高壓壓裂泵液力端的設計

皮振東

（中石化四機石油機械有限公司， 湖北 荊州 434024）

引言

高壓壓裂泵是在油井開采中實現壓裂的重要設備，整個壓裂泵的構成分為動力端以及液力端兩個部分，動力端用于傳遞動力，完成低壓液體的吸入和高壓液體的排出，而組成液力端的泵頭體、泵閥、密封件在內都屬于易損件，它們對壓裂泵是否能穩定、良好的運行有直接影響，對高壓壓裂泵液力端的設計與研究對保障生產具備十分積極的意義。壓裂泵主體結構見圖1。

1 液力端總體設計

1.1 液力端設計概述

壓裂泵是一種往復泵，通過活塞在往復循環過程中形成正負壓對流體進行輸送。設計過程中使用直通式液力端能減小阻力損失，且有良好的過流性，其次供流體流通的內腔要有良好的結構形狀，余隙容積盡可能小，不應有使氣體滯留的死區；泵頭體、泵閥、柱塞裝配區域應設計合理，能方便更換、防止互相之間有不良干擾，同時也要保障密封的可靠性和好的制造工藝性；易損件的材質、構型根據經濟效益和作業工況來設計，在此基礎上，盡可能地保障其具有較長的使用壽命、穩定的工作性能和便于維護維修的結構。

1.2 液力端的結構確定

四通體結構直通式液力端，腔體容積縫隙較小、擁有良好的流動性且便于柱塞和閥體的維護維修。如圖2 所示，橫向為柱塞腔，縱向為缸腔，柱塞在壓裂泵動力端驅動下，在柱塞腔體內左右往復運動，柱塞向右移動時，負壓使上閥體閉合，吸起下閥體，在缸室形成負壓腔室，吸入流體；當柱塞向左移動時，正壓使下閥體閉合，擠開上閥體，形成正壓腔室，由排出孔排出流體。

2 液力端設計與研究

2.1 泵頭體（見下頁圖3）

2.1.1 柱塞腔內徑的設計

泵頭體柱塞腔內徑d1可由柱塞的直徑D 和柱塞腔填料在徑向方向尺寸b 確定，用式（1）確定：

填料在徑向方向的尺寸b 可由如式（2）確定[1]：

2.1.2 吸入、排出蓋的蓋孔設計

在柱塞腔對面和缸腔頂部設計吸入和排出蓋蓋孔，方便閥體和柱塞的安裝與拆卸。蓋孔配合螺紋可以緊固吸入、排出蓋。

吸入排出蓋受到的液體作用力F 為[2]：

式中：p 為排出壓力。可以通過上式算出合適的壓蓋直徑：

2.1.3 閥體安裝的錐形孔設計

泵頭體內腔的錐形孔2a 用于安裝閥體的凡爾座，有上下兩處，使用錐形結構能與凡爾座發生自鎖，錐角取值不可過大，過大不能保證凡爾座發生自鎖，也不能過小，易導致錐孔壓潰，使閥座下沉嵌入錐孔，導致維護維修難度增加、損壞泵頭體。

2.2 泵閥

泵閥一般由凡爾座、凡爾體、凡爾體密封圈、彈簧、彈簧固定座組成。使用錐形閥結構，具有過流能力強、水利損失小、密封性能好，流道平滑等優點。凡爾座和凡爾體為錐形閥的主要部分，凡爾體又由上體和導向體結構組成，導向體采用翼形結構，有助于減輕重量，提高通流能力。將凡爾體盛放于凡爾座上，導向體在凡爾座中用于限制位移方向，凡爾體密封圈置于上體，并與凡爾座貼合，同時上體卡住彈簧，通過彈簧固定座壓緊凡爾體與凡爾座，其中凡爾密封圈應選用強度和彈性較好的材料，彈簧使用錐形彈簧以減少泵閥閉合時的沖擊，閥體結構件如圖4 所示。

2.3 柱塞及密封件

2.3.1 柱塞設計

柱塞與十字頭通過小連桿連接，柱塞和小連桿使用柱塞卡箍連接，在維護維修時，打開卡箍，能方便柱塞的拆卸。為有效防止作業過程中產生摩擦，應采用合理的制造材料提高耐磨性或者注入潤滑脂避免柱塞的磨損。

2.3.2 柱塞密封設計

液力端在工作中承受高壓，需要保障密封的可靠性和其壽命，柱塞處于往復活動中，應使用柱塞密封盤根對其密封，盤根密封組件由靠內部的支撐結構支撐軟質盤根，外部使用盤根壓蓋壓緊，軟質盤根組件采用V 型結構，這種結構能使盤根壓蓋壓緊V 型軟盤根后展開，提高密封的可靠性，除此之外，在密封盤根設計潤滑油注入孔，注入潤滑油避免盤根與柱塞摩擦導致盤根過熱烤化，盤根組件結構如圖5 所示。

3 結語

通過以上內容可以確定一種四通體泵頭體內腔、錐形泵閥以及柱塞和其密封件的設計，然后再在結合發展現狀實現科學合理的綜合設計。整個設計過程的重點在于易損件的使用壽命和穩定性提高，以及針對密封組件的設計。