压裂泵动力端润滑系统技术要求研究

吕月志 （中石化胜利石油工程有限公司井下作业公司，山东 东营257077）

压裂泵是一种往复、容积式、单作用、卧式三缸柱塞泵。可以选择不同规格的柱塞以满足用户对不同压力和排量的要求；可以满足油田间歇性油井作业，如酸化、压裂和压井等，主要用于油田大型压裂施工作业。柱塞泵由动力端、液力端和行星轮减速箱组成；用户可选用不同规格的柱塞以及相应盘根总成或者液力端总成来进行不同工作性能参数的配置。动力端总成主要由曲轴箱体、曲轴总成、十字头箱体以及连杆十字头总成等组成。动力端润滑采用压力强制润滑，必须提供一个合理可靠的外部润滑系统，才能保证柱塞泵具有最佳工作性能和最长使用寿命［1］。为了使柱塞泵正常工作，对其动力端润滑系统提出了严格的技术要求。

1 动力端总成润滑系统设计要求

1.1 油箱

①最小容量必须为568L；②吸入管出口最小尺寸应为3in（1in＝25.4mm），尽可能深地安装；③吸入管出口和回油管入口应尽可能远的隔开；④排出管的回流接头的最小尺寸应为3in，安全阀管线的回流接头最小尺寸应为1in；⑤极力推荐在3in回油管口附近安装1个方便使用的磁铁；⑥通气孔／加油口盖最小应为40目，并应包含有能阻止废物进入油箱的内置滤网；⑦油尺和窥视孔应可指示油箱中油面位置；⑧油箱必须位于柱塞泵最低排放口下面，离泵尽可能的近（最好在泵的正下方）。

1.2 润滑油系统的吸入管道

①整个管内径最小必须为3in，这样吸入管流速绝不会超过2～3ft／s。②必须包括1个入口最小尺寸为3in的吸入滤网，网孔规格为40～100目（400～150μm）的金属网，滤芯面积最小为1500in2，内置旁通管压力3～5psi（6～10inHg），额定流量最小为150gal／min（1gal＝3.78541L）；清洗滤芯时，为了方便维护，应优先采用轴向筒式滤网。③如果润滑油泵装在油箱的液面以上，那么可以在吸入管中安装至少3in的回转式单向阀。④吸入管应尽可能的短，不得有太多的弯曲；为防止损坏，采用金属丝编织的吸入管；如果它的长度大于10ft，应该通过增加管内径到4in来补偿摩擦损失。

1.3 润滑泵

①润滑泵必须是齿轮泵，当它以最高转速运行时，其流量最小应为50gal／min。②出口和入口应尽可能大，入口最好为3in，出口最好为1.25in；如果齿轮泵吸入口小于3in，为了保持3in的吸入管尽可能安装在齿轮泵附近，应该采用一种短节接头。③为了监控吸入流量状况，特别是寒冷天气下的冷启动期间，1个充液真空计（0～30inHg）（1inHg≈249Pa）应被安装在离齿轮泵吸入口尽可能近的地方。④齿轮泵可直接安装在发动机上的一个辅助传动位置上，或者通过PTO（取力器）直接与传动箱连接；通过传动箱／PTO的安装方式能降低安装高度，改善吸入条件；润滑泵的安装必须是一种直接安装的驱动布置，无论柱塞泵原动机何时运行时，它都在发动机的转速下工作。

1.4 润滑系统压力管线和油滤器

①为了保持10～12ft／s的流速，压力管线的最小内径必须为1.25in。②压力管线应为金属丝编织的，最小工作压力800psi（1psi＝6894.757Pa）。③油滤器的最小额定能力为150gal／200psi，必须有一个内置的15～25psi安全阀和25～33μm的滤芯；油滤器可以是自旋式一次性滤芯或筒形密封式一次性滤芯；油滤器必须安装在易于检修的位置，推荐使用1个内置旁通指示器（检修指示器）；150gal以上的双滤芯油滤器将减少过滤90号重齿轮油时的压降并延长更换滤芯的间隔时间；绝不可使用外置安全阀来保护油滤器。④在柱塞泵上NPT1的润滑油入口必须安装0～200psi油压表（注液）；对于安装有远控的装置，极力推荐使用1个辅助油压表。

1.5 润滑系统的安全阀和回流管线

①系统安全阀应为1in、30～40gal、60psi（最小）／200psi（最大）、可调整的、无振动型的安全阀；②安全阀必须装在柱塞泵1in的NPT（标准管螺纹）润滑口上（对着润滑油入口），以便保证润滑油在到达安全阀前通过整个柱塞泵；③安全回流管线（金属丝编织）内径最小为1in，最小工作压力为800psi，直接回油箱。

1.6 润滑油排放管路（从柱塞泵到油箱）

①在动力端壳体的底部配有3in的NPT排放口，排出管线不得比动力端的排出口小，还应尽可能的短；排出管不应有太多的弯曲，应确保润滑油自由连续地向下流入油箱。②0～2500℉油温表应该安装在主排出管线上，以便它的传感器可以淹没在从柱塞泵回来的润滑油中；温度计应安装在易于观察的位置；对于安装有远控的装置，极力推荐使用一个辅助的温度计。

1.7 供选用的润滑系统

①极热的环境条件下，需要1个油冷却器来防止油温过高和油黏度不合适；使用时，冷却器应为“空气至油”或“强制空冷”型式，并装在油滤器的下游；冷却器的能力应为150gal／250psi（最小），入口和出口接头最小为1.25in；如果油井服务装置在寒冷的气候下也要作业，冷却器必须竖直放置，让油旁通过冷却器。②在极冷的环境条件下，可以使用一个电控油槽加热器或一个“管壳式热交换器”，来防止特别差的润滑油吸入状况，避免因润滑油太冷和润滑油黏度不合适而导致润滑油泵的损坏；使用时，电控油槽加热器应该安装在靠近油箱吸入管出口的位置，并能在8～12h期间将油加热到80～100℉；为防止油过热，电控油槽加热器必须是恒温控制的。

2 推荐使用的动力端润滑油

为了确保柱塞泵长寿命和无故障服务，选择合适的齿轮油满足动力端润滑的需要是非常重要的。笔者极力推荐用户使用目前市场上销售的一种现代“合成润滑油”。合成润滑油在大多数环境条件下表现出更加稳定的黏度；与同样黏度的传统齿轮油相比，合成润滑油增加了油膜强度。使用这种合成润滑油，将在柱塞泵启动时提高润滑油的流动性能，提供更好的防磨效果，减少配合部件的阻力和磨擦，产生更大的输出功率。为获得最佳性能，不管选用何种动力端润滑油，在使用时润滑油的温度应保持在1500℉以下。具体要求如下。

2.1 一般用途合成动力端润滑油的选用

这些齿轮油必须适合在“高压（EP）”条件下使用，其黏度指标必须大于135s（塞氏通用黏度单位：秒数）或更高，凝点必须低于－350℉或更低，必须进行50lb或更大的“铁姆肯测试（TIMKEN TEST）”，在2100℉下黏度必须大于125s。在使用这些齿轮油时，柱塞泵的工作温度不得超过1750℉。

2.2 季节性非合成动力端润滑油的选用

柱塞泵也可以使用常规非合成齿轮润滑油；在特定的季节，要更加注意选择适合周围环境的润滑油的正确等级。在任何情况下，常规的齿轮润滑油必须包括一种极压添加剂，必须达到或超过Mil－Spec.Mil－L－2105B标准，必须进行45lb或更大的“铁姆肯测试（TIMKEN TEST）”。

1）适宜的工作情况（春季和秋季） 这些齿轮油适合在32～90℉气温下使用。油的凝固点必须在0℉以下，在210℉下必须有85s的黏度。在使用这些润滑油时，柱塞泵的工作温度不得超过175℉。

2）气温变高的工作情况（夏季或热带气候） 这些齿轮油适合于这种气候条件的环境温度为40～110℉。油的凝固点必须在20℉以下，在210℉下必须有125s的黏度。在使用这些润滑油时，柱塞泵的工作温度不得超过195℉。

3）气温变低的工作情况（冬季） 在极冷的环境下使用任何柱塞泵，极力推荐使用合成压力齿轮油。这些齿轮油适合在低温（－15～70℉）的冬季使用。油的凝固点必须在－20℉以下，在210℉下必须有75s的黏度。在使用这些润滑油时，柱塞泵的工作温度不得超过130℉。

3 动力端润滑系统的启动

整机工作前，应先启动润滑系统，主要步骤如下：

1）按现有的环境条件，向动力端润滑油箱加注正确等级的极压齿轮油。油箱不要加得过满，正确的油位应在液面上留出约10%的空间。卸开润滑油泵吸入口处的润滑油吸入软管，用该软管将齿轮油加入润滑油泵中。重新安装和固定吸入软管。

2）柱塞泵传动箱在空档时，启动发动机并让它空转。大约花几分钟的时间，就可将润滑油充满所有管线和滤清器等；在此期间，应对软管连接处进行一次彻底的泄漏检查。待所有的管线充满后，柱塞泵润滑油入口的压力表开始显示系统压力。让发动机运行5min以上，以便排出系统中的空气。关闭发动机，向油箱里加注润滑油，达到满油位刻度。

3）传动箱在空档时，重新启动发动机，逐渐提高发动机的转速到满速；与此同时，检查润滑油吸入口的真空表和柱塞泵润滑油入口的压力表。如果润滑油温度太高和黏度太低，真空表的读数不会超过0.035MPa；如果润滑油太冷、太黏，应降低发动机的转速，直到真空表的读数下降到0.035MPa。油在润滑系统和柱塞泵中流动会产生摩擦，其温度最终会升高。

4）当真空表的读数在发动机满速运行时不再超过0.035MPa时，调整润滑系统的安全阀以使其油压在发动机满速时不超过约1.05～1.2MPa。在润滑系统中，滤清器的压力通常是最低的。对润滑系统安全阀的设定主要是为了保护油滤器，只要不超过系统中最低压力的部件，它的设定值可高于1.2MPa；除非油压超过约2.8MPa，否则柱塞泵本身是不会被损坏的。再次强调，必要时，检查整个润滑系统的泄漏情况，关掉发动机并向油箱加油。待润滑系统安装和正确运行后，柱塞泵才能运转。

4 动力端润滑系统的工作技术规范

由于齿轮油黏度会随着温度的变化而变化，所以动力端润滑系统的压力也会有比较大的变化。因此，在使用的过程中要遵守润滑系统的技术规范。

1）润滑油泵吸入口的最大真空度：10inHg。

2）柱塞泵正常工作时的最高油温：一般SEA90齿轮润滑油为175℉；低温SEA80齿轮润滑油为130℉；高温SEA140齿轮润滑油为195℉。

3）柱塞泵正常工作时的润滑油压力：在冷启动或正常运转时的最高油压为175psi；稳定的温度下正常运转油压范围为70～120psi；稳定的温度下高速运转时的最小油压40psi。

任何不正常的真空度、压力、温度上突然的变化（尤其同时出现异常的噪音、振动、烟尘），均要停止柱塞泵的工作并查明原因，防止动力端更大的损坏。

［1］刘明皓 .新型压裂泵润滑系统的设计技术要求 ［J］.石油天然气学报（江汉石油学院学报），2012，34（05X）：341～342.