油井作业用柱塞泵润滑系统安全设计

2017-03-23熊芬

长江大学学报(自科版) 2017年7期

关键词：齿轮泵柱塞泵柱塞

熊芬

(长江大学地球科学学院，湖北武汉 430100；荆州技师学院，湖北荆州 434100)

范毅

(长江大学文理学院，湖北荆州 434020)

陈国锋

(川庆钻探公司长庆石油工程监督公司，陕西西安 710021)

油井作业用柱塞泵润滑系统安全设计

熊芬

(长江大学地球科学学院，湖北武汉 430100；荆州技师学院，湖北荆州 434100)

范毅

(长江大学文理学院，湖北荆州 434020)

陈国锋

(川庆钻探公司长庆石油工程监督公司，陕西西安 710021)

油井作业用柱塞泵润滑系统的安全设计内容，主要有：动力端润滑系统(包括油箱、吸入管、齿轮泵、压力管线、安全阀、排放管线、油冷却器、油槽加热器)的安全要求；动力端润滑油的安全选择；动力端润滑系统的安全工作参数；柱塞润滑系统安全设计。

油井作业；柱塞泵；润滑系统；动力端；润滑油；安全设计

一种往复式、容积式、卧式单作用五缸柱塞泵，在油田主要用于间断性油井作业，如酸化、压裂和压井等。有关柱塞泵润滑系统的安全准则要严格执行，因为它对该泵的使用寿命极其重要[1，2]。为此提出柱塞泵润滑系统的安全设计要求。

1 动力端润滑系统的安全要求

提供一个设计合理且安全无故障的动力端润滑系统，是确保柱塞泵在作业时处于最佳工作状态和获得较长寿命的最重要因素之一。因此，对润滑系统的安装、液压元件及润滑油的选择都非常严格。为了能使柱塞泵正常工作和延长使用寿命，对柱塞泵的动力端润滑系统提出如下安全要求，供使用者参考。正确设计的动力端润滑系统将满足以下安全技术要求。

1)为了安装和维修方便，要求油箱吸入管出口与回油管入口应尽量隔开放置；回油管入口附近应安装一块磁铁，方便使用；通气孔/加油口应内置滤网，以阻止废物进入油箱；油箱上应设置油尺和窥视孔，以指示其中油面位置；油箱应尽量安装在柱塞泵正下方最低排放口下面。

2)润滑油系统的吸入管内径必须≥76.2mm，以保证吸入管流速≤0.6～0.9m/s；管内应设置吸入滤网，滤网为网孔规格40～100目的金属网，内置旁通管；优先采用轴向筒式滤网，以便清洗和维护；在吸入管中应安装一个回转式单向阀，以保证润滑油泵装在油箱的液面以上；吸入管应尽量短，且弯曲不得过多；为防止弯曲损坏，吸入管宜采用金属丝编织管。

3)润滑泵应使用齿轮泵；齿轮泵吸入口直径应与吸入管直径相匹配，若不匹配，应采用一种短节接头相连；为监控齿轮泵吸入流量，应在齿轮泵吸入口附近安装一个充液真空计；为改善吸入条件，降低安装高度，可直接在发动机的辅助传动位置上安放齿轮泵，或者通过取力器与传动箱直接连接，以保证齿轮泵在发动机的转速下正常工作。

4)为防止弯曲损坏，润滑系统压力管线应采用金属丝编织管；管线上应安装油滤器，内置安全阀(绝不可使用外置安全阀来保护油滤器)和滤芯(自旋式或筒形密封式一次性滤芯均可)；为便于检修，油滤器应安装在合适的位置，并配备一个内置旁通指示器(检修指示器)；在压力管线润滑油的入口处，应安装油压表显示管线油压；若系统安装有远控装置，那么在远控装置上应安装辅助油压表。

5)润滑系统的安全阀应为可调整的、无振动的安全阀；为保证润滑油在到达安全阀之前已通过整个柱塞泵，安全阀必须安装在柱塞泵润滑口上正对着润滑油入口处；为防止弯曲损坏，安全回流管线也应采用金属丝编织管。

6)从柱塞泵到油箱应配置润滑油排放管线，在动力端壳体的底部应设置润滑油排放口；排出管线直径与润滑油排放口直径相匹配；为确保润滑油自由连续地向下流入油箱，排放管线应尽量短，并且不要有过多弯曲。在主排放管线上易于观察的位置应安装0～2500℉油温表；若安装有远控装置，装置上还应使用辅助油温表。

7)在极热的现场环境条件下，为防止润滑油油温过高和油黏度不合适，需要配备一个油冷却器来降温；冷却器应安装在油滤器的下游。在极冷的现场环境条件下，为防止润滑油太冷及黏度不合适而损坏润滑泵，需要配备一个电控油槽加热器；该加热器可安装在靠近油箱吸入管出口处。

2 动力端润滑油的安全选择

为确保柱塞泵的安全运行，选择合适的动力端润滑油是非常重要的。目前市场上销售的合成齿轮润滑油，在大多数油田现场环境条件下，能表现出更加安全、稳定的黏度和油膜强度。此时选择这种合成齿轮润滑油用于动力端润滑，可在柱塞泵启动时，不仅可提高润滑油的流动性能，还可提供更好的防磨效果，减少其他配合部件的阻力。

但是，在季节性现场环境条件下，动力端润滑不宜选用合成齿轮润滑油，可选择合成齿轮润滑油的代用品。①中温代用品(春、秋季)：齿轮润滑油，适用环境温度32～90℉，凝点必须在0℉或以下，在210℉下必须有85SUS(塞氏通用黏度秒数)或以上的黏度；在使用该类润滑油时，柱塞泵工作温度不得超过175℉。②高温代用品(夏季或热带气候)：齿轮润滑油，适用环境温度40～110℉，凝点必须在20℉或以下，在210℉下必须有124SUS或以上的黏度；在使用该类润滑油时，柱塞泵工作温度不宜超过175℉。③低温代用品(冬季)：合成极压齿轮润滑油，适用环境温度-15～70℉，凝点必须在-20℉或以下，在210℉下必须有75 SUS或以上的黏度；在使用该类润滑油时，柱塞泵工作温度不宜超过130℉。

3 动力端润滑系统的安全工作参数

由于齿轮油从冷启动到工作温度的过程中会发生黏度变化，动力端润滑系统的读数将有相当的不同。油中的黏度变化会导致系统压力和真空的变化。典型的例子是SEA 90 wt型号的齿轮油即使在室温下也非常黏，它将在系统中产生很大的阻力，导致系统即使在油很低的流速下承受很高的压力。同样，在1500～1750℉，SEA 90 wt型号的齿轮油在系统中会变稀，流动通畅，阻力小，从而显示的系统压力相当低。由于齿轮油的黏度变化，并且润滑系统有多种不同的设计，为每个系统设定一个高精度、稳定的读数装置是很难的。在柱塞泵满功率或满扭矩运行期间，每个系统特别是在稳定的温度和压力读数方面是有稍微的不同。在投入使用后，除了遵守每个装置的一般系统特性外，也要遵守此处系统的技术规范。任何装置从正常到极端的变化是判断潜在问题和防止动力端因润滑不足而损坏的重要因素。

柱塞泵工作时，润滑油泵吸入口任何时候的最大允许真空读数为10mHg；发动机冷启动和满速运行时的最高油压为175psi；柱塞泵工作时，任何时候的最高油温：适中温度(SEA 90齿轮油)为175℉，低温(SEA 80齿轮油)为130℉，高温(SEA 140齿轮润滑油)为195℉；在稳定的工作温度和发动机满速运行时的正常油压为70～100psi；柱塞泵全速运行和在稳定的工作温度下的任何时候的最小油压为40psi。