壓裂泵柱塞失效模式分析與改進應用

田 奎，李 雄，陳守成，謝照寬，馬志勇 (河南油田分公司井下作業處，河南 桐柏 474780)

壓裂泵柱塞失效模式分析與改進應用

田 奎，李 雄，陳守成，謝照寬，馬志勇 (河南油田分公司井下作業處，河南 桐柏 474780)

通過對河南井下700型壓裂車在使用過程中柱塞失效模式的統計分析，找出了該種柱塞快速磨損的主要原因。針對失效原因以及實際工作情況，對柱塞結構進行改造，將一體化實心柱塞改為空心柱塞，進行局部結構改進和表面特殊工藝處理，消除了柱塞的快速磨損的失效原因，大大延長柱塞的使用壽命，在現場應用后取得了良好的效果。

壓裂泵；柱塞；失效模式

壓裂、酸化施工是通過壓裂、酸化設備將施工液高壓注入改造地層，從而達到提高油層滲透率的增油措施，目前被廣泛運用于油田勘探開發，成為增加原油產量的重要手段，壓裂泵作為壓裂、酸化設備的核心部件之一，其工作運行的可靠性對于壓裂、酸化的成功施工具有重要的意義。

柱塞是壓裂泵的重要部件之一，安裝于壓裂泵動力端和液力端之間，它一方面受到來自動力端的交變作用力，另一方面直接耐受液力端的高壓沖擊，工作條件復雜惡劣，是容易損壞的部件之一。通過研究分析柱塞失效模式的成因，有針對性提出改進措施，從而延緩柱塞在工作運行中的磨損，延長柱塞的使用壽命，對于提高壓裂泵的整體工作能力和可靠性具有至關重要的作用。

1 一體化實心柱塞工作原理

柱塞泵由其動力端提供動力，來自動力端的動力通過十字頭傳遞給柱塞，從而使柱塞在缸套內端作往復直線運動，柱塞進出泵閥腔改變閥腔工作室體積。當柱塞離開閥腔時，工作室容積增大，壓力降低，排出閥關閉，當壓力低于進口處壓力時，吸入閥打開，液體進入；當柱塞進入閥腔時，閥腔工作室體積減少，壓力升高，吸入閥關閉，排出閥打開，排出液體，上述過程的不斷循環往復，從而泵出高壓液流。

2 柱塞失效分析

統計壓裂泵柱塞在使用中失效報廢的各種形式，進行總結歸類，找出柱塞主要和次要磨損失效模式，分析其成因，尋求主要改進方向，制定控制削減措施。

以2011年河南井下酸壓隊為研究對象，該隊8臺700型壓裂車因柱塞磨損失效共更換柱塞150根，各種失效模式和頻次及故障影響見表1。

1)柱塞偏磨 由于一體化實心柱塞過重，容易導致柱塞下部運動接觸面出現偏磨，導致高壓密封失效，從而出現酸液刺漏現象。

2)柱塞表面腐蝕 在酸液以及細小顆粒的沖刷下，柱塞表面出現失去光潔度，出現細小麻點或凹坑，從而導致酸液刺漏。

3)劃痕溝槽 一般是由較大顆粒進入柱塞表面，導致柱塞表面出現劃痕溝槽，引起柱塞刺漏。

4)柱塞絲頭斷裂 由于高壓施工柱塞受力極大，當柱塞與十字頭連接出現松曠時，在交變沖擊載荷下，柱塞絲頭發生斷裂。

5)柱塞裝配不當 柱塞裝配時用力過猛，或者柱塞密封過送或過緊，均可能導致柱塞和密封件較早損壞，從而失去密封作用，引起柱塞刺漏。

3 改進對策

1)優化結構 柱塞偏磨主要原因在于一體化實心柱塞過重，導致下部運動接觸面磨損較快，在材料許用應力大于工作應力時，可以考慮采用空心柱塞代替實心柱塞。

700型柱塞主要承受軸向拉伸和壓縮載荷，以700型壓裂泵最高壓力70MPa計算，則柱塞最大受力F=P×S=70×π×1002/4=549500N，空心柱塞外徑D為100mm，內徑d為52mm，則工作應力σ=4·F/[π(D2-d2)]=4×549500/[π(10000-2704)]=95.94MPa。

經查柱塞材料許用應力為230MPa，大于最大工作應力，表明選用該種材料制作空心柱塞能夠滿足使用要求。根據柱塞使用要求，空心柱塞采用前端鏜孔加工，另外加工堵頭將端孔堵住，其結構設計圖紙如圖1所示。

2)輔助優化措施 為了增強柱塞表面防腐能力，對柱塞表面進行滲氮處理；其次，柱塞后端加工弧形倒角，便于柱塞安裝，且在安裝柱塞過程中不容易割破損壞柱塞盤根，確保其密封性能；第三，酸罐出口接頭處加濾網，防止較大顆粒進入泵腔，避免其對柱塞以及泵體造成沖擊及磨損。

4 應用效果

采用新型柱塞之后，通過半年時間的使用，每根柱塞的使用期限達到60井次，較之改進前的每跟柱塞40井次的使用期限，其使用性能和使用壽命得到了顯著的提高。

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年重慶石油學校畢業，助理工程師，現主要從事壓裂酸化方面的研究工作。

[編輯] 洪云飛