壓裂泵柱塞失效模式分析與改進(jìn)應(yīng)用

田 奎，李 雄，陳守成，謝照寬，馬志勇 (河南油田分公司井下作業(yè)處，河南 桐柏 474780)

壓裂泵柱塞失效模式分析與改進(jìn)應(yīng)用

田 奎，李 雄，陳守成，謝照寬，馬志勇 (河南油田分公司井下作業(yè)處，河南 桐柏 474780)

通過對河南井下700型壓裂車在使用過程中柱塞失效模式的統(tǒng)計(jì)分析，找出了該種柱塞快速磨損的主要原因。針對失效原因以及實(shí)際工作情況，對柱塞結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，將一體化實(shí)心柱塞改為空心柱塞，進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)改進(jìn)和表面特殊工藝處理，消除了柱塞的快速磨損的失效原因，大大延長柱塞的使用壽命，在現(xiàn)場應(yīng)用后取得了良好的效果。

壓裂泵；柱塞；失效模式

壓裂、酸化施工是通過壓裂、酸化設(shè)備將施工液高壓注入改造地層，從而達(dá)到提高油層滲透率的增油措施，目前被廣泛運(yùn)用于油田勘探開發(fā)，成為增加原油產(chǎn)量的重要手段，壓裂泵作為壓裂、酸化設(shè)備的核心部件之一，其工作運(yùn)行的可靠性對于壓裂、酸化的成功施工具有重要的意義。

柱塞是壓裂泵的重要部件之一，安裝于壓裂泵動(dòng)力端和液力端之間，它一方面受到來自動(dòng)力端的交變作用力，另一方面直接耐受液力端的高壓沖擊，工作條件復(fù)雜惡劣，是容易損壞的部件之一。通過研究分析柱塞失效模式的成因，有針對性提出改進(jìn)措施，從而延緩柱塞在工作運(yùn)行中的磨損，延長柱塞的使用壽命，對于提高壓裂泵的整體工作能力和可靠性具有至關(guān)重要的作用。

1 一體化實(shí)心柱塞工作原理

柱塞泵由其動(dòng)力端提供動(dòng)力，來自動(dòng)力端的動(dòng)力通過十字頭傳遞給柱塞，從而使柱塞在缸套內(nèi)端作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，柱塞進(jìn)出泵閥腔改變閥腔工作室體積。當(dāng)柱塞離開閥腔時(shí)，工作室容積增大，壓力降低，排出閥關(guān)閉，當(dāng)壓力低于進(jìn)口處壓力時(shí)，吸入閥打開，液體進(jìn)入；當(dāng)柱塞進(jìn)入閥腔時(shí)，閥腔工作室體積減少，壓力升高，吸入閥關(guān)閉，排出閥打開，排出液體，上述過程的不斷循環(huán)往復(fù)，從而泵出高壓液流。

2 柱塞失效分析

統(tǒng)計(jì)壓裂泵柱塞在使用中失效報(bào)廢的各種形式，進(jìn)行總結(jié)歸類，找出柱塞主要和次要磨損失效模式，分析其成因，尋求主要改進(jìn)方向，制定控制削減措施。

以2011年河南井下酸壓隊(duì)為研究對象，該隊(duì)8臺700型壓裂車因柱塞磨損失效共更換柱塞150根，各種失效模式和頻次及故障影響見表1。

1)柱塞偏磨 由于一體化實(shí)心柱塞過重，容易導(dǎo)致柱塞下部運(yùn)動(dòng)接觸面出現(xiàn)偏磨，導(dǎo)致高壓密封失效，從而出現(xiàn)酸液刺漏現(xiàn)象。

2)柱塞表面腐蝕 在酸液以及細(xì)小顆粒的沖刷下，柱塞表面出現(xiàn)失去光潔度，出現(xiàn)細(xì)小麻點(diǎn)或凹坑，從而導(dǎo)致酸液刺漏。

3)劃痕溝槽 一般是由較大顆粒進(jìn)入柱塞表面，導(dǎo)致柱塞表面出現(xiàn)劃痕溝槽，引起柱塞刺漏。

4)柱塞絲頭斷裂 由于高壓施工柱塞受力極大，當(dāng)柱塞與十字頭連接出現(xiàn)松曠時(shí)，在交變沖擊載荷下，柱塞絲頭發(fā)生斷裂。

5)柱塞裝配不當(dāng) 柱塞裝配時(shí)用力過猛，或者柱塞密封過送或過緊，均可能導(dǎo)致柱塞和密封件較早損壞，從而失去密封作用，引起柱塞刺漏。

3 改進(jìn)對策

1)優(yōu)化結(jié)構(gòu) 柱塞偏磨主要原因在于一體化實(shí)心柱塞過重，導(dǎo)致下部運(yùn)動(dòng)接觸面磨損較快，在材料許用應(yīng)力大于工作應(yīng)力時(shí)，可以考慮采用空心柱塞代替實(shí)心柱塞。

700型柱塞主要承受軸向拉伸和壓縮載荷，以700型壓裂泵最高壓力70MPa計(jì)算，則柱塞最大受力F=P×S=70×π×1002/4=549500N，空心柱塞外徑D為100mm，內(nèi)徑d為52mm，則工作應(yīng)力σ=4·F/[π(D2-d2)]=4×549500/[π(10000-2704)]=95.94MPa。

經(jīng)查柱塞材料許用應(yīng)力為230MPa，大于最大工作應(yīng)力，表明選用該種材料制作空心柱塞能夠滿足使用要求。根據(jù)柱塞使用要求，空心柱塞采用前端鏜孔加工，另外加工堵頭將端孔堵住，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙如圖1所示。

2)輔助優(yōu)化措施 為了增強(qiáng)柱塞表面防腐能力，對柱塞表面進(jìn)行滲氮處理；其次，柱塞后端加工弧形倒角，便于柱塞安裝，且在安裝柱塞過程中不容易割破損壞柱塞盤根，確保其密封性能；第三，酸罐出口接頭處加濾網(wǎng)，防止較大顆粒進(jìn)入泵腔，避免其對柱塞以及泵體造成沖擊及磨損。

4 應(yīng)用效果

采用新型柱塞之后，通過半年時(shí)間的使用，每根柱塞的使用期限達(dá)到60井次，較之改進(jìn)前的每跟柱塞40井次的使用期限，其使用性能和使用壽命得到了顯著的提高。

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.08.036

TE934

A

1673-1409(2012)08-N110-02

2012-05-25

田奎(1972-)，男，1993年重慶石油學(xué)校畢業(yè)，助理工程師，現(xiàn)主要從事壓裂酸化方面的研究工作。

[編輯] 洪云飛