王国荣 廖代胜 何 霞 钟 林 李梦媛 魏 刚

1. 西南石油大学机电工程学院 2. 西南石油大学能源装备研究院

0 引言

目前，压裂技术已被证实是提高油气采收率的成熟工艺技术[1-2]，尤其在非常规油气资源（如页岩气[3]等）的规模化开采中发挥了重要的作用。而压裂泵作为压裂作业中不可或缺的组成部分，由于其长期泵送腐蚀性的酸性介质并处于高压、循环载荷作用下，工作环境十分恶劣[4]，压裂泵液力端部件失效事故频发。其中，柱塞密封副在交变载荷、往复摩擦及高压、酸性压裂液的共同作用下，成为最易发生失效的组件之一，密封失效将导致压裂液泄漏并窜入压裂泵动力端损坏其他组件，进而降低压裂泵的使用寿命，影响压裂酸化作业的正常实施。因此，提高压裂泵柱塞密封副的使用寿命是改善压裂泵设备可靠性和稳定性的关键，为提高我国压裂技术水平，从而实现非常规油气资源的规模、效益开采提供有力的技术支撑。

针对目前存在的问题，通过总结压裂泵柱塞密封副的研究现状，探讨将摩擦学、材料学、润滑理论及制造工艺学等领域的新技术、新方法引入压裂泵柱塞密封副优化研究中的可行性，以期能找到新的思路和方法来进一步优化、改进我国现有的压裂泵柱塞密封副。

1 柱塞密封系统密封机理及失效的研究现状

从实际使用情况来看，压裂泵液力端部件失效事故频发，主要表现为泵阀冲蚀磨损、阀箱疲劳断裂以及柱塞的密封失效等，如图1所示。

压裂泵液力端结构如图2所示，其中柱塞密封系统由柱塞、密封后压帽、密封环、注油孔、泵头体、支撑环、密封橡胶、压环和前支撑环组成。在压裂作业过程中，压裂泵动力端的曲柄—滑块机构推动液力端的柱塞作往复运动，以实现液力端腔室体积和压强的周期性变化，进而通过抽吸作用循环吸入和泵出压裂液以完成压裂液的增压过程。

1.1 柱塞密封系统密封机理

图1 压裂泵液力端组件失效示意图

图2 压裂泵液力端半剖结构示意图（参见本文参考文献[4]）

压裂泵中的柱塞密封系统是一种典型的往复密封系统。往复密封的研究起源于早期的活塞密封，其密封原理是依靠密封圈与往复运动金属件间的过盈配合以及密封介质压力的作用，使密封圈唇部紧贴往复运动金属件表面，当介质压力增大时，密封圈唇部与金属件表面间的接触压力也增大，从而产生自封效果。Gronau[5]早在1935年便开始了往复密封技术的研究工作，随后，White和Denny[6]分别利用不同形状的塑性密封件进行试验，探究密封压力、往复运动速度、温度、材料性能、密封结构等因素对密封组件接触压力、摩擦磨损、泄漏量、油膜形成与破裂的影响，奠定了往复密封技术的理论研究基础。19世纪50年代末，Dowson和Higginson[7]通过数值理论计算和实验研究提出了弹性流体动力润滑理论，并利用该理论解释了活塞杆密封泄漏的原因。随着对密封理论研究的深入，业内逐渐将密封接触压力、往复运动速度、泄漏量、摩擦力以及润滑油膜厚度视为往复密封的主要影响因素并通过理论和实验研究揭示其影响规律和作用机理[8-11]。相比于国外，国内的往复密封技术研究起步较晚，对柱塞泵等涉及往复密封的设备的研制始于20世纪80年代，而研究方法、内容也与国外相似，主要通过计算机建模进行理论分析和开展实验来进行往复密封机理[12-13]、密封性能的影响因素[14-15]、密封寿命与可靠性[16-17]等方面的研究。

目前国内的往复密封研究体系已日趋完善，并且在液压传动、水射流切割、水力压裂作业等方面都有广泛应用，但与国外相比还有较大差距，相关的密封件也较依赖进口。同时，往复密封本身也存在矛盾，在防止泄漏、保证密封压力的情况下，密封界面需要很大的接触应力，必然会使往复运动摩擦增大，这与降低摩擦磨损的要求相矛盾，因此，不论是国内还是国外，在取得较高密封压力的前提下，密封组件寿命较短的问题仍然比较突出。近年来，随着钻井深度和压裂作业力度的增加，压裂泵的工作压力和排量不断增大（部分地区压裂泵的工作压力已超过100 MPa[18]），柱塞密封系统失效的事故频发。因此，尽可能开展全面的、能准确模拟复杂、恶劣工况下的往复密封试验，解决在较高密封压力、往复运动速度下，密封组件的快速磨损、提前失效等难题一直以来都是往复密封技术研究的主要内容。

1.2 柱塞密封系统失效的研究现状

往复密封的失效通常受工作环境、往复密封结构、材料、密封圈形式以及设备安装等因素的影响[19]。就压裂泵柱塞密封系统而言，其实际工况相当复杂和恶劣，已有研究表明，压裂泵柱塞橡胶密封副的接触压力是工作介质压力的1.23倍[20]，实际工况下接触压力可能达上百兆帕，在如此高的接触压力作用下，柱塞与密封橡胶不间断的往复摩擦运动会产生大量的热和压力脉动，加上长期泵送的酸性压裂液，这就需要密封组件拥有良好的耐热、耐腐、耐磨、耐疲劳等性能；另一方面，柱塞密封橡胶导热性和结构透热性差引起的密封圈烧伤[21]、柱塞自重及由于其安装偏心造成的偏磨[22]以及压裂液中的硬质小颗粒随柱塞的往复运动进入密封界面，进而刮擦密封组件造成的磨粒磨损[23]等均会导致柱塞密封系统的提前失效。本文参考文献[22]统计了某河南钻井队所用8台700型压裂车更换的150根压裂泵柱塞失效的模式、频数及频率，如表1所示，柱塞的主要失效形式为柱塞表面的摩擦磨损，过度的磨损会产生密封间隙，进而使得密封失效，压裂液发生泄漏。

解决柱塞密封系统快速失效的问题，是提高压裂设备性能的关键。针对密封橡胶的老化和疲劳磨损失效，朱维兵等[24]、黄志强等[25]通过改变V型密封圈的唇部张角、背部倒角、密封组合数量、密封圈压缩量及材料来综合提高密封结构的耐磨性、透热性和流体动压效应。杜坚和刘旭[26]建立了柱塞密封系统的二维轴对称模型，仿真分析了密封圈个数、密封圈过盈量及轴向预紧力对密封性能和密封橡胶Von Mises应力的影响。Avanzini和Donzella[27]基于有限元方法建立了超高压往复密封件在循环应力作用下的疲劳磨损失效寿命预测模型，探究延缓密封件疲劳磨损失效的方法。对于柱塞类往复运动金属件表面的摩擦磨损，Zhuk[28]、叶晓琰等[29]分别通过对其表面喷涂纳米结构硬涂层、镀铬、热喷涂陶瓷和喷涂镍基来改善其耐磨性能。汝绍峰等[30]设计了一种表面具有凹槽结构的柱塞并开展柱塞—橡胶动密封有限元理论分析和凹槽参数优化试验，结果表明，凹槽结构可以提高柱塞—橡胶密封副的密封压力，降低柱塞表面磨损。此外，Yang和Salant[31]通过建立的U型往复式液压密封件软弹流润滑理论模型计算发现，当表面粗糙度和活塞杆行程确定时，存在一个取决于密封压力和粗糙度的活塞杆临界速度，高于该速度，则不会发生密封泄漏。Goharrizi和Sepehri[32-33]利用离散小波变换对往复密封压力信号进行分解，通过信号解析实时监测由密封失效导致的密封泄漏问题，以期在密封失效发生初期便能被及时发现，以避免更大的经济损失。

表1 柱塞失效模式频数统计表

综上所述，研究人员从结构改进、材料更换、表面涂层喷涂以及计算机仿真分析等方面来改进柱塞密封系统，并取得了一定的效果。但随着近年来油气勘探从常规油气藏走向非常规油气藏[34]，从中、浅海向深海转移[35]，对压裂设备的性能提出了更高的要求，迫切需要对压裂设备进行进一步的优化和改善。

2 柱塞密封副优化新技术

针对压裂设备亟待提高的迫切需求以及当前压裂泵柱塞密封系统的主要失效形式，可以借鉴摩擦学和材料学等相关领域所运用的较为前沿的抗磨减摩技术，如：表面织构技术、材料改性技术以及表面复合涂层技术等。目前，已有少量研究人员在进行尝试性的工作，若能成功地将这几种方法引入压裂泵柱塞密封系统中，并协同起来形成复合优化技术，必将极大提高柱塞密封系统的密封和摩擦学性能。

2.1 表面织构化柱塞

表面织构技术即是通过一定的加工方法在摩擦副表面加工一定尺寸、形状的微结构阵列（图3）。其作用机理在于利用这种微结构阵列在不同润滑条件下所具有的容纳磨屑[36]、存储润滑介质[37]以及产生流体动压润滑[38]的特性来改善摩擦副表面的摩擦磨损。作为摩擦学的一个重要分支，表面织构在近20年迎来了研究热潮，并且在滑动轴承[39]、汽车发动机缸套[40]、机械密封[41]、切削刀具[42]以及计算机硬盘[43]等领域都有实际应用并取得了不错的效果。表面织构在机械密封上的成功运用给予了笔者启迪，是否也能将其用于往复密封中呢？为此，国内部分研究人员近几年开始尝试将表面织构技术引入压裂泵柱塞密封系统中，即通过在柱塞表面加工一定尺寸、形状的表面织构，利用其产生流体动压润滑效应的特性来提高润滑油膜承载力，减小柱塞和密封橡胶之间的摩擦磨损。本文参考文献[44-46]分别利用激光加工技术、精密雕刻技术以及纳秒烧灼技术在柱塞表面加工不同大小及面积占比的圆柱形、椭圆柱形、方柱形、矩形沟槽及其混合排布的表面织构阵列，综合考虑加工质量、织构的形状和参数等影响因素来进行试验研究。结果表明，表面织构的参数及排布方式合理能够有效降低柱塞—橡胶密封副的摩擦磨损，若表面织构的参数组合较优，密封橡胶和织构化柱塞试样的摩擦系数、温升及磨损量都能降低50%以上。

图3 表面织构照片（参见本文参考文献[36]）

由此可见，将表面织构技术引入压裂泵柱塞密封系统是可行的，并且改善的效果还相当可观。但目前针对压裂泵工况下的表面织构设计理论还相当缺乏，无论是理论仿真研究还是织构化柱塞试验都难以全面、准确地模拟实际工况，并且常规的摩擦磨损试验机难以满足实际工况下压裂泵上百兆帕的压力加载要求，表面织构对密封泄漏的影响也无法通过摩擦磨损试验机来测试。后续研究应该搭建全尺寸织构化柱塞密封系统的试验台架，以接近实际工况的试验条件来模拟压裂泵的工作状态，切实反映表面织构对密封压力、密封泄漏量、柱塞和密封橡胶的磨损量及温升等方面的影响，在此基础上，设计加工较优形状、尺度参数的表面织构，并将其应用到实际的压裂作业中，依据实际使用情况来指导下一步研究工作。

2.2 密封橡胶材料改性

压裂泵柱塞密封系统所用的密封橡胶大都为丁腈橡胶（以下简称为NBR）。NBR因其较好的耐油性、耐磨性、阻燃性、气密性以及优良的机械性能而被广泛应用于汽车工业、石油化工、石油钻探、军事后勤装备等领域[47]，但其导热性、耐老化性及耐疲劳性则不够理想[48]。在实际压裂作业中，密封橡胶因长时间与压裂泵柱塞作频繁的往复摩擦运动而极易发生老化和疲劳磨损，致使密封失效，因此，需要通过材料改性来优化NBR性能。

目前，对NBR进行改性的方法主要包括表面处理和加入填料[49]。表面处理一般是在NBR表面沉积聚四氟乙烯（以下简称为PTFE）、类金刚石碳（简称为DLC）等具有优良摩擦性能的涂层或是使用可与NBR发生化学反应的物质来对其表面进行化学改性，以增强NBR的耐磨性能。本文参考文献[50]利用非平衡磁控溅射技术在氢化丁腈橡胶（以下简称为HNBR）表面沉积含钨类金刚石碳（简称为W-DLC）涂层，并通过干摩擦试验发现，与未沉积涂层的HNBR相比，其摩擦系数降低80%左右，本文参考文献[51]通过油润滑条件下的摩擦试验发现，经过射频氩等离子体而表面改性的NBR试样，其摩擦系数保持稳定并降低了50%。加入填料进行改性则是通过某种加工方法将NBR和其它橡胶、树脂、纤维等共混或者在NBR基质中加入固体润滑剂如PTFE、石墨烯及二氧化钼等。上述两种方式皆是形成复合材料，通过实现各原材料的优势互补以提高NBR的材料性能。Li等[52-53]分别利用分子动力学模拟和溶液共混将碳纳米管（简称为CNT）和氧化石墨烯（以下简称为GO）加入到NBR基质中制成复合材料，研究表明，相比于纯的NBR，复合材料的摩擦系数和磨损量都显著降低，当复合材料配方中GO的质量份为0.5份时，复合材料的磨损量可降低70%左右。王修行等[54]通过混炼工艺和双辊开炼机的压延效应制备了不同纤维取向和含量的碳纤维/NBR复合材料，并通过试验测量了复合材料的拉伸性能、表面硬度及摩擦系数等，研究表明碳纤维的引入使得复合材料摩擦系数降低、硬度提高。本文参考文献[55-57]分别将膨胀石墨（简称为EG）、聚氯乙烯（简称为PVC）以及经过十六烷基三甲基溴化铵（简称为CTAB）改性后的二氧化钼复合材料混入NBR基质中，结果都显示出复合材料的耐磨性及耐老化性都得到了不同程度的改善。

可以看出，材料改性是提高NBR综合性能的有效方法，本文参考文献[21]也尝试将由聚氨酯橡胶和经过青铜粉改性后的聚四氟乙烯共混形成的橡胶复合材料作为压裂泵柱塞密封系统密封橡胶的材料，通过在西南、长庆等油气田的使用发现，密封圈寿命增长了2倍。因此，可以考虑将改性橡胶复合材料应用于压裂泵柱塞密封副中，而目前鲜有压裂泵柱塞密封副采用改性的橡胶复合材料。一方面是考虑成本问题；另一方面是针对压裂泵实际工况下橡胶材料的改性研究很少，具体效果无从得知。今后应该倡导和积极开展压裂泵实际工况下的密封橡胶改性研究，低成本、高性能、易于产业化的改性橡胶不仅是国家未来工业密封技术发展的需要，也是影响油气开采装备密封技术向前发展的关键，在此，笔者建议使用复合橡胶材料来提高密封橡胶的寿命，若能进一步降低产品的成本，必将产生巨大的经济效益。

2.3 复合技术改进柱塞密封系统

表面织构技术、材料改性技术、表面涂层技术等都能起到很好的减摩抗磨作用，如何将这几种技术协同应用于油气装备中，实现优势集合，是值得深入研究的。目前，已有研究表明表面织构技术和表面涂层技术具有较好的协同作用。如鲍雨梅等[58]利用DH1080型等离子喷涂设备在钛合金——TC4板上喷涂氧化锆/羟基磷灰石复合陶瓷涂层，并采用飞秒激光在复合涂层表面加工圆柱形、椭圆柱形表面织构，通过开展氧化锆陶瓷销试样和复合陶瓷涂层块试样间的往复运动摩擦磨损试验发现，带有表面织构的涂层试样，摩擦系数明显小于无织构涂层试样。Prem和Ramesh[59]采用阴极电弧物理气相沉积系统在钛合金表面沉积铬和氧化铝钛双层复合涂层并利用激光加工工艺在复合涂层上加工表面织构，通过划痕测试仪进行评估，发现表面织构使得复合涂层与钛合金基体间的结合强度提高了8%。此外，部分研究也表明，经过改性后的复合涂层，其耐磨、抗氧化、耐高温等性能可以得到进一步的提高。如本文参考文献[60-61]分别通过反应熔体渗透结合真空压力浸渍和热解将硼化锆和碳化锆用来对碳化硅陶瓷基复合材料（以下简称为CMC-SiC）进行改性，然后通过氧乙炔火焰和等离子风洞测试发现，改性后的CMC-SiC具有较好的耐高温和抗烧蚀性能。本文参考文献[62]则先利用复合电镀的方法在镍基单晶高温合金上沉积铂—锆金属化合物（Pt-Zr）复合镀层，然后再采用气相渗铝的方法制备了经纯锆颗粒改性的铂铝合金和镍基铂—铝化物双相涂层，通过开展热腐蚀实验，结果表明经过锆改性的复合涂层拥有较好的抗热腐蚀能力。

因此，为使得材料表面的综合性能更加优越，可以将这3种技术同时引入压裂泵柱塞密封系统中，即密封橡胶采用改性复合材料，在柱塞表面喷涂改性复合涂层，然后在柱塞涂层表面加工表面织构，利用表面织构的流体动压效应和容纳磨屑等作用进一步减小柱塞—橡胶密封副的摩擦磨损。然而，复合技术引入压裂泵柱塞密封系统也面临着许多挑战。首先，在不同工况下，表面织构、表面涂层以及橡胶复合材料的摩擦性能差异较大，需要开展大量压裂泵实际工况下的试验研究，以保证设计、研制或选用的表面织构参数、表面涂层以及材料等能发挥良好的作用；其次，改性复合涂层的厚度、表面光洁度必须满足柱塞制造工艺以及精度的要求；此外，涂层与基体之间的结合强度、表面织构尺度过大引起的密封泄漏、不同润滑介质引起的柱塞表面摩擦差异性[63]等问题也需深入考虑。因此，集结构设计、材料改性、表面织构、表面涂层、润滑介质改良、制造工艺、加工工艺等一体的复合技术，必然是未来压裂泵柱塞密封副优化设计必须涉及的主要研究内容。

3 结束语

经过近30年的研究，压裂泵柱塞密封系统已取得了一定的发展，但在实际恶劣工况下的提前失效问题仍然比较突出，而随着国家油气资源的勘探开发进入新领域，超深、复杂油气层对压裂泵的功率及排量都提出了更高要求。此外，随着国家工业的转型升级，性能低劣的密封产品必将遭到淘汰，油气开发重型装备的密封理论和技术必须有所突破，而柱塞密封系统作为制约压裂泵发展的关键组件，必须发散思维、开阔视野，寻找新的技术与方法来提高其寿命和密封性能。

多学科、多层次交叉是时代发展的需求，是现代科学技术发展的大势所趋，将摩擦学、材料学、制造工艺学等领域的相关理论与技术综合引入压裂泵柱塞密封副的优化研究中，不仅能集各家之长，更是解决复杂难题的有效途径。研究结果表明，表面织构、表面涂层以及材料改性均能有效改善柱塞密封系统的摩擦学性能，今后应大力支持和鼓励开展压裂泵工况下的相关研究，使压裂设备的往复密封技术步入新的台阶，为实现超深、复杂油气藏的规模化开采、提高油气产量奠定坚实的基础。