改型环形灌注泵的密封系统研究

改型环形灌注泵的密封系统研究

改型环形灌注泵的密封系统研究 2011： 石油钻机是复杂的大型装备，而三缸钻井泵被喻为钻机的心脏。普遍认为使功率上千千瓦的钻井泵全部发挥功率，必须为它配备灌注泵。灌注泵主要为三缸钻井泵提供正的吸入压头，否则钻井泵吸入不好，液缸内充满度低，难以发挥其水马力。钻机上配备灌注泵在国外已成定例［1］，而国产钻机上却很少配备，即使配备了也很少使用。究其原因是因为灌注泵本身的密封严重泄漏及频繁失效造成的。由于灌注泵的特殊工况，一般的离心泵难以直接用作灌注泵，这在钻井实践中已经证实。为解决灌注泵的密封问题，必须针对它的工况特征。1　灌注泵的工况特点 1.1　流量和压力波动　　三缸单作用钻井泵各缸吸入流量为：　　总流量：Q=Q1+Q2+Q3　(如图1)图1　三缸泵的流量波动式中：ω——三缸泵曲轴角速度1/s，　　　r——曲轴长度m，　　　A——活塞面积m2，　　　φ——曲轴转角rad，　　　l——连杆长度m，一般1/r=7。　　这样三缸泵每冲吸入其流量将经过6次波动。　　最小流量Qmin=0.804ωrA　　最大流量Qmax=1ωrA　　平均流量Qmean=0.955ωrA　　最大流量与平均流量的绝对波动△Qmax=0.0451ωrA　　最小流量与平均流量的绝对波动△Qmin=-0.151ωrA　　最大流量与平均流量的相对波动δmax=4.72%　　最小流量与平均流量的相对波动δmin=-15.8%　　这样理论上三缸泵流量在-15.8%～4.72%之间波动，波幅达20.5%，这种波动对灌注泵的影响在于：对如图2所示灌注泵特性曲线，流量Q变化将引起扬程变化，灌注泵运行也将沿ABC线滑动，流量扬程的这种波动引起灌注泵的振动，反过来影响灌注泵的性能。因而实际的灌注泵特性是在ABC附近波动，同时灌注泵的叶片、泵轴和与之相连的部件均处于一种不稳定的振动状态。此外，灌注泵到三缸泵间的压头损失是由沿程损失和惯性损失决定的，两者均要求灌注泵在流量Q增加时能提供大的压头。而灌注泵的压头与流量Q的变化趋化与此相反，由此引起管路运动的不平稳性并将进一步引起灌注泵、三缸泵的整个吸入系统的振动，从而引起灌注泵的过早失效。图2　所示灌注泵特性曲线 1.2　小流量工况　　由于离心泵是按额定工况点进行设计的，这时水泵具有最高效率，而钻井泵的排量因钻井工况而异在相当大的范围内变动，并且灌注泵必须为三缸泵考虑一定的裕量，这样灌注泵的额定流量并不是三缸泵的工作流量，且往往偏大。对于普通的涡形泵体，小流量下叶轮受到较大的径向作用力。它引起泵轴弯曲，给周向轴封造成径向间隙，导致泄漏。 1.3　介质　　灌注泵的介质为钻井液。钻井液的粘度大、重度大、含固相颗粒和腐蚀性成分，与清水介质的离心泵相比灌注泵的效率低、所需功率大、经受磨蚀及腐蚀。对填料密封，泄漏时固体颗粒可残留在填料与泵轴之间，一方面影响填料性能、密封效果，另一方面残留的填料函表面的颗粒又相当于一层砂布缠在泵轴上对泵轴进行磨损，进一步恶化密封副。2　密封系统分析　　泄漏可以理解为介质通过间隙在压差作用下进行的。它有两个因素：一个是间隙，另一个是压差。如果没有间隙或压差，介质是不可能发生泄漏的。理论上，灌注泵轴封与填料之间可以看作偏心圆环缝隙，其泄漏量［2］：　　　　　　　　　　　　　　　　　　(1)式中：d——泵轴直径m，　　　l——密封段长度m，　　　c——考虑层流初始段影响的修正系数，　　　△p——轴封两端压差Pa，　　　δ——径向间隙m。　　可见泄漏量与间隙的

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