液壓及密封技術(shù)在石油機(jī)械中的應(yīng)用

摘 要： 本文重點(diǎn)介紹流體動壓徑向密封技術(shù)是基于流體動壓效應(yīng)衍生和發(fā)展起來的機(jī)械原理，對常規(guī)的徑向密封圈有較好的替代作用，能夠解決常規(guī)機(jī)件中存在的隱患及弊端，特別是對于空間有限、磨損嚴(yán)重和作業(yè)量大等工作場合，具有廣泛的適用性和操作性。本文重點(diǎn)結(jié)合流體動壓徑向密封技術(shù)在石油機(jī)械的應(yīng)用情況進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞： 流體動壓； 徑向密封技術(shù)； 石油機(jī)械

隨著石油開采企業(yè)開始進(jìn)入精細(xì)化發(fā)展軌道， 石油產(chǎn)品由產(chǎn)業(yè)密集型向技術(shù)多樣型轉(zhuǎn)變， 石油機(jī)械的集成化、自動化、智能化程度越來越高， 經(jīng)過嚴(yán)格測試， 設(shè)備整體搭配基本趨于合理， 但因其具有高壓、高溫、高速等特點(diǎn)， 對傳統(tǒng)設(shè)備當(dāng)中的環(huán)形密封橡膠圈質(zhì)量要求較高。傳統(tǒng)的徑向密封圈如果長時(shí)間處于高速摩擦狀態(tài)，會引發(fā)高熱磨損， 產(chǎn)生物理化學(xué)吸附膜，導(dǎo)致失去應(yīng)有效果。因此，急需對徑向密封圈進(jìn)行改進(jìn)產(chǎn)生流體動壓密封技術(shù)。

1.流體動壓徑向密封技術(shù)及其作用

流體動壓徑向密封技術(shù)最早發(fā)現(xiàn)于1965年，德國學(xué)者A﹒Layer于1966年開始研究， 將這種技術(shù)與普通的環(huán)形密封圈結(jié)合在一起，經(jīng)過多年的發(fā)展，美國M.S.在1986年申請了專利Us4610369，標(biāo)志著流體動壓徑向技術(shù)正式商業(yè)化。這種密封技術(shù)主要就是利用流體動壓原理， 在動密封面間制造一種動壓油膜， 用以避免機(jī)械運(yùn)動表面直接接觸而產(chǎn)生過速摩擦的問題，

能夠有效降低機(jī)件損耗和運(yùn)行過熱。通過實(shí)踐來看，能夠?qū)崿F(xiàn)80%的理論效果，基于當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展， 可以合數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成精密的機(jī)件，使用性能和性價(jià)比較高。它指出密封件間的運(yùn)動速度越快形成了油膜就越厚，體動壓徑向密封技術(shù)具有極強(qiáng)適應(yīng)性。Kalsi提出的新型流體動壓密封技術(shù)，通過實(shí)物來看， 密封圈接近于矩形， 用以安裝在密封溝槽內(nèi)， 在靜止時(shí)， 與傳統(tǒng)密封圈性能相同， 運(yùn)動時(shí)才會體現(xiàn)出不同的特性： 一是潤滑作用。通過在密封潤滑脂與波紋接觸面上產(chǎn)生一定的速度， 確保在動密封面之間形成動壓潤滑膜， 轉(zhuǎn)速越快， 流體動壓潤滑膜就越厚， 既有效的降低溫度，又可以起到潤滑作用；二是阻塵作用。密封圈靠近外部環(huán)境邊緣部分設(shè)計(jì)成銳利直角， 防止外界顆粒較大的磨料進(jìn)入到密封圈內(nèi)。同時(shí)， 在設(shè)計(jì)當(dāng)中， 有控制的讓部分潤滑脂從外側(cè)邊緣漏出，可以有效的將磨料粘住和擠出密封面間。如密封面間進(jìn)入到軸向運(yùn)動時(shí)，這個(gè)直角還可以起到刮塵的作用， 也可以防止微粒進(jìn)入。

2.徑向密封技術(shù)在石油機(jī)械中應(yīng)用

根據(jù)流體動壓徑向密封機(jī)理， 結(jié)合石油礦場機(jī)械應(yīng)用實(shí)際， 重點(diǎn)從以下五個(gè)方面探討。

2.1.在牙輪鉆頭軸承系統(tǒng)中的應(yīng)用。在20世紀(jì)80年代，M.S.Kalsi與DBS公司進(jìn)行技術(shù)合作，給過反復(fù)研發(fā)，于80年代末期推出了由流體動壓密封組件為核心的牙輪鉆頭。通過實(shí)驗(yàn)來看， 流體動壓徑向密封圈具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性、可靠性和耐磨性，可以有效的提高滑動軸承密封鉆頭的壽命， 也可提高密封圈的性能， 延長其應(yīng)用時(shí)間。事實(shí)證明， 流體動壓徑向密封原理

是可行的， 可以長期滿足井下機(jī)械的使用。此后， 又開發(fā)出外部為碟形端面的密封， 內(nèi)部為環(huán)形的徑向密封以及雙密封的牙輪鉆頭。

2.2.在井下鉆具支承節(jié)中的應(yīng)用。在1976年—1982年，美國能源部門資助Sandia國家實(shí)驗(yàn)室，重點(diǎn)研究分析潤滑脂、封閉螺桿及支承節(jié)等內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)采取了組合、對比和綜合歸納的方式進(jìn)行梳理， 對當(dāng)時(shí)主流的高壓密封件都進(jìn)行了一一對比， 但局限當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件和思維模式， 在最理想的電壓和磨損情況下，密封件的最高壽命也僅有48小時(shí)。在1984年，Kalsi在國家實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，嘗試將“O型”圈流體密封機(jī)件傾斜安裝，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)和總結(jié)，1986年，才在牙輪鉆頭軸承系統(tǒng)中得以試驗(yàn)成功，以此為基礎(chǔ)，完善技術(shù)和開發(fā)產(chǎn)品，通過井下應(yīng)用來看， 產(chǎn)品性能穩(wěn)定， 可靠程度高，密封件壽命可達(dá)250～450 h。

2.3.在螺桿泵采油系統(tǒng)中的應(yīng)用。目前， 國內(nèi)外在油田開采中， 采用最多的是地面機(jī)械驅(qū)動的螺桿泵采油系統(tǒng)， 該系統(tǒng)的工作原理是依靠光桿的旋轉(zhuǎn)帶動抽油桿， 通過抽油桿聯(lián)動進(jìn)井下螺桿泵進(jìn)行作業(yè)。當(dāng)前， 光桿的動密封采用的密封方式，存在著不便于維修和環(huán)境污染問題。為了解決此類問題，Kalsi的研究人員開發(fā)研究了光桿密封組合套裝， 在光桿密封部位加裝襯套， 利用兩個(gè)動壓密封圈保證整個(gè)驅(qū)動系統(tǒng)的潤滑， 通過實(shí)驗(yàn)來看， 該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的通用性， 可以與當(dāng)前的井口驅(qū)動裝置全部配套。同時(shí)， 此系統(tǒng)還廣泛應(yīng)用于開采大油氣比油、高粘度油和含砂油的開采中。

2.4.在旋轉(zhuǎn)防噴器中的應(yīng)用。20世紀(jì)90年代，國外興起了欠平衡鉆井技術(shù)，這種技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備就是旋轉(zhuǎn)防噴器， 比較有代表性就是環(huán)形膠芯自封式和膨脹膠囊可編程控制式， 我們國家部分油田已經(jīng)開始引進(jìn)和使用這種技術(shù)。事實(shí)上，此類技術(shù)的技術(shù)難點(diǎn)是轉(zhuǎn)承包和鉆桿密封結(jié)構(gòu)的使用壽命上， 研究人員常常把關(guān)注點(diǎn)放在鉆桿密封結(jié)構(gòu)的應(yīng)用上，而忽略前者。而美國Tool公司很早就已經(jīng)開始應(yīng)用流體動壓密封圈，改善和解決這個(gè)問題。

2.5.在沖管總成中的應(yīng)用。沖管下部與中心管用動密封進(jìn)行聯(lián)接， 鉆井液做為密封介質(zhì)， 主要是在轉(zhuǎn)與不轉(zhuǎn)之間體現(xiàn)出更耐高壓、耐磨損的特點(diǎn)。沖管總成是水龍頭的重要組成部分，而鉆井液密封系統(tǒng)是其中的最薄弱環(huán)節(jié)，在21 MPa下可以持續(xù)運(yùn)行800 h，但隨著壓力上升，35 MPa時(shí)其工作壽命就會在50 h左右。Kalsi經(jīng)過多年研究， 對水龍頭鉆井密封系統(tǒng)進(jìn)行了改

造， 采用液體密封取代傳統(tǒng)密封， 并采取與之匹配的潤滑劑， 以提高其使用壽命。在模擬現(xiàn)場條件下，持續(xù)運(yùn)行1450小時(shí)才因油脂原因而失敗， 基于此技術(shù)條件， 該_公司生產(chǎn)的密封沖管， 工作壽命大約為常規(guī)的5 倍之多。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳家慶，徐林林，許宏奇.流體動壓徑向密封及其在石油機(jī)械中的應(yīng)用[J].石油機(jī)械，2002（3）：53-55.