壓裂泵動力端潤滑系統技術要求研究

呂月志 （中石化勝利石油工程有限公司井下作業公司，山東 東營257077）

壓裂泵是一種往復、容積式、單作用、臥式三缸柱塞泵。可以選擇不同規格的柱塞以滿足用戶對不同壓力和排量的要求；可以滿足油田間歇性油井作業，如酸化、壓裂和壓井等，主要用于油田大型壓裂施工作業。柱塞泵由動力端、液力端和行星輪減速箱組成；用戶可選用不同規格的柱塞以及相應盤根總成或者液力端總成來進行不同工作性能參數的配置。動力端總成主要由曲軸箱體、曲軸總成、十字頭箱體以及連桿十字頭總成等組成。動力端潤滑采用壓力強制潤滑，必須提供一個合理可靠的外部潤滑系統，才能保證柱塞泵具有最佳工作性能和最長使用壽命［1］。為了使柱塞泵正常工作，對其動力端潤滑系統提出了嚴格的技術要求。

1 動力端總成潤滑系統設計要求

1.1 油箱

①最小容量必須為568L；②吸入管出口最小尺寸應為3in（1in＝25.4mm），盡可能深地安裝；③吸入管出口和回油管入口應盡可能遠的隔開；④排出管的回流接頭的最小尺寸應為3in，安全閥管線的回流接頭最小尺寸應為1in；⑤極力推薦在3in回油管口附近安裝1個方便使用的磁鐵；⑥通氣孔／加油口蓋最小應為40目，并應包含有能阻止廢物進入油箱的內置濾網；⑦油尺和窺視孔應可指示油箱中油面位置；⑧油箱必須位于柱塞泵最低排放口下面，離泵盡可能的近（最好在泵的正下方）。

1.2 潤滑油系統的吸入管道

①整個管內徑最小必須為3in，這樣吸入管流速絕不會超過2～3ft／s。②必須包括1個入口最小尺寸為3in的吸入濾網，網孔規格為40～100目（400～150μm）的金屬網，濾芯面積最小為1500in2，內置旁通管壓力3～5psi（6～10inHg），額定流量最小為150gal／min（1gal＝3.78541L）；清洗濾芯時，為了方便維護，應優先采用軸向筒式濾網。③如果潤滑油泵裝在油箱的液面以上，那么可以在吸入管中安裝至少3in的回轉式單向閥。④吸入管應盡可能的短，不得有太多的彎曲；為防止損壞，采用金屬絲編織的吸入管；如果它的長度大于10ft，應該通過增加管內徑到4in來補償摩擦損失。

1.3 潤滑泵

①潤滑泵必須是齒輪泵，當它以最高轉速運行時，其流量最小應為50gal／min。②出口和入口應盡可能大，入口最好為3in，出口最好為1.25in；如果齒輪泵吸入口小于3in，為了保持3in的吸入管盡可能安裝在齒輪泵附近，應該采用一種短節接頭。③為了監控吸入流量狀況，特別是寒冷天氣下的冷啟動期間，1個充液真空計（0～30inHg）（1inHg≈249Pa）應被安裝在離齒輪泵吸入口盡可能近的地方。④齒輪泵可直接安裝在發動機上的一個輔助傳動位置上，或者通過PTO（取力器）直接與傳動箱連接；通過傳動箱／PTO的安裝方式能降低安裝高度，改善吸入條件；潤滑泵的安裝必須是一種直接安裝的驅動布置，無論柱塞泵原動機何時運行時，它都在發動機的轉速下工作。

1.4 潤滑系統壓力管線和油濾器

①為了保持10～12ft／s的流速，壓力管線的最小內徑必須為1.25in。②壓力管線應為金屬絲編織的，最小工作壓力800psi（1psi＝6894.757Pa）。③油濾器的最小額定能力為150gal／200psi，必須有一個內置的15～25psi安全閥和25～33μm的濾芯；油濾器可以是自旋式一次性濾芯或筒形密封式一次性濾芯；油濾器必須安裝在易于檢修的位置，推薦使用1個內置旁通指示器（檢修指示器）；150gal以上的雙濾芯油濾器將減少過濾90號重齒輪油時的壓降并延長更換濾芯的間隔時間；絕不可使用外置安全閥來保護油濾器。④在柱塞泵上NPT1的潤滑油入口必須安裝0～200psi油壓表（注液）；對于安裝有遠控的裝置，極力推薦使用1個輔助油壓表。

1.5 潤滑系統的安全閥和回流管線

①系統安全閥應為1in、30～40gal、60psi（最小）／200psi（最大）、可調整的、無振動型的安全閥；②安全閥必須裝在柱塞泵1in的NPT（標準管螺紋）潤滑口上（對著潤滑油入口），以便保證潤滑油在到達安全閥前通過整個柱塞泵；③安全回流管線（金屬絲編織）內徑最小為1in，最小工作壓力為800psi，直接回油箱。

1.6 潤滑油排放管路（從柱塞泵到油箱）

①在動力端殼體的底部配有3in的NPT排放口，排出管線不得比動力端的排出口小，還應盡可能的短；排出管不應有太多的彎曲，應確保潤滑油自由連續地向下流入油箱。②0～2500℉油溫表應該安裝在主排出管線上，以便它的傳感器可以淹沒在從柱塞泵回來的潤滑油中；溫度計應安裝在易于觀察的位置；對于安裝有遠控的裝置，極力推薦使用一個輔助的溫度計。

1.7 供選用的潤滑系統

①極熱的環境條件下，需要1個油冷卻器來防止油溫過高和油黏度不合適；使用時，冷卻器應為“空氣至油”或“強制空冷”型式，并裝在油濾器的下游；冷卻器的能力應為150gal／250psi（最小），入口和出口接頭最小為1.25in；如果油井服務裝置在寒冷的氣候下也要作業，冷卻器必須豎直放置，讓油旁通過冷卻器。②在極冷的環境條件下，可以使用一個電控油槽加熱器或一個“管殼式熱交換器”，來防止特別差的潤滑油吸入狀況，避免因潤滑油太冷和潤滑油黏度不合適而導致潤滑油泵的損壞；使用時，電控油槽加熱器應該安裝在靠近油箱吸入管出口的位置，并能在8～12h期間將油加熱到80～100℉；為防止油過熱，電控油槽加熱器必須是恒溫控制的。

2 推薦使用的動力端潤滑油

為了確保柱塞泵長壽命和無故障服務，選擇合適的齒輪油滿足動力端潤滑的需要是非常重要的。筆者極力推薦用戶使用目前市場上銷售的一種現代“合成潤滑油”。合成潤滑油在大多數環境條件下表現出更加穩定的黏度；與同樣黏度的傳統齒輪油相比，合成潤滑油增加了油膜強度。使用這種合成潤滑油，將在柱塞泵啟動時提高潤滑油的流動性能，提供更好的防磨效果，減少配合部件的阻力和磨擦，產生更大的輸出功率。為獲得最佳性能，不管選用何種動力端潤滑油，在使用時潤滑油的溫度應保持在1500℉以下。具體要求如下。

2.1 一般用途合成動力端潤滑油的選用

這些齒輪油必須適合在“高壓（EP）”條件下使用，其黏度指標必須大于135s（塞氏通用黏度單位：秒數）或更高，凝點必須低于－350℉或更低，必須進行50lb或更大的“鐵姆肯測試（TIMKEN TEST）”，在2100℉下黏度必須大于125s。在使用這些齒輪油時，柱塞泵的工作溫度不得超過1750℉。

2.2 季節性非合成動力端潤滑油的選用

柱塞泵也可以使用常規非合成齒輪潤滑油；在特定的季節，要更加注意選擇適合周圍環境的潤滑油的正確等級。在任何情況下，常規的齒輪潤滑油必須包括一種極壓添加劑，必須達到或超過Mil－Spec.Mil－L－2105B標準，必須進行45lb或更大的“鐵姆肯測試（TIMKEN TEST）”。

1）適宜的工作情況（春季和秋季） 這些齒輪油適合在32～90℉氣溫下使用。油的凝固點必須在0℉以下，在210℉下必須有85s的黏度。在使用這些潤滑油時，柱塞泵的工作溫度不得超過175℉。

2）氣溫變高的工作情況（夏季或熱帶氣候） 這些齒輪油適合于這種氣候條件的環境溫度為40～110℉。油的凝固點必須在20℉以下，在210℉下必須有125s的黏度。在使用這些潤滑油時，柱塞泵的工作溫度不得超過195℉。

3）氣溫變低的工作情況（冬季） 在極冷的環境下使用任何柱塞泵，極力推薦使用合成壓力齒輪油。這些齒輪油適合在低溫（－15～70℉）的冬季使用。油的凝固點必須在－20℉以下，在210℉下必須有75s的黏度。在使用這些潤滑油時，柱塞泵的工作溫度不得超過130℉。

3 動力端潤滑系統的啟動

整機工作前，應先啟動潤滑系統，主要步驟如下：

1）按現有的環境條件，向動力端潤滑油箱加注正確等級的極壓齒輪油。油箱不要加得過滿，正確的油位應在液面上留出約10%的空間。卸開潤滑油泵吸入口處的潤滑油吸入軟管，用該軟管將齒輪油加入潤滑油泵中。重新安裝和固定吸入軟管。

2）柱塞泵傳動箱在空檔時，啟動發動機并讓它空轉。大約花幾分鐘的時間，就可將潤滑油充滿所有管線和濾清器等；在此期間，應對軟管連接處進行一次徹底的泄漏檢查。待所有的管線充滿后，柱塞泵潤滑油入口的壓力表開始顯示系統壓力。讓發動機運行5min以上，以便排出系統中的空氣。關閉發動機，向油箱里加注潤滑油，達到滿油位刻度。

3）傳動箱在空檔時，重新啟動發動機，逐漸提高發動機的轉速到滿速；與此同時，檢查潤滑油吸入口的真空表和柱塞泵潤滑油入口的壓力表。如果潤滑油溫度太高和黏度太低，真空表的讀數不會超過0.035MPa；如果潤滑油太冷、太黏，應降低發動機的轉速，直到真空表的讀數下降到0.035MPa。油在潤滑系統和柱塞泵中流動會產生摩擦，其溫度最終會升高。

4）當真空表的讀數在發動機滿速運行時不再超過0.035MPa時，調整潤滑系統的安全閥以使其油壓在發動機滿速時不超過約1.05～1.2MPa。在潤滑系統中，濾清器的壓力通常是最低的。對潤滑系統安全閥的設定主要是為了保護油濾器，只要不超過系統中最低壓力的部件，它的設定值可高于1.2MPa；除非油壓超過約2.8MPa，否則柱塞泵本身是不會被損壞的。再次強調，必要時，檢查整個潤滑系統的泄漏情況，關掉發動機并向油箱加油。待潤滑系統安裝和正確運行后，柱塞泵才能運轉。

4 動力端潤滑系統的工作技術規范

由于齒輪油黏度會隨著溫度的變化而變化，所以動力端潤滑系統的壓力也會有比較大的變化。因此，在使用的過程中要遵守潤滑系統的技術規范。

1）潤滑油泵吸入口的最大真空度：10inHg。

2）柱塞泵正常工作時的最高油溫：一般SEA90齒輪潤滑油為175℉；低溫SEA80齒輪潤滑油為130℉；高溫SEA140齒輪潤滑油為195℉。

3）柱塞泵正常工作時的潤滑油壓力：在冷啟動或正常運轉時的最高油壓為175psi；穩定的溫度下正常運轉油壓范圍為70～120psi；穩定的溫度下高速運轉時的最小油壓40psi。

任何不正常的真空度、壓力、溫度上突然的變化（尤其同時出現異常的噪音、振動、煙塵），均要停止柱塞泵的工作并查明原因，防止動力端更大的損壞。

［1］劉明皓 .新型壓裂泵潤滑系統的設計技術要求 ［J］.石油天然氣學報（江漢石油學院學報），2012，34（05X）：341～342.