石油钻采设备及工艺李振林§往复泵的结构和特点资料

§6-5往复泵的结构和特点一、双缸双作用活塞泵二、三缸双作用活塞泵三、三缸单作用活塞泵返回四、柱塞泵五、其它型式往复泵往复泵的主要型式是活塞泵和柱塞泵，活塞泵中以三缸单作用泵和双缸双作用泵为主。柱塞泵主要用于向井底注入高压水，作为注水泵；从地面向井下水力活塞泵注入动力液，作为地面站的动力泵；在固井和压裂酸化设备中用于向井底或地层注入高压水泥液或压裂、酸化液，作为固井泵或压裂泵；等等。。。一、双缸双作用活塞泵双缸双作用活塞泵的结构方案如图所示主轴上有两个互成90o的曲柄，分别带动两个活塞在液缸中作往复运动。液缸两端分别装有吸入阀和排出阀。当活塞向液力端运动时，左边的排出阀打开，吸入阀关闭，活塞前端工作室（前缸）内液体排出，而右边的排出阀关闭，吸入阀打开，活塞后端工作室（后缸）吸入液体；当活塞向动力端运动时，则情况正好与上述相反。图（b）是双缸双作用往复泵的流量曲线。两个液缸的前后缸的瞬时流量近似按正弦规律变化，前缸流量曲线为a2、b2，后缸流量曲线为a1、b1。将其纵坐标叠加，就可得到整台泵的流量曲线。它反映了泵工作过程中吸入和排出的流量随曲柄转角Ф的变化规律，曲线起伏越大，说明泵的流量越不均匀。双缸双作用往复泵由动力端（驱动部分）和液力端（水力部分）组成。1.双缸双作用活塞泵的动力端双缸双作用活塞泵的动力端由传动轴、主轴（曲轴）、齿轮、曲柄连杆机构、壳体（底座）等组成，其作用是变主轴的旋转运动为活塞的往复运动，同时传递动力和减速。双缸双作用活塞泵传动轴的两端外伸出壳体，可由左方或右方安装皮带轮，满足现场整套钻机的安装要求。动力机的动力由皮带传送到传动轴皮带轮上，通过传动轴上的主动齿轮（小斜齿轮）驱动主轴上的被动齿轮（大斜齿轮），带动主轴及固定其上的偏心轮旋转，再通过连杆等带动十字头和活塞做往复运动。工作过程中，连杆相对偏心轮做摆动。动力端的十字头用于介杆的导向，使介杆、活塞等不受曲柄切向力的影响，减少介杆和活塞的磨损。十字头上、下部一般都有滑履，与机座上的导板相接触，磨损后可单独更换。2.双缸双作用活塞泵的液力端活塞泵的液体端（又称水力部分）包括泵体（阀箱）、缸套活塞、活塞杆、密封盒、泵阀等，双缸双作用液力端每个液缸的两端各有一个吸入和排出阀箱，吸入阀上部与液缸连通，下部与吸入管连通；排出阀上部与排出管连通，下部与液缸连通。其作用是从吸入池吸入低压液体，通过活塞的作用，变机械能为液压能，向井底输送高压液体，实现液体的循环，冷却钻头、冲洗井底和携带岩屑。二、三缸双作用活塞泵三缸双作用钻井泵各曲柄间的夹角为120o，该泵的优点是流量比双缸双作用泵均匀，缺点是易损件多，结构复杂，加工和拆装困难，曲轴受力恶化，在石油矿场应用较少三、三缸单作用活塞泵三缸单作用活塞泵于60年代中期研制成功，并作为双缸双作用钻井泵的替代产品迅速推广使用。1.三缸单作用钻井泵的代号2.三缸单作用活塞泵的特点3.三缸单作用活塞泵的组成三缸单作用活塞泵的特点优点：缸径小，冲程短，冲次较高，在功率相近的条件下，体积小，重量轻。缸套在液缸外部用夹持器（卡箍等）固定，活塞杆与介杆也用夹持器固定，因而拆装方便；活塞杆无需密封，工作寿命长。活塞单面工作，可以从后部喷进冷却液体，对缸套和活塞进行冲洗和润滑，有利于提高缸套与活塞的寿命。泵的流量均匀，压力波动小。三缸单作用泵的主要问题：由于泵的冲次提高导致其自吸能力降低，通常情况下应该配备灌注系统，即由另一台灌注泵向三缸单作用泵的吸入口供给一定压力的液体，这样便增加了附属设备。由于单作用泵活塞的后端外露，且外露圆周比双作用泵活塞杆密封大的多，在自吸的条件下，当处于吸入过程时，液缸内压力降低，假如缸套和活塞配合之处松弛，外部空气有可能进入液缸，从而导致泵工作不平稳，降低容积效率。组成三缸单作用活塞泵仍然由动力端和液力端组成。1.动力端：三缸单作用活塞泵动力端的主要部分由主动轴（传动轴）、被动轴（主轴和曲轴）、十字头等组成。2.液力端：单作用泵的每个缸套只有一个吸入阀和排出阀，故其液力端结构比双作用泵液力端简单。目前的三缸单作用泵的泵头主要有L型、I型和T型三种型式。四、柱塞泵1.柱塞泵的用途及代号2.柱塞泵的工作原理3.压裂泵4.固井水泥泵5.注水用柱塞泵柱塞泵的用途及代号用途：柱塞泵在石油矿场主要作为压裂泵、固井水泥泵和注水泵。它们之间只有压力和流量等性能参数的不同，结构和工作原理并无实质性区别。将压裂液送入井内，并借助高压在油层中造成裂缝，或使原油层裂缝扩大的柱塞泵，称作压裂泵。将水泥浆注入油井，使套管与井壁牢固连接的柱塞泵，称作水泥泵。向井内输送高压水，进入油层驱油和补充地层能量的柱塞泵，称作注水泵。Z变型代号，用罗马字母表示阀结构，锥阀省略，球阀为Q,板阀为B额定排出压力（MPa），阿拉伯数字表示额定流量（m3/h），阿拉伯数字表示结构型式，立式“L”，卧式不表示柱塞泵泵型代号，汉语拼音字母字头柱塞数目，阿拉伯数字表示柱塞泵的工作原理柱塞泵与活塞泵的区别柱塞泵与活塞泵类似，其主要区别在于往复运动件的密封形式上。活塞泵的活塞直径外表面与钢套内表面紧密配合，活塞的往复运动改变钢套内部容积，实现液体的吸入和排出。柱塞泵的柱塞采用如图所示的密封结构。柱塞泵的工作原理柱塞运动不断改变液缸内的充液容积，实现液体的吸入和排出。布置型式柱塞泵的布置型式有卧式、立式和V型等，缸数有三缸、五缸等。目前石油矿场上使用的多为卧式三缸柱塞泵，结构相对比较简单。柱塞泵的结构特点柱塞密封在泵缸之外，便于拆装、调节，还可以通过冷却液冲洗磨擦表面降低温度。柱塞泵通常由柴油机、电动机作动力；有的在泵外减速，动力直接传递到曲轴上，有的在泵内装有减速机构；曲轴通常采用偏心机构，冲程较短而冲次较高；连杆大头有的采用整体式滚动轴承，如同钻井泵那样，但较多见的还是剖分式滑动轴承，便于安装。压裂泵美国BJ公司122－T型压裂车上佩斯梅克（BJ-Pacemaker）型三缸柱塞泵美国Halliburton公司生产的用于固井、压裂的HT－400型三缸柱塞泵国产3H-8/450型三柱塞泵兰州通用机器厂生产的SNC-2F大型水泥车上配备的专用水泥泵该泵动力端采用曲轴中心线下沉40mm的结构，可以减小十字头的比压和连杆十字头部分的体积。泵体由高强度合金结构钢与铸钢组焊而成。曲轴由高强度合金钢锻压后，切削成三拐曲柄偏心盘结构，连杆大头采用双金属耐磨合金轴承，小头采用特殊青铜制成的耐磨滑动轴承。泵的液力端为直通型，采用三块阀箱独立结构，排出流道采用合金锻压后切削而成的汇流块，偏置于液力端的前端面。吸入阀有组合式和整体式两种。柱塞采用空心结构，由弹性杆与十字头连接，冲程长度180mm。柱塞采用V型橡胶自紧式密封。动力端与液力端之间设有油池，柱塞沉浸在机油中，借以冷却和润滑柱塞。为了提高泵的效率，同时为了满足注水压力进一步提高的需要，油田注水中，有些场合以柱塞泵代替离心泵，用于向井内注入高压液体，借以驱油，提高油田采油量。大港油田制造的3H-8/450型高压三缸柱塞泵：其性能与结构等，同美国生产的TA5及4JC-3型柱塞泵相近。国产3H-8/450型三柱塞泵，冲程长度127mm，冲次370min-1;5级柱塞，57～35mm，相应工作压力17.2~45.7MPa，流量21.6~8.1m/h；装机功率110kw。HT-400型三缸柱塞泵冲程长度为8’’，最高冲次为275min-1。泵的动力端为蜗轮蜗杆传动一种是圆柱蜗杆传动，传动比8.6；另一种是球面蜗杆传动，传动比8.4。蜗轮副安装有左右之分，面向液力端，蜗轮副在右手边的为右向动，在左手边的为左向动。蜗轮通过一套浮动机构（外齿板、内齿套等），用18个柱销将动力传递到曲轴上，故当载荷不均匀时，可以产生弹性变形，起浮动作用，从而降低偏载系数，保证蜗轮副准确啮合。曲轴用锻钢制造，由四个滚子轴承支撑；连杆采用锻造铝合金制作，大头为剖分式，镶有剖分青铜轴瓦，小头压入青铜衬套，磨损后都可更换；十字头为铸钢加工件，上下表面装有可拆卸的锡青铜滑履，上下导板为铸钢件，十字头在导板中运动的径向间隙为0.152~0.203mm，由十字头滑板下的调节垫调整。HT-400型泵的液力端有五种尺寸规格，分别适用于五种柱塞直径，由三个完全相同的单个泵头用螺栓组合于机架之上。柱塞为空心柱塞，通过弹性杆穿过其内孔与十字头相连。泵阀为双向导阀锻钢件。该泵动力端机座（箱壳）由合金钢板焊接而成，内有一级齿轮减速。动力可由传动轴的两侧输入，使泵的曲轴可以顺时针或逆时针旋转。传动轴由两个实心轴和一段钢管组焊而成，重量轻，强度高，通过花键与小螺旋齿轮连接，两端采用青铜衬巴式合金滑动轴承；大螺旋齿轮用键固定在曲轴上，齿轮上还配以平衡重，使不平衡质量的振动状态趋于最小。连杆是整体铸造的，十字头由轻质高合金钢制成整体圆筒形。十字头及其导板和全部轴承靠压力油润滑。该泵液力端的液流通道采用T形结构。排出阀采用翼型导向；吸入阀采用柱型导向；相当于去掉吸入阀室部分，使液力端的重量减少20％～30％。泵头由整块高合金钢坯加工而成，内部有较厚的硬化层；柱塞有3.5’’、4’’、和4.5‘’三种规格。通过密封盒中的支撑环向密封盒中灌注润滑油，对密封件起润滑作用；同时设置柱塞冲洗系统，用细的水流冲刷外露柱塞表面的细磨粒、泥浆或其它腐蚀性物质。活塞杆及活塞总成缸套及缸套座泵壳（机座）总成排出液缸排出管吸入液缸及吸入阀总成总成吸入管及底座T型布置泵头，由排出缸、吸入缸及T型流道三大块组成；主要特点时吸入阀水平布置，排出阀垂直布置；综合了L型和I型泵头的优点，既可分块制造，便于吸入阀的拆装和检修，又取消了吸入室，使泵头结构紧凑，内部余隙容积较小，重量较轻。不足之处是，更换吸入阀时需卸下吸入液缸及弯管，泥浆漏失较多。吸入管汇吸入阀活塞杆活塞排出阀排出管汇I型泵头：这种直通形泵头的液力端结构紧凑，重量较轻，缸内余隙流道长度短，有利于自吸；但更换吸入阀座时，必须先拆除上方的排出阀，采用带筋阀座时，还要先取出排出阀座，检修比较困难。吸入管汇吸入阀活塞活塞杆排出阀排出管汇L型泵头可将吸入泵头和排出泵头分块制造，组成复合式泵头；其吸入阀可单独拆卸，检修和维护方便，泥浆漏失也较少；但结构不紧凑，泵内余隙流道长，泵头重量大，自吸能力差。十字头总成：十字头是传递活塞力的重要部件，同时，又对活塞在缸套内作往复平直运动起导向作用，使介杆、活塞等不受曲柄切向力的影响，减少介杆和活塞的磨损。曲轴通过连杆和十字头销带动十字头体作往复运动，十字头体又通过介杆带动活塞作往复运动。连杆小头与十字头销之间装有圆柱滚子或滚针轴承。十字头体上有的装有铸铁滑履，在导板上往复滑动。导板通常是铸铁件，固定在机壳上，通过调节导板下部垫片使十字头体与导板之间保持一定间隙。当泵反转时，如间隙过大，则十字头落到导板上将会产生过大的冲击力。曲轴总成：曲轴（被动轴）是钻井泵中最重要的零件之一，结构和受力都十分复杂。其上装有大人字齿轮和三根连杆大头。大齿轮圈用铰制孔螺栓与曲轴上的轮毂紧固为一体。三个连杆轴承的内圈热套在曲轴上，连杆大头热套在轴承外圈上。国产三缸单作用泵的曲轴大体上有两种结构型式：•一种是碳钢和合金钢铸造的整体式空心曲轴结构；•另一种是锻造直轴加偏心轮结构，其特点是改铸件为锻件，化整体件为组装件，便于保证毛坯的质量，加工和修理比较方便。国外三缸泵中有的采用锻焊结构曲轴，即将曲轴和齿轮轮毂都焊接在直轴上，再加工为整体式曲轴。三缸单作用泵整体式曲轴总成1－齿轮轴；2－键；6、7－左、右轴承座；8－轴套3－驱动灌注泵的三角皮带轮4－驱动喷淋泵的三角皮带轮5－轴承9－大皮带轮钻井泵传动轴总成：轴的两端对称外伸，可在任一端安装大皮带轮或链轮。轴两端的支承采用双列向心球面球轴承或单列向心短圆柱滚子轴承，可以保证有一定的轴向浮动。传动轴与小齿