抽油泵靜態漏失試驗與分析

屈成亮，徐洪軍，邵寶力，王海彪

(吉林化工學院化工與材料工程學院，吉林吉林132022)

長期以來，管式抽油泵一直是重要的采油機械裝置，管式抽油泵中柱塞和泵筒環隙漏失量以及游動閥和固定閥漏失量直接影響著泵的排量和使用期限，因此漏失量是確定抽油泵等級的重要依據，也是衡量抽油泵實際生產率的重要參數，它對抽油泵的設計、性能分析、檢定抽油泵制造質量、提高抽油泵效率有重要意義.而通過實驗對抽油泵實際工作中的動態漏失量進行測量是很難實現的.因此，本文在實驗室內建立了測柱塞和泵筒環隙漏失量以及游動閥和固定閥漏失量的實驗裝置，對常規泵和斜井泵進行了靜態漏失量測試.

1 實驗裝置

1.1 柱塞

常規泵柱塞采用的是常見的鋼質金屬柱塞結構，斜井泵的柱塞上端采用的是環式軟密封結構(HPN材質)，下端仍采用常規金屬柱塞結構，見圖1.

經采用T3806-應力儀裝置進行半干摩擦力測試，軟密封柱塞泵是一種低摩阻泵，其特征是在柱塞外圓上加工多個環槽，增大了柱塞與泵筒的間隙，達到降低摩阻的目的.軟密封柱塞有一定柔韌性，其密封件具有在壓力作用下能擴大直徑和材質較軟的特點，取消了硬對硬的滑動摩擦，采用軟-硬摩擦，降低漏失量的同時也降低了機械摩阻［1］.斜井柱塞中間裝有軟密封部分與金屬部分的變向接箍，傾斜作業時，變向接箍能夠使金屬部分在受力時產生自然變向，減少柱塞在泵筒內的摩擦力.

圖1 環式軟密封柱塞

1.2 固定閥

常規泵固定閥閥球材質為鋼質材料(φ44.46)，無固定閥罩結構;斜井泵固定閥球材質為白色陶瓷(φ44.46)，改進了固定閥罩結構，見圖2～3.

圖2 固定閥剖面

圖3 三維固定閥罩

固定閥罩采用全鋼材質，具有導向框架結構，使閥球盡可能維持在軸線上運動，閥球重力在軸線方向上的分力增大，利于閥球的及時開啟與關閉.同時也限制了閥球的彈跳高度，限制閥球彈跳高度的面采用錐形平面，與軸向呈60°，有效防止了閥球的偏磨現象.閥罩上增加了平行于軸線方向的導流槽，避免了由于出砂的原因產生的閥卡現象.采用陶瓷材質的閥球，減弱了柱塞下行時球閥與閥座之間的偏擊偏磨作用［2］.

2 實驗研究方案

要想通過實驗對抽油泵實際工作中的動態漏失量進行測量是很難實現的，本文只針對抽油泵的靜態漏失量進行測定，設計了3種實驗裝置，如圖4～6所示:

圖4 固定閥漏失量測定

圖5 柱塞與泵筒環隙及游動閥漏失總量測定

圖6 柱塞與泵筒環隙漏失量測定

為了模擬現場生產工況，選用高壓柱塞泵，分別以0～10 MPa的壓力向泵筒內分別注入溫度不同的兩種清水(20℃、60℃).并通過計量裝置計量漏失量.

①不加柱塞，只加固定閥，測得固定閥的漏失量;

②不加固定閥，只加柱塞，同時將柱塞上的游動閥堵死，從而測得柱塞與泵筒之間的漏失量;

③將方案②中的絲堵去除，測得柱塞上的游動閥和柱塞與泵筒之間的總漏失量.那么游動閥的漏失量=總漏失量-柱塞與泵筒之間的漏失量.

實驗步驟

①檢查實驗裝置的密封度，防止高壓液體射出，同時檢查柱塞泵的循環管路是否順暢.

②開啟柱塞泵，將泵的出口壓力調到1 MPa(1～10 MPa十個點重復做)，使泵正常工作十分鐘.

③待液體正常排出后，利用計量裝置來測量漏失量.

④重復步驟②～③.

⑤關閉柱塞泵.

3 實驗結果與分析

3.1 固定閥漏失實驗

利用高壓柱塞泵不斷向泵筒內打入清水，泵筒內的清水在靜壓力作用下會通過固定閥間隙泄漏到泵筒的外面，進而測量漏失量.實驗發現，計量裝置并沒有顯示有漏失清水從泵出口流出，即泵的固定閥不漏失.

3.2 柱塞與泵筒環隙漏失實驗

圖7 60℃斜井柱塞與常規柱塞

圖8 20℃傾角斜泵柱塞與常規柱塞

從圖7～8可以看出，當實驗介質的溫度達到60℃時，相同壓力條件下，斜井柱塞的漏失量要小于常規柱塞，這是因為隨著溫度的升高，斜井泵柱塞中軟密封結構會受熱膨脹，使密封單元與泵筒之間的密封間隙縮小，減小了柱塞和泵筒的環形間隙，所以漏失量會減小.而常規泵柱塞隨溫度升高漏失量增大，是因為溫度升高，液體粘度變小.斜井柱塞間隙漏失量與壓力關系曲線略呈凸形，說明隨著壓力的升高，斜井柱塞由于材質不同而發生膨脹，間隙減小，從而導致漏失量降低;而當溫度為常溫狀態時，相同壓力條件下，常規泵柱塞的漏失量小于斜井泵柱塞，對于常規柱塞，隨著壓力的增加，間隙漏失量也增加，且二者呈線性關系.

3.3 游動閥漏失實驗

試驗介質的溫度為常溫的實驗結果如圖9～10所示:

圖9 常規柱塞漏失量與壓力關系圖

圖10 斜井柱塞漏失量與壓力關系圖

兩種泵游動閥的漏失量相對總漏失量而言是非常小的，即泵筒與柱塞的環隙漏失量要遠大于游動閥靜態漏失量.

3.4 數據誤差分析

柱塞在往復運動的過程中，柱塞的軸線與泵筒的軸線并非完全重合，會產生偏心度，針對不同的偏心度，柱塞與泵筒之間的環隙漏失量也不相同.目前，對于柱塞與泵筒之間的環隙流動有三種理論:泵筒與柱塞的軸線平行時同心漸縮環隙理論;泵筒與柱塞的軸線平行時偏心漸縮環隙理論;泵筒與柱塞的軸線不平行時偏心漸縮環隙理論［3-5］，由此產生以下三種公式:

泵筒與柱塞的軸線平行時同心漸縮環隙:

泵筒與柱塞的軸線平行時偏心漸縮環隙:

在生產實際當中，常用初始間隙值來對環隙漏失量進行計算.當δ1=δ2=δ時，將實驗所測得的常規柱塞(φ =38 mm，δ=0.032 mm)環隙漏失量數據與環隙漏失量公式(1)、(2)、(3)進行對比，其中公式(2)取偏心率為0.816 4，結果如表1所示.

泵筒與柱塞的軸線不平行時偏心漸縮環隙:

表1 20℃實測數據與理論對比

從表1中可以看出，泵筒與柱塞軸線平行時同心環隙漸縮公式和泵筒與柱塞軸線不平行時完全偏心環隙漸縮漏失量公式所得的理論數據與實測數據差別較大，相對誤差也較大.實驗數據與泵筒與柱塞軸線平行時的偏心環隙漸縮公式所得的理論數據對比中，發現偏心率為0.8164的環隙漸縮公式所得的理論數據最接近，相對誤差最小.

4 結 論

建立了測抽油泵靜態漏失量實驗裝置，針對兩種抽油泵(常規泵和斜井泵)進行了測試，并通過對實驗數據的對比分析發現:

(1)常規泵和斜井泵的固定閥靜態漏失量為0;游動閥靜態漏失量非常小;柱塞與泵筒環間隙靜態漏失量較大.

(2)斜井泵的漏失量與壓力曲線呈凸狀，常規泵的漏失量與壓力曲線呈線性關系;在60℃條件下，斜井泵的漏失量要小于常規泵的漏失量;在常溫條件下，斜井泵的漏失量要大于常規泵的漏失量.

(3)常規泵靜態漏失量數據符合偏心度為0.816 4的泵筒與柱塞軸線平行時的偏心環隙漸縮理論公式，且相對誤差較小.

［1］韓修廷，王德喜，王研，等.利用低摩阻柱塞抽油泵提高泵效及防偏磨技術的應用［J］.石油學報，2007，28(4):138-141.

［2］焦麗穎，王洪寶，田榮恩等.采用半球形柱塞閥的新型斜井抽油泵［J］.石油機械，2003，3(6):35-36.

［3］梁政.關于整筒管式抽油泵間隙計算的探討［J］.石油機械，1991(10):8-12.

［4］吳修德，汪建華，李詩珍.抽油泵環隙漏失量的計算［J］.江漢石油學院學報，2003，25(1):95-97.

［5］汪建華，抽油泵柱塞和泵筒環隙漏失量計算的新公式［J］.石油礦場機械，2009，38(3):58-61.