的摩擦磨损,应积极设计和开展压裂泵实际工况下的全尺寸织构化柱塞密封系统试验,以推动表面织构化柱塞的应用进程;②针对橡胶密封件的性能短板以及压裂泵柱塞密封系统的工作要求,亟需采用材料改性技术来进一步增强密封橡胶的综合性能;③表面织构技术、表面涂层技术、材料改性技术在减摩抗磨等方面的协同效应决定了将其复合成压裂泵柱塞密封副优化新技术的可行性和必要性,未来应着手解决复合技术在压裂泵工况下的实际应用问题。结论认为,我国油气资源的勘探开发现状对压裂设备的工作性能提出了更高的要求,压裂泵柱塞密封副的优化必须结合自身实际,对多学科领域的相关理论和方法进行借鉴、消化、吸收与再创新,进而形成一套符合我国实际的压裂泵柱塞密封副优化技术。

复合织构化压裂泵柱塞密封副动压润滑性能仿真研究

为改善压裂泵柱塞密封副的摩擦磨损性能,在压裂泵柱塞密封副表面建立不同的复合表面织构(不同复合织构类型、不同分布方式、不同截面形状等),并在结合柱塞密封副几何结构特征、压力边界条件及雷诺方程的基础上,建立织构化柱塞密封副动压润滑理论模型,采用有限差分对雷诺方程进行求解,仿真分析复合织构对柱塞密封副动压润滑性能的影响规律。数值仿真研究结果表明:复合织构对动压润滑性能的影响与外织构深度有密切关系;内织构为凹坑或凸起,以及内织构为不同截面形状的复合织构,主要是通过影响织构平均深度与摩擦副间隙的大小关系,而对复合织构的动压润滑性能造成不同的影响规律;内织构分布于外织构右侧(润滑介质入口一侧)对复合织构动压润滑性能的提升最大。

压裂泵柱塞密封副刺漏及其改进

压裂泵是油田进行压裂、酸化作业,提高油气产量的重要设备,它是一种三缸单作用卧式柱塞泵。在多年的施工作业中发现,压裂泵常发生柱塞密封副刺漏,泄漏出来的压裂、酸化作业液窜入压裂泵动力端曲轴箱,使曲轴箱里的润滑油严重变质,失去润滑作用,并造成曲轴箱内一些关键零部件,如十字头、齿轮、拉杆、轴承等严重磨损、烧蚀和腐蚀,影响压裂泵使用性能,降低使用寿命,严重时会造成压裂、酸化作业的重大事故。

正弦微沟槽织构对柱塞密封副摩擦学性能的影响

目的研究不同工况下正弦沟槽织构对柱塞密封副摩擦性能的影响,以降低压裂泵柱塞密封副的摩擦磨损。方法基于压裂泵柱塞密封副几何模型和流体润滑理论,建立了正弦微沟槽织构化柱塞-橡胶密封副动压润滑数值理论模型,通过仿真模拟研究了不同柱塞密封压力、运动速度对正弦织构减磨性能的影响。结果不同密封压力下,从40 MPa增至140 MPa时,织构化柱塞表面的油膜承载力及其增长率都不断增大,摩擦系数增大,增长率减小,且柱塞运动速度越高,油膜承载力及摩擦系数越大。不同柱塞运动速度下,油膜承载力和柱塞速度成线性增长关系,摩擦系数不断增大,增长率则呈现减小趋势。针对常用的压裂泵工况,柱塞运动速度和密封压力为错峰配合。根据仿真结果可以看出,在柱塞运动速度-密封压力为150冲次/min-80 MPa工况下,油膜承载力最大,摩擦系数最小,而300冲次/min-40 MPa工况下的油膜承载力最小,摩擦系数系数最大。结论正弦沟槽织构能够有效改善柱塞密封副的动压润滑性能,在文中的正弦沟槽织构参数下,随着柱塞密封压力、运动速度的上升,油膜承载力和摩擦系数均呈现增长趋势。

织构尺寸对柱塞密封副摩擦学性能的影响

借助ABAQUS软件开展不同压力和尺寸织构对柱塞密封副丁腈橡胶弹性变形影响的仿真模拟,以及裂泵模拟工况下柱塞密封副单元的摩擦学试验。结合仿真模拟和单元摩擦学试验结果分析表面织构对压裂泵柱塞密封副摩擦学性能的影响机理,并探索织构尺寸的影响。结果表明:在相同条件下,工作压力和织构直径越大,丁腈橡胶的弹性变形越大;压裂泵工况下织构直径小于300μm对摩擦学性能更有利。

乳化液泵柱塞副密封及密封材料研究

煤矿乳化液泵柱塞副密封问题长期以来未得到很好解决，严重影响和制约煤矿企业的正常生产和安全生产。在深入调查分析和研究的基础上，研制开发的适用于乳化液泵密封的高性能、高可靠、无污染的填料密封，使这一问题得到圆满解决，该密封在生产实践中得到应用。

考虑表面粗糙度与空化效应的组合密封润滑分析

为了研究表面粗糙度及空化效应对压裂泵柱塞密封副密封性能的影响,基于稳态Reynolds方程,建立了粗糙峰和空化效应影响下组合密封的弹流润滑数值模型.在数值模拟基础上,采用有限体积法求解稳态Reynolds方程,研究了密封副在表面粗糙度影响下的油膜厚度、油膜压力、油膜流速分布规律,以及不同的往复速度和滑环表面粗糙度对密封性能的影响.结果表明,外行程流体动压效应微弱,油膜在空气侧附近会出现空化现象;较高的往复速度有利于减小泄漏量及摩擦阻力;滑环表面粗糙度从0.8μm增加到1.8μm时,净泄漏量与外行程摩擦力分别升高了180.4%和11.17%.因此,在工作过程中应设置较高的往复速度和使用较低粗糙度的滑环以提高密封性能.

考虑橡胶弹性变形及织构直径对压裂泵柱塞密封摩擦学性能研究

压裂泵柱塞因为磨损较多易于失效,因此有必要对其密封副摩擦学性能进行研究。根据有限元原理,建立了橡胶密封圈处轴对称模型,利用有限元分析软件和实验验证研究了橡胶弹性变形以及织构直径对柱塞摩擦学性能的影响。结果表明,织构的存在对橡胶总体变形量的影响不大,但是织构直径或载荷越大,其橡胶压入织构内的深度越大,即压入的体积越大,当橡胶与柱塞相对运动时刮擦掉的橡胶体积越多,增大了磨损量和摩擦系数,不利于摩擦学性能;选择较小直径和介质压力,以得到较好的减磨性能,优选出,圆形织构,在载荷为1 MPa、织构直径为200μm、面积比为20%、深度为80μm、均布。