【钻井机】新型钻井泵中心拉杆密封装置的设计与应用
摘要：介绍了一种利用橡胶波纹套和骨架油封组成了复合钻井泵中心拉杆装置，可有效解决原有密封装置结构易失效的问题。新装置结构简单、成本低廉、工作可靠，克服了动态密封容易出现的失效问题，提高了钻井泵工作的可靠性，同时也有效预防了机油失效、浪费和环境污染。
关键词：钻井泵中心拉杆 密封 波纹套
中图分类号：TH11 文献标识码：A 文章编号：1007-3973(2011)003-014-02
1、概述
钻井泵被称为石油钻机的心脏。目前使用的钻井泵主要为往复式活塞泵，通过活塞的往复运动将钻井液以一定的压力和流量排出。中心拉杆是处于钻井泵动力端和液力端之间作往复运动，中心拉杆密封装置主要将润滑油密封在动力端，同时也防止液力端的冷却水进人动力端的油池，损坏润滑油。传统钻井泵中心拉杆密封装置采用油封组合进行密封，在实际使用中，由于钻井泵与中心拉杆的相对往复运动属于动态密封，中心拉杆与油封同轴度要求高，而且往复运动中油封磨损很快，使用寿命只有几十个小时。更换密封圈必须停泵，耗时耗力，影响了钻井效率。针对这种情况，一种新型工作可靠的密封装置很有必要研发。
2、新型钻井泵中心拉杆密封装置工作原理及结构设计
新型钻井泵中心拉杆密封装置采用内置波纹套，波纹套随钻井泵中心拉杆往复运动而伸张或收缩，可靠密封钻井泵动力端机油，也可以径向浮动，将往复运动密封方式转化为相对静止密封。一端与钻井泵挡油板连接，另一端与中心拉杆连接。
新型钻井泵中心拉杆密封装置由波纹套、猴箍、油封盒和双唇油封组成(图1)。波纹套小端用猴箍固定压紧在钻井泵中心拉杆上，法兰端固定在钻井泵挡油板和油封盒之间，油封盒内两个油封背向装配可拒挡飞溅过来的冷却水，实现内封机油外拒冷却水工效。泵运转时，中心拉杆的往复运动带动波纹管拉伸与压缩。由于波纹管与中心拉杆之间，波纹管与泵壳之问均为静密封，故它变介杆处的动密封为静密封，极大地提高了密封的可靠性。
2.1 波纹套设计
波纹套是密封装置中最关键的部件，由于要安装在钻井泵动力端内部，工作时不断运动所以采用耐油橡胶。十字头及中心拉杆作往复运动，泵壳内中心拉杆运动到最短点时长度为根据60ram，最大点350mm，所以外直径不能超过235mm，内径大于110mm。中心拉杆外出时，波纹管压缩量最大，回收时拉伸量最大，总之靠近挡油板端受疲劳破坏较大容易出现裂纹。为了使波纹套在工作时受力最小就要优选自由长度L，两极点波纹管长度为L1和L2，一般设计取L=(L1+L2)／2时，拉伸良相等。通过相关专家资料理论分析波纹管受压范围大于受拉范围教为可取，因为折叠处外半径R=r+δ，其中r为折叠处内半径，δ为波纹管厚度，即R>r，所以外半径承受的压缩量大于内半径，取拉伸量为冲程的40％，即305×40％=122为自由长度。
折叠数m=(L1―20)／δ=(60-20)／5=8，其中20为猴箍位置尺寸。所以波纹套自由长度为122mm，折叠数为8折，其中6为折叠系数取5。
2.2 油封盒设计
油封盒要实现固定压紧波纹套法兰端，还要填充油封。为了材料的统一，油封盒与传统油封盒选用油封均一致，油封盒法兰端与钻井泵挡油板安装尺寸对应。在使用过程中即使油封失效，波纹套可起到二次挡水保护作用，确保液力端水或泥浆不进入润滑油中。
3、同类技术对比
以兰石厂3NB－1300C型钻井泵为例(图3)，3NB－1300C型钻井泵中心拉杆油封盒采用四个骨架式油封和三个隔环组成的密封结构。在泵工作时中心拉杆往复运动过程，导板磨损、中心拉杆与油封同心度发生偏差，导致双唇油封偏磨，油封唇损坏。中心拉杆表面光洁度差时也可加快密封油封损坏。新型密封装置将波纹套用猴箍固定，只随中心拉杆作伸缩运动，不发生摩擦，即使中心拉杆与油封同心度发生偏差，也不影响密封效果，同时两个背靠背装配的油封辅助密封冷却水或泥浆不进入润滑油内。
4、现场使用及推广
新型钻井泵中心拉杆密封装置使用可靠，可减少停机时间，提高使用效率。2009年11月我们在一台兰石泵上安装了新型密封装置，使用效果良好，试车束发生漏油和其他不良现象。我们现场使用的F系列泵中心拉杆密封方式与兰石3NB－1300C钻井泵密封方式相似，可推广使用。如果在材料性能上能进一步完善，可完全取代所有传统钻井泵中心拉杆密封装置。
5、结论
新型钻井泵中心拉杆密封装置将动密封转化为静密封，从根本上杜绝了漏油和润滑油进水现象。在工作时对油封盒及中心拉杆同轴度，对中心拉杆表面粗糙度要求低，结构简单，安装方便，工作性能可靠，使用寿命长，减少了停机时间，提高了钻井泵的使用效率。
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