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      壓裂泵柱塞失效模式分析與改進(jìn)應(yīng)用

      2012-03-31 08:28:34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
      關(guān)鍵詞:實(shí)心酸液柱塞

      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

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