一種多缸柱塞泵的研制

近年來，隨著油田壓裂技術(shù)的發(fā)展，相應(yīng)的酸化壓裂泵必須滿足高血壓、大流量、性能可靠、操作方便、工作穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、合理的壓裂泵，以滿足油田壓裂作業(yè)的需求。大功率的柱塞泵越來越成為壓裂作業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)外很早就開始對(duì)1866kW五缸柱塞泵進(jìn)行研究,目前SPM公司開發(fā)的QWS2500LW五缸柱塞泵、GardnerDenver公司開發(fā)的C—2500、GD2500系列五缸柱塞泵已投入使用,而國(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域的開發(fā)仍然是一片空白。鑒于此,江漢石油管理局第四石油機(jī)械廠于2005年開發(fā)出具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的SJ2500五缸柱塞泵,制動(dòng)功率可達(dá)1866kW(2500hp),性能達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品先進(jìn)水平,價(jià)格比進(jìn)口同類機(jī)型便宜。該機(jī)型替代進(jìn)口產(chǎn)品后,可為國(guó)家節(jié)約大量的外匯。由于該泵結(jié)構(gòu)緊湊、操作靈活,因此可大大降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,顯著提高壓裂作業(yè)質(zhì)量和效率,有效促進(jìn)油田的技術(shù)進(jìn)步。五缸柱塞泵的研制成功必將逐漸取代大功率大排量三缸柱塞泵的壟斷地位,成為油田壓裂作業(yè)設(shè)備的新一代替代產(chǎn)品。結(jié)構(gòu)和原則SJ2500五缸柱塞泵是臥式五缸柱塞泵,由動(dòng)力端總成、液力端總成和潤(rùn)滑系統(tǒng)等組成。1.盤塊體的設(shè)計(jì)與加工動(dòng)力端總成設(shè)計(jì)原則:①各零部件滿足在最大功率下的強(qiáng)度和剛度要求;②各運(yùn)動(dòng)副必須有可靠的潤(rùn)滑;③采用盡可能大的連桿比,以提高吸入和排出性能;④檢修和更換易損件方便。設(shè)計(jì)時(shí)殼體采用鋼焊接結(jié)構(gòu),由6塊支撐板組成機(jī)架,曲軸6個(gè)軸承座和小齒輪軸的2個(gè)軸承座焊在支撐板上,5個(gè)缸套分布在各支撐板之間的空間,改進(jìn)了原三缸柱塞泵的殼體結(jié)構(gòu),將齒輪蓋、前蓋和后蓋與泵殼做成一整體,增加了殼體強(qiáng)度,減少了漏油幾率。為提高焊接質(zhì)量,設(shè)計(jì)加工了2套焊接工裝;為防止加工后殼體變形,進(jìn)行焊后去應(yīng)力處理,并設(shè)計(jì)了殼體鏜夾具和專用刀盤、鏜桿,在數(shù)顯鏜床上初加工,在RT1600加工中心上精加工。曲軸采用整體式結(jié)構(gòu),由6個(gè)重型圓柱滾子軸承支撐,雙向定位,工作可靠,剛性好,避免了偏心輪式曲軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量大的缺點(diǎn),各曲拐鉆有相貫通的油道,以潤(rùn)滑連桿軸瓦。考慮到多曲拐連桿機(jī)構(gòu)空間運(yùn)動(dòng)情況復(fù)雜,設(shè)計(jì)中采用三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)軟件,模擬動(dòng)力端運(yùn)動(dòng),保證設(shè)計(jì)質(zhì)量。齒輪設(shè)計(jì)采用美國(guó)AGMA2101—C95—1995標(biāo)準(zhǔn),并運(yùn)用齒輪設(shè)計(jì)軟件,對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核。采用對(duì)稱布置的雙圓柱斜齒輪傳動(dòng),布置在曲軸兩端,抵消齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的軸向力。輪齒表面采用激光淬火新技術(shù),保證硬化層深度和表面硬度。連桿十字頭組件中連桿體截面為圓形,連桿銷為球墨鑄鐵件,采用整體式十字頭,全圓柱設(shè)計(jì),這樣可保證泵在傳遞足夠大功率的條件下動(dòng)力端結(jié)構(gòu)最小,達(dá)到減輕質(zhì)量、減少體積的目的,并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于維護(hù)。2.密封盤根和柱塞液力端總成設(shè)計(jì)原則:①過流通道的水力損失盡量小;②流道內(nèi)的氣體容易排出;③余隙容積小;④易損件工作壽命長(zhǎng),便于裝卸。液力端總成主要由泵頭體、吸入和排出閥總成、柱塞、柱塞密封盤根總成、閥蓋和吸入總管等部件組成。泵閥在泵腔中布置為吸入閥在排出閥下方,閥體和閥座均經(jīng)滲碳處理,以增強(qiáng)耐磨性和抗沖蝕能力;采用橡膠彈簧加載式密封盤根;泵頭體采用直通式結(jié)構(gòu),材質(zhì)為整體式合金鋼鍛件,并經(jīng)過熱處理和探傷檢驗(yàn);柱塞表面噴涂鎳基合金粉末,耐磨損耐腐蝕,柱塞直徑可以在95.25～165.1mm之間選擇,以適應(yīng)不同排量和壓力的需要。泵頭體是泵的核心部件,在泵頭體的設(shè)計(jì)中,除必須保證好的力學(xué)性能外,還必須保證在運(yùn)行過程中的安全可靠和長(zhǎng)的使用壽命。實(shí)際工況中,由于泵頭體承受高振幅的脈動(dòng)交變應(yīng)力,其失效主要是由于疲勞損傷積累,導(dǎo)致疲勞裂紋擴(kuò)展而引起,因此設(shè)計(jì)時(shí)用Pro/E軟件對(duì)泵頭體進(jìn)行有限元分析,使其在滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度情況下更耐沖擊,質(zhì)量最輕。在制造工藝上采用高合金結(jié)構(gòu)鋼真空鍛造成型,整體調(diào)質(zhì),本體套料取樣,檢測(cè)各項(xiàng)力學(xué)性能;設(shè)計(jì)成型砂輪刀具,提高泵腔相貫處圓角光潔度,保證圓弧尺寸;設(shè)計(jì)泵頭體鏜夾具,在PC50加工中心加工成形;產(chǎn)品內(nèi)腔進(jìn)行熒光磁粉探傷。3.潤(rùn)滑液力端柱塞和盤根SJ2500五缸柱塞泵所有運(yùn)轉(zhuǎn)件都采用強(qiáng)制壓力潤(rùn)滑。動(dòng)力端采用連續(xù)式壓力潤(rùn)滑,并給潤(rùn)滑油增加特別設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)。液力端柱塞、盤根采用氣壓式連續(xù)壓力潤(rùn)滑。液力端柱塞上部裝有可翻轉(zhuǎn)的蓋板,下部裝有油盤,便于集油、排油。進(jìn)入液力端的潤(rùn)滑油,又回到一個(gè)特殊的油箱中,經(jīng)過過濾回收之后,可以重復(fù)使用。技術(shù)性能的比較與分析1.柱塞相同時(shí)結(jié)構(gòu)分析筆者將SJ2500五缸柱塞泵與SPM生產(chǎn)的QWS2500LW五缸柱塞泵、哈里伯頓生產(chǎn)的HQ—2000五缸柱塞泵、GardnerDenver公司開發(fā)的C—2500五缸柱塞泵進(jìn)行主要技術(shù)參數(shù)和性能參數(shù)對(duì)比,結(jié)果見表1、表2。由表中可以看出,在柱塞直徑相同時(shí),SJ2500五缸柱塞泵最高壓力比QWS2500LW五缸柱塞泵高很多,因此可以用較大直徑的柱塞獲得較高的壓力和較大的排量;在柱塞相同時(shí),無論是最高壓力還是最大排量,都比HQ—2000五缸柱塞泵高很多。結(jié)構(gòu)分析如下:(1)HQ—2000五缸柱塞泵的泵頭體由5個(gè)獨(dú)立的泵頭體組成,便于加工,但相互連接處易產(chǎn)生泄漏;由于泵腔壁厚較薄,工作時(shí)內(nèi)腔圓弧應(yīng)力較高,泵頭體使用壽命較短。SJ2500五缸柱塞泵的泵頭體為整體式,加工復(fù)雜,但不會(huì)產(chǎn)生泄漏;使用壽命比HQ-2000五缸柱塞泵泵頭體增加。(2)HQ—2000五缸柱塞泵的動(dòng)力端采用單斜齒輪副結(jié)構(gòu),工作時(shí)產(chǎn)生較大的軸向力,容易損壞動(dòng)力端零部件;SJ2500五缸柱塞泵的動(dòng)力端采用雙斜齒輪副結(jié)構(gòu),可抵消齒輪運(yùn)動(dòng)時(shí)的軸向力,性能更加可靠。(3)HQ—2000五缸柱塞泵的大小齒輪在動(dòng)力端中間,連桿數(shù)量一邊為3個(gè),另一邊為2個(gè),外形比較復(fù)雜,不方便生產(chǎn);SJ2500五缸柱塞泵的大小齒輪位于動(dòng)力端的兩邊,外形較簡(jiǎn)潔,便于生產(chǎn)。2.主要采用五缸柱塞泵的壓裂機(jī)組目前,國(guó)內(nèi)油田酸化壓裂采用的三缸柱塞泵功率為224～1492kW,以?114.3mm柱塞為例,將2000型五缸柱塞壓裂泵與SJ2500五缸柱塞泵進(jìn)行比較,其結(jié)果見表3、4。由表中可以看出,在相同柱塞直徑、沖程和沖次時(shí),SJ2500五缸柱塞泵的最大排量是2000型壓裂泵的1.67倍;而相同壓力39MPa時(shí),其相應(yīng)排量是2000型壓裂泵最大排量的1.26倍。一個(gè)2000型三缸柱塞泵的壓裂機(jī)組中包括6臺(tái)壓裂車,如選用SJ2500五缸柱塞泵配置,壓裂機(jī)組只需4臺(tái)壓裂車。由表4可以看出,SJ2500五缸柱塞泵采用一種柱塞的性能參數(shù)(壓力、排量)可覆蓋目前所有固井、壓裂用三缸柱塞泵在各種柱塞時(shí)的性能參數(shù),適應(yīng)油田各種壓裂工況的需要。由于五缸柱塞泵液缸數(shù)量較多,因此液體排出所產(chǎn)生的脈動(dòng)量大大低于三缸柱塞泵。在連桿比為6∶1時(shí),三缸柱塞泵的排量不均度27.8%,而五缸柱塞泵的排量不均度8.3%,使液體排出更加平穩(wěn),可免去吸入減震器、硅油減震器,延長(zhǎng)柴油機(jī)、變扭器、傳動(dòng)軸、高壓管匯件的使用壽命,增加作業(yè)的安全性,更加符合油田生產(chǎn)作業(yè)的要求。在相同壓裂作業(yè)時(shí)可大大縮短壓裂作業(yè)時(shí)間,降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度,提高壓裂作業(yè)的效率和質(zhì)量。缸柱塞泵壓裂系統(tǒng)的應(yīng)用2006年7月5日,SJ2500五缸柱塞泵在美國(guó)德克薩斯州進(jìn)行第1次現(xiàn)場(chǎng)作業(yè),該泵在46.5MPa壓力下,運(yùn)行8h,油溫為54.4℃,動(dòng)力端潤(rùn)滑油壓力為0.97MPa?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)該泵噪聲等級(jí)低于現(xiàn)場(chǎng)其它泵。唯一泄漏的地方是小連桿的密封,現(xiàn)場(chǎng)立即更換。到目前為止,SJ2500五缸柱塞泵已運(yùn)行354h,沒有出現(xiàn)其它問題,美國(guó)用戶對(duì)泵的整個(gè)操作很滿意,并于2006年11月增訂了12臺(tái)SJ2500泵。油田壓裂時(shí)普遍采用壓裂機(jī)組進(jìn)行壓裂,壓裂時(shí)除壓裂車外,還包括有混砂車、管匯車、儀表車、運(yùn)砂車、運(yùn)水車等大量其它車輛,而每臺(tái)壓裂機(jī)組均需配備4～6臺(tái)裝有三缸柱塞泵的壓裂車同時(shí)工作,不便于井場(chǎng)壓裂車車位的調(diào)度和安排;五缸柱塞泵具有超大排量,一個(gè)壓裂機(jī)組只需配3～4臺(tái)裝有五缸柱塞泵的壓裂車同時(shí)工作,即可滿足相同的壓裂作業(yè)要求,減少了壓裂機(jī)組中壓裂車的數(shù)量,便于井場(chǎng)壓裂車車位的調(diào)度和安排,同時(shí)也為油田節(jié)省大量資金,是油田酸化壓裂作業(yè)的理想設(shè)備。另外,SJ2500五缸柱塞泵填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)高壓(140MPa)大排量壓裂泵的空白,為實(shí)施深層壓裂提供了理想設(shè)備,在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)都有較大的需