螺桿泵密封性能影響因素分析

于曉燕

（大慶油田力神泵業有限公司，黑龍江大慶 163000）

0 引言

隨著采油技術的不斷發展進步，螺桿泵因為占用的面積較少，運行噪音小以及節能等方面的優勢，已經成為國內很多油田采用的重要人工舉升設備之一。該設備造價不高而且具備很好的節能效果，可以為油田企業創造更多的經濟效益。可是當前的螺桿泵采油技術只能開采深度不大于2000 m 的油氣井，其具備的優勢還沒有完全發揮出來。如果把螺桿泵的舉升能力進一步提高是當前需要解決的關鍵問題，而螺桿泵具備的密封性能直接決定著其舉升能力，所以，從過盈量、螺桿泵橡膠硬度以及泊松比3 個方面展開探討。

1 螺桿泵密封性能分析模型的組建

1.1 幾何分析模型的建立

常規螺桿泵和等壁厚螺桿泵都是由橡膠材料的定子內襯和剛性的金屬轉子，多采用丁腈橡膠作為加工定子內襯的材料。定子之外的鋼套與橡膠內襯進行比較來看，兩者間的彈性模量差距很大，可是產生的變形卻很小，為了把模型進行簡化處理，可以把定子外部的鋼套去除掉，而把位移進行限制的施加到橡膠內襯的外部。同時，螺桿泵的組成結構較為復雜，對螺桿泵幾何模型進行分析時，可以把定、轉子應用平面應力數學模開進來取代三維模型，從提升分析和求解的效高。下面以GLB500-14 型號的螺桿泵作為實例，建立數學模型。

1.2 計算模型的建立

把經過簡化處理之后的幾何模型來組建有限無分析模型，對其進行網絡化的區分。螺桿泵轉子材料為鋼，具備的強性模量為211 GPa，泊松比數值為0.26，螺桿泵內部的定子橡膠和轉子相互間存在接觸的問題，對初始接觸情況進行確定是實現過盈量接觸分析的關鍵，如果初始接觸情況確定的不正確，會引起計算數值的不準確。過盈量會對螺桿泵接觸情況分析和研究形成很大的影響，有的科研人員把2 個需要接觸的構件幾何位置設定一定數值的過盈量，利用過盈量來對配合情況進行仿值，這種分析方法是不正確的。幾何理論上的過盈量不可以等同于劃分網格之后有限無數學模型的具體過盈量。

在進行有限元分析時，不但要充分考慮到兩個接觸部件的最初位置引起的最初侵入量，還應該關注CNOF（將接觸對上接觸面上的節點朝目標面移動所設定的距離）接觸參數產生的偏移情況。也就是2 個接觸部件的最初接觸情況是從CNOF 最初的侵入量共同影響下而產生的。這種情況下，2 個接觸部位的最初幾何位置對于最初的接觸情況會產生一定影響，會對精準確定螺泵體的內部的過盈量沒有幫助。

2 螺桿泵密封性能影響因素分析

2.1 過盈量對于密封性能的影響

螺桿泵的過盈量也就是內部金屬材料的轉子與橡膠內襯相互間的過盈量配合間隙的尺寸，該尺寸是否合理決定著螺桿泵橡膠定子和金屬轉子之間的過盈量情況。只有合理的過盈量數值才能使密閉的泵體腔室相互間密封及單級承壓性能，所以，對于螺桿泵具備的性能有著直接的影響。如果螺桿泵級數保持不變，過盈量會決定著定、轉子相互間的密閉腔體承壓，從而對舉升性能產生很大影響，如果過盈量變大，那么定轉子相互間的密封能力就會提升，舉升壓力則會相應提高。

常用螺桿泵舉升設備在不同過盈量具備的特性曲線中可以得知，在螺桿泵容積效率超過50%條件下，才具有實際的分析價值，在過盈量為0.3 mm 時，螺桿泵的容許壓力可以達到10.5 MPa。如果過盈量為0.4 mm，那行螺桿泵容許的壓力為12 MPa。而從GLB500-14 型的螺桿泵中特性數量可知，如果內子橡膠具備的彈性模量達到4 MPa，泊松比值則為0.5。有的科研人員對于最高接觸壓力情況對于螺桿泵體的密封圈性能的影響方面作了深入的分析和研究，把最高接觸壓力來對密封能力進行評價，可以得到過盈量對螺桿泵體可以達到的舉升能力的影響。

（1）如果最高接觸壓力和螺桿泵密封腔體內部壓力相互間呈現出反向關系，會跟著密封腔體內的壓力數值的變大，橡膠定子和金屬轉子之間的最高接觸壓力會減少。

（2）同樣的密封腔體壓力，會跟著螺桿泵定子橡膠內襯和金屬轉子之間的過盈量提升，最高接觸壓力變大。

（3）如果過盈量數值變大，那行橡膠定子和金屬轉子相互間擠壓能力就會變強，形成的接觸壓力也會進一步提長，螺桿泵具備的密封能力就越強。所以，如果別的性能參數保持不變，應用較大的過盈量會使螺桿泵具備的密封能力提長，從而進一步提高螺桿泵的舉升性能。

2.2 橡膠材料硬度對密封性能產生的影響

橡膠材料具備的硬度是用來衡量抵抗變形的性能。而彈性模量是來反應材料彈性變形能力強弱參數，具備的彈性模量越大，則表明越難產生彈性變形。可以用于體現原子相互間結合力的物理量，和成分沒有任何關系。硬度是指在產生塑性變形狀況下進行測量而得到的，和組織有著直接的關系。彈性模量和硬度之間存在著一定的聯系，從大量的統計數據中可以發現，一般認識彈性變形會跟著硬度的變大而提升。國外的學者認為，橡膠材料在小變形的情況下可對材料進行簡化處理，即E=。其中，E 為彈性模量，HA是邵氏硬度數值。以上述研究作為前提，將邵氏硬度值取為56、75 然后轉化為彈性模型進行研究。對螺桿泵截面的上、下不同腔室施加相同的壓力，過盈量為0.2 mm，泊松比為0.5。上、下2 個腔室從0 MPa 不斷加壓，不同壓力條件下的最高接觸壓力為：①螺桿泵定子橡膠內襯最高接觸壓力會跟著壓力的變大而減少，改變的趨勢不變；②橡膠內襯材料的硬度值高，最高接觸壓力曲線位置則就會越往上，具備的密封能力就越高。硬度值小，最高接觸壓力曲線位置則就向下，可以達到的密封性能就變差；③定子橡膠具備的硬度值高，則不易產生變，同樣的泵體腔室內部的壓力條件下變形量就更少，最高接觸壓力減小程度則越低，螺桿泵密封特性就比較強。所以，選取硬度值高的定子橡膠材料來作為內襯，就可以更好地提升泵體的密封能力。

2.3 泊松比對于密封性能產生的影響

一般情況下，對橡膠材料加工而成的構件進行力學分析時，都可以把其作為不可壓縮或類似不可壓縮的的材料。如果嚴格進行要求，那么橡膠構件就是類似不可壓縮材料，具備的較小壓縮性能對于力學特性方面的影響應該給予考慮。下面把橡膠定子內襯變形當作新彈性進行處理，研究橡膠的泊松比對螺桿泵具備的密封能力影響。

油田通常采用的螺桿泵過盈量為0.3 mm，彈性模量為4 MPa。壓差以及泊松比數值不同時，最高的接觸壓力數據資料進行分析，同時與等壁厚螺桿泵進行對比分析，可以得知：①在特定區間內，密封腔體內部的壓差變大，臨界的接觸壓力就會變高；②內部的密封腔體壓力變大，其臨界的接觸壓力就會變小；③泊松比和最大接觸壓力呈現出正比例關系，泊松比數值高，螺桿泵橡膠內襯接觸壓力就會變高，具備的密封能力就越好；④在同樣的情況下，數值不同的泊松比不會對最高接觸壓力初值產生影響，但會對斜率值產生影響；⑤泊松比數值越小，橡膠材料最高接觸壓力會跟著壓力差的變大呈現出上漲緩慢的趨勢（橡膠材料最高接觸壓力會跟著壓力差變大而減少得更快，可以表明橡膠材料如果易被壓縮，則密封特性就會變差）；⑥泊松比與螺桿泵和等壁厚螺桿泵對于密封能力關系，同樣情況下螺桿泵的數據曲線會減少的更快，如果接觸壓力變小，它的密封能力就會變弱，表現為等壁厚要比螺桿泵具有更好的密封特性。

3 結論和建議

（1）如果螺桿泵的過盈量較大，那么橡膠定子會和金屬轉子相互間的擠壓能力變強，形成的接觸壓力就會提高，泵體具備的密封能力就會越高。所以，不對其他性能參數進行改變的條件下，可以選取過盈量較高的螺桿泵，可以有效提高泵體的密封能力，實現更高的舉升壓力，但這樣會減小機械效率。

（2）泵體內部的壓力會讓定子橡膠材料產生體積壓縮，形成的接觸壓力會變小、引起漏失問題。定子橡膠材料具備的硬度條件越大，可以承受的彈性變形的能力就會提高，泵體具備的密封能力就會更好，可是提升定子橡膠的硬度必須要保證螺桿泵的加工制造精度滿足更高的要求。

（3）質量不好的定子橡膠材料可以產生更大的壓縮變形，泵體內部施加一定的壓力會產生壓縮而發生漏失現象。在同樣的情況下，泊松比數值越高，泵體的密封能力就越好。