鉆井泵活塞使用的淺析

鄭健鋒

[摘 要]由于鉆井泥漿泵一直是在高壓情況下輸送鉆井泥漿，而且泥漿的粘度高、含砂量高，有時(shí)還具有腐蝕性，其工作條件極為惡劣。因此，作為和缸套作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的密封件的活塞，極容易造成各種原因的損壞?；钊鳛殂@井泥漿泵的關(guān)鍵部件，其使用壽命較低的問(wèn)題一直沒(méi)能得到較好的解決。主要是由于其工況復(fù)雜，系統(tǒng)內(nèi)各參數(shù)對(duì)活塞的影響很難精確確定。因此，從單方面出發(fā)考慮活塞失效是完全不能解釋鉆井現(xiàn)象活塞失效的情況。

[關(guān)鍵詞]鉆井泵；活塞；泵壓；含砂量

中圖分類號(hào)：TE921 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）44-0203-01

一、活塞壽命的影響因素

1.1 泵壓、沖次的影響

隨著泵壓的升高，活塞皮碗與缸套間的接觸壓力增大，摩擦力隨之迅速變大，因而產(chǎn)生大量的摩擦熱。受表面摩擦熱和內(nèi)摩擦熱影響，橡膠分子會(huì)熱裂解或熱交聯(lián)，加速了橡膠材料的磨耗、氧化、老化和水解，造成材料性能與耐磨性下降，彈性模量及抗張強(qiáng)度隨溫度升高而降低，超過(guò)一定溫度，耐磨性急劇下降，并失去彈性，活塞喪失密封能力而失效，活塞的使用壽命隨泵壓的升高迅速降低。隨著沖次的升高，活塞壽命也是越來(lái)越短。沖次升高，活塞速度、加速度和慣性力增加，這使活塞所受的交變載荷不僅在數(shù)值上變大，同時(shí)交變頻率變大，隨之產(chǎn)生的附加惡劣影響增加。在相同工況下，活塞沖次提高1.3-1.5倍，活塞使用壽命就降低5-6倍。

1.2 摩擦熱的影響

活塞是橡膠密封件，影響動(dòng)密封件使用壽命的一個(gè)重要影響因素是摩擦熱，摩擦熱和它的一些從屬效應(yīng)，是導(dǎo)致活塞失效的一個(gè)主要因素。熱力損毀的原始形態(tài)是橡膠材料被燒焦或表面老化。橡膠是高分子復(fù)合材料，高溫時(shí)其強(qiáng)度由于分子間引力減小而降低。在鉆井過(guò)程中，活塞處于高壓、高速、重載的工作環(huán)境中，劇烈的摩擦使橡膠活塞溫度升高，橡膠隨溫度升高而老化脆裂，使得運(yùn)動(dòng)表面極易磨損，促使活塞使用壽命降低。

1.3 活塞間隙的影響

活塞間隙是引起活塞失效的一個(gè)重要因素，活塞間隙是指活塞鋼芯與缸套之間的間隙。在活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)中，由于缸套和鋼芯的不同軸度以及活塞總成重量的影響，缸套和鋼芯直接接觸造成的對(duì)磨必然存在。這種金屬與金屬的對(duì)磨十分有害，不僅產(chǎn)生很大的摩擦力，而且相互之間很容易劃傷。這不僅損壞了缸套和鋼芯，而且劃傷的表面也容易損壞活塞，容易形成刺漏，使鉆井泵無(wú)法正常工作，嚴(yán)重地影響了鉆井效率。活塞間隙值越小，活塞鋼芯的扶正作用就越好，但同時(shí)偏磨帶來(lái)的危險(xiǎn)就越厲害；活塞的間隙值越大，活塞皮碗材料向間隙流動(dòng)的可能性就越大，擠傷就越容易發(fā)生，活塞根部被啃傷的可能性就越大。所以合理的間隙值對(duì)于提高缸套、鋼芯和活塞的壽命都十分重要。

1.4 泥漿的影響

鉆井泵活塞的工作條件十分惡劣，在鉆井過(guò)程中，鉆井泵輸送的鉆井液粘度大、含沙量多，且具有強(qiáng)烈的腐蝕性，有時(shí)含油，溫度高，而且有氣泡。特別是中原油田一打開(kāi)，清水鉆進(jìn)，泥漿切力小，凈化不充分，這樣高含砂量不僅大大增加了活塞與缸套之間的摩擦力，砂粒極易擠入活塞與缸套之間，形成磨粒磨損，加速了缸套活塞的破壞。而且由于橡膠材料自身的特點(diǎn)，磨粒極易嵌入活塞橡膠材料，對(duì)皮碗起到切削磨損的雙重破壞作用。鉆井液強(qiáng)烈的腐蝕作用和高溫度加速了橡膠皮碗的老化，使橡膠材料容易脆裂、氧化并水解，致使活塞很快失效。為提高活塞的壽命，改善其工作環(huán)境也是重要的一個(gè)方面。

二、影響活塞壽命的原因分析

2.1 砂粒的影響也可以導(dǎo)致活塞的偏磨，當(dāng)泥漿泵在工作時(shí)，泥漿中砂粒自由下沉的速度加快。顯然活塞的運(yùn)動(dòng)速度不足以使缸套內(nèi)的砂粒處于懸浮狀態(tài)，因此，缸套的下部總是存積著一定的砂粒，從而造成活塞的偏磨。含砂量是影響活塞皮碗的使用壽命的重要因素。

2.2泥漿中的工作壓力影響，隨著泥漿泵工作壓力的提高，會(huì)使活塞和缸套之間的摩擦力增大，導(dǎo)致皮碗表面溫度升高。實(shí)驗(yàn)證明，活塞皮碗對(duì)缸套的正壓力大體等于泥漿的壓力，因此在既定的工作條件下，摩擦力與泥漿的壓力大致成正比。摩擦力的增大和活塞表面溫度的升高會(huì)加速聚氨酯橡膠的磨耗、氧化、老化和水解，所以，泵壓的增高，會(huì)導(dǎo)致活塞的使用壽命的下降。

2.3是泵的吸入高度的影響。泵的吸入高度不僅可以影響泵的工作效率，而且對(duì)活塞的磨損也有一定的影響。但是有關(guān)這方面的影響，目前在鉆井現(xiàn)場(chǎng)還沒(méi)有引起人們的廣泛注意。泵的吸入高度大，容易造成吸入不足，而且在泵的吸入過(guò)程中，缸內(nèi)的液體可能發(fā)生劇烈的蒸發(fā)，在活塞的附近引起氣囊。二是在排出開(kāi)始的瞬間，造成壓力沖擊在排出過(guò)程中造成干摩擦，引起局部高溫，加速活塞皮碗磨損。降低泵的吸入高度確實(shí)能夠大大提高活塞的使用壽命。

2.3在泵里面，十字頭和導(dǎo)板，由于長(zhǎng)時(shí)間工作，磨損，振動(dòng)導(dǎo)致十字頭和導(dǎo)板下沉，由此，中心拉桿也同樣下沉，這樣中心拉桿與拉桿之間幾乎不在同一直線上，這樣也影響活塞，在缸套里不居中，偏磨。

三、應(yīng)對(duì)措施

通過(guò)以上分析，不難看出，要提高活塞的壽命，必須從以下幾個(gè)方面入手：

3.1選取適合的泵壓和沖次。泵壓、沖次升高，活塞磨損加劇，同時(shí)，由于活塞磨損不均勻和結(jié)構(gòu)的不對(duì)中性，偏磨發(fā)生的可能性大大增加，所以，根據(jù)不同的井深、井眼的直徑和缸套的直徑來(lái)選取合適的泵壓（8Mp-26Mp）和沖次（80-120沖次），可以較好地提高活塞的使用壽命。

3.2盡量減輕摩擦熱的影響。皮碗的膨脹，不僅導(dǎo)致本身的損壞，同時(shí)導(dǎo)致缸套的損環(huán)。由于膨脹而增大的徑向力使缸套磨損得更快。為了減輕摩擦熱對(duì)活塞失效的影響，必須把由作用于密封元件的摩擦產(chǎn)生的熱量從系統(tǒng)中排出。摩擦熱雖然是活塞失效的一個(gè)主要因素，但摩擦熱可以通過(guò)良好的散熱條件和冷卻系統(tǒng)得以有效地減小。

3.3泥漿泵的吸入高度，泥漿罐比泥漿泵要高，泥漿液面要高于泥漿泵的上水口1.5米以上。泥漿中不能有氣泡，否則導(dǎo)致泵的上水不好，從而也影響活塞的壽命。如有氣泡，要用真空除氣凈化或加藥品除去氣泡。（例如BD304、BQXP-106、HFX-101、XPJ940、JY842等規(guī)格的消泡劑）。

3.4固定好拉桿與中心拉桿的位置，保持一致。在檢修時(shí)，換活塞和缸套，拉桿與中心拉桿不在中心點(diǎn)，引起偏磨，如中心拉桿螺栓松動(dòng)，拉桿與中心拉桿卡子沒(méi)有卡好，或者卡子隨時(shí)間長(zhǎng)、間隙太大，不能卡緊，固定螺絲有松動(dòng)，這樣直接影響活塞與缸套使用壽命。中心拉桿的卡子如有損壞，造成卡子松動(dòng)和磨損，此時(shí)必須更換卡子和拉桿，從而延長(zhǎng)活塞的壽命。

3.5控制鉆井液的含砂量。嚴(yán)格控制泥漿中的含砂量和搬土含量，四級(jí)凈化（振動(dòng)篩，除砂、除泥、離心機(jī)）包括真空出氣器。泥漿中的含砂量和含油泥漿中的苯胺點(diǎn)，對(duì)活塞的使用壽命的影響最為嚴(yán)重。由于聚氨酯橡膠的耐油性能非常好，所以，對(duì)于聚氨酯為制造材料的泥漿泵活塞來(lái)說(shuō)，影響其使用壽命的突出因素是泥漿中的含砂量。這就要求泥漿回收凈化高，比如我們現(xiàn)在振動(dòng)篩布要求達(dá)到200目以上。

3.6對(duì)有缺陷的缸套要及時(shí)更換，以免影響活塞的使用壽命。

通過(guò)以上方法，可以提高活塞的壽命。

四、認(rèn)識(shí)與建議

由以上分析可以看到，要延長(zhǎng)泥漿泵活塞的使用壽命，就要在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、制造材料、生產(chǎn)工藝和使用條件等各個(gè)方面予以保證。為了不斷提高和改進(jìn)活塞的工作性能，

4.1可以將部分老漿和新泥漿配合在一起使用，減少搬土含量和含砂量，從而延長(zhǎng)活塞使用壽命。

4.2還需要在改善皮碗密封結(jié)構(gòu)，改進(jìn)耐磨材料，抗磨，耐高溫高壓，耐酸堿化學(xué)的腐蝕，及鹽水泥漿的腐蝕，減少摩擦系數(shù)上進(jìn)一步探索。

4.3采用新工藝使用陶瓷缸套，在安裝時(shí)注意陶瓷缸套易碎，要平穩(wěn)安裝，使用時(shí)注意同軸心誤差不要偏大。