泥浆泵活塞偏磨分析

冯晓飞

摘要：泥浆泵是石油钻井的重要设备之一。活塞是泥浆泵运转过程中的易损件，是比较容易失效的部件，活塞偏磨是引起其失效的主要原因。活塞偏磨后容易造成缸套拉伤，一旦拉伤严重，就需要成套更换，无形中增加了钻井成本。本文通过对泥浆泵活塞偏磨的原因进行了分析，可以采取预防性措施，提高活塞的使用寿命，从而提高钻井效率，降低钻井成本。

关键词：泥浆泵;活塞;缸套;偏磨

中图分类号：TH31                                        文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）08-0143-02

0  引言

泥浆泵是石油钻井必不可少的设备，活塞式泥浆泵在目前钻井中较为常用，活塞的主要结构有金属活塞芯和活塞胶皮。泥浆泵运转时由动力机构驱动曲轴转动，曲轴通过连杆和十字头带动活塞在缸套内往复运动，将泥浆由泥浆罐输送到井内。在活塞往复运动过程中，活塞胶皮需要起到密封的作用，防止泥浆泄漏，活塞芯支撑活塞胶皮，起到保护的作用。钻井过程中活塞直接与泥浆接触，同时受到压力和摩擦力，且长期往复运动，是钻井过程中比较容易损坏的零部件。由于泥浆泵使用工况非常复杂，所以引起活塞损坏的原因有很多，活塞偏磨造成的损坏是其中一个原因。活塞偏磨是指活塞在缸套内运动时由于活塞芯部分圆周与缸套内壁接触，如图1，造成活塞芯和缸套接触部分拉伤。

实践表明，有大量的泥浆泵在使用中出现活塞偏磨导致缸套拉伤的情况，即金属活塞芯在运动过程中摩擦缸套内孔，在缸套内表面拉出许多条不规则的纵向沟槽。在泥浆泵工作过程中，轻微拉伤时，活塞胶皮依靠其柔韧性，会继续起到密封作用，不会对钻井造成影响，但发生严重拉伤时，活塞会在缸套内造成很深的沟槽，这些偏磨沟槽反过来会磨损并破坏活塞胶皮，从而导致活塞提前失效，泥浆进入机架和冷却水箱的问题，同时造成钻井压力不稳，此时只能更换损坏的活塞和缸套。因而，有效解决活塞偏磨问题也是提升缸套活塞使用寿命的可行方法。本文主要针对造成活塞偏磨的原因进行分析。

根据泥浆泵的结构分析，引起活塞偏磨的主要原因是活塞与缸套不同心。而引起活塞与缸套不同心的主要原因有泥浆泵装配调整不达标造成十字头与缸套不同心，活塞和锁紧螺母不合格造成活塞与缸套不同心，钻井现场活塞杆装配不到位造成活塞与缸套不同心。

1  泥浆泵装配调整不达标引起活塞偏磨

十字头是泥浆泵动力端的重要部件，是将曲轴的旋转运动转化为活塞的直线运动的关键。活塞通过介杆和活塞杆与十字头连接为一体运动，泥浆泵运转时，十字头往复运动带动活塞在缸套内运动，如图2。活塞与十字头处于同一中心，缸套装在液缸内固定在机架上，缸套与机架处于同一中心。泥浆泵装配要求十字头与机架前墙板孔的同轴度在0.25mm以内时，才能保证液力端装配后十字头与缸套的同心度。此时活塞在缸套内进行直线运动，活塞芯不会与缸套内壁发生接触。当十字头中心与机架前墙板孔中心偏差超过0.25mm时，活塞会与十字头偏移方向一致，如果偏差引起活塞芯与缸套接触，将会引起活塞偏磨或拉伤。所以泥浆泵在调整十字头与机架同轴度时要确保其一定在合格的范围内。

2  活塞和锁紧螺母原因引起活塞偏磨

活塞本身尺寸和形位公差超差，装配后将直接影响活塞的运转情况。如图3所示，当活塞芯内孔与外圆的同轴度，以及与两个端面的垂直度超差较大时，活塞装配在活塞杆上，活塞中心会偏离活塞杆中心。在此情况下，即使十字头和机架的同心度调整到合格的范围内，活塞与缸套也不会同心。在此情况下泥浆泵进行运转，可能会造成活塞偏磨，偏磨严重时拉伤缸套，造成泥浆泵无法运转，必须更换活塞和缸套。所以在活塞芯加工时首先需要以活塞芯内孔中心为基准，加工外圆，保证其同轴度在0.12mm以内，其次加工活塞芯两个端面需要以内孔轴线为基准加工，保证其垂直度在0.03mm内。按照此工艺加工活塞芯，提高了活塞的制造精度，避免因活塞质量问题造成偏磨。

除了活塞的加工质量不合格会引起活塞偏磨以外，活塞锁紧螺母的加工质量也直接影响了活塞的装配质量，当活塞锁紧螺母端面与螺纹孔垂直度超差较大时，装配活塞锁紧螺母后会导致活塞芯径向跳动超标，出现活塞与活塞杆不同心的问题，从而导致活塞偏磨。

为了查找活塞锁紧螺母加工质量对活塞偏磨的影响程度，我们进行了一项检测试验，使用形位公差超差的锁紧螺母，将检验合格的活塞芯装配到同样检验合格的活塞杆上，在磨床上以顶尖顶紧活塞杆两端中心孔，用百分表检测了活塞芯的径向跳动和端面跳动（图4）。发现在活塞螺母不压紧时活塞芯的径向跳动和端面跳动均为合格，当活塞螺母按照力矩要求压紧后，再次检测发现活塞芯的径向跳动和端面跳动均发生严重超标，且经过多次试验得出，活塞锁紧螺母垂直度超差的数值，基本与装配后活塞芯径向跳动偏差超标的数值趋于一致。

而使用形位公差合格的锁紧螺母进行上述试验时，活塞芯的径向跳动和端面跳动均未发生变化。

因此，活塞锁紧螺母端面与螺纹孔垂直度超差较大时，装配活塞锁紧螺母后会导致活塞芯径跳超标，出现活塞与活塞杆不同心的问题。在此情况下，运转泥浆泵也可能会引起活塞偏磨。所以活塞锁紧螺母加工时需要控制与活塞接触的一侧端面同螺纹孔中心的垂直度在0.05mm以内，如图5所示。

3  活塞杆装配不到位引起活塞偏磨

当泥浆泵在钻井现场使用时，经常会根据井况实际要求频繁更换缸套和活塞，在频繁的更换后容易造成活塞杆和介杆定位台阶损伤，損伤后的活塞杆和介杆装配后端面不能完全接触，卡箍卡紧后，将端面间隙偏差通过刚性连接直接传递到缸套活塞之间，可能会使活塞杆偏离缸套中心，导致活塞芯与缸套的间隙不均匀或直接接触上。泥浆泵运转后，活塞在缸套内偏离原直线运动，从而可能导致活塞芯在缸套上磨出沟槽，发生活塞偏磨现象。所以在现场更换活塞时一定要检查活塞杆和介杆定位是否有损伤或夹有杂质，发现问题及时进行处理后再进行装配，消除引起活塞偏磨的隐患。

4  结论

总之，由于泥浆泵活塞在现场更换比较频繁，造成其偏磨的原因很多，这需要我们在实际使用中不断的进行总结，并做好前期检查和维护，只有这样才能减少活塞偏磨，提高钻井效率。本文只对引起活塞偏磨的部分原因进行了归纳和总结，仅供参考。

参考文献：

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[2]周小明，周远宏，刘平，曾兴昌，廖刚.钻井泵缸套活塞偏磨的柔性解决方案[J].机械工程师，2020（5）：115-117.

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