高压压裂泵液力端的设计

皮振东

（中石化四机石油机械有限公司， 湖北 荆州 434024）

引言

高压压裂泵是在油井开采中实现压裂的重要设备，整个压裂泵的构成分为动力端以及液力端两个部分，动力端用于传递动力，完成低压液体的吸入和高压液体的排出，而组成液力端的泵头体、泵阀、密封件在内都属于易损件，它们对压裂泵是否能稳定、良好的运行有直接影响，对高压压裂泵液力端的设计与研究对保障生产具备十分积极的意义。压裂泵主体结构见图1。

1 液力端总体设计

1.1 液力端设计概述

压裂泵是一种往复泵，通过活塞在往复循环过程中形成正负压对流体进行输送。设计过程中使用直通式液力端能减小阻力损失，且有良好的过流性，其次供流体流通的内腔要有良好的结构形状，余隙容积尽可能小，不应有使气体滞留的死区；泵头体、泵阀、柱塞装配区域应设计合理，能方便更换、防止互相之间有不良干扰，同时也要保障密封的可靠性和好的制造工艺性；易损件的材质、构型根据经济效益和作业工况来设计，在此基础上，尽可能地保障其具有较长的使用寿命、稳定的工作性能和便于维护维修的结构。

1.2 液力端的结构确定

四通体结构直通式液力端，腔体容积缝隙较小、拥有良好的流动性且便于柱塞和阀体的维护维修。如图2 所示，横向为柱塞腔，纵向为缸腔，柱塞在压裂泵动力端驱动下，在柱塞腔体内左右往复运动，柱塞向右移动时，负压使上阀体闭合，吸起下阀体，在缸室形成负压腔室，吸入流体；当柱塞向左移动时，正压使下阀体闭合，挤开上阀体，形成正压腔室，由排出孔排出流体。

2 液力端设计与研究

2.1 泵头体（见下页图3）

2.1.1 柱塞腔内径的设计

泵头体柱塞腔内径d1可由柱塞的直径D 和柱塞腔填料在径向方向尺寸b 确定，用式（1）确定：

填料在径向方向的尺寸b 可由如式（2）确定[1]：

2.1.2 吸入、排出盖的盖孔设计

在柱塞腔对面和缸腔顶部设计吸入和排出盖盖孔，方便阀体和柱塞的安装与拆卸。盖孔配合螺纹可以紧固吸入、排出盖。

吸入排出盖受到的液体作用力F 为[2]：

式中：p 为排出压力。可以通过上式算出合适的压盖直径：

2.1.3 阀体安装的锥形孔设计

泵头体内腔的锥形孔2a 用于安装阀体的凡尔座，有上下两处，使用锥形结构能与凡尔座发生自锁，锥角取值不可过大，过大不能保证凡尔座发生自锁，也不能过小，易导致锥孔压溃，使阀座下沉嵌入锥孔，导致维护维修难度增加、损坏泵头体。

2.2 泵阀

泵阀一般由凡尔座、凡尔体、凡尔体密封圈、弹簧、弹簧固定座组成。使用锥形阀结构，具有过流能力强、水利损失小、密封性能好，流道平滑等优点。凡尔座和凡尔体为锥形阀的主要部分，凡尔体又由上体和导向体结构组成，导向体采用翼形结构，有助于减轻重量，提高通流能力。将凡尔体盛放于凡尔座上，导向体在凡尔座中用于限制位移方向，凡尔体密封圈置于上体，并与凡尔座贴合，同时上体卡住弹簧，通过弹簧固定座压紧凡尔体与凡尔座，其中凡尔密封圈应选用强度和弹性较好的材料，弹簧使用锥形弹簧以减少泵阀闭合时的冲击，阀体结构件如图4 所示。

2.3 柱塞及密封件

2.3.1 柱塞设计

柱塞与十字头通过小连杆连接，柱塞和小连杆使用柱塞卡箍连接，在维护维修时，打开卡箍，能方便柱塞的拆卸。为有效防止作业过程中产生摩擦，应采用合理的制造材料提高耐磨性或者注入润滑脂避免柱塞的磨损。

2.3.2 柱塞密封设计

液力端在工作中承受高压，需要保障密封的可靠性和其寿命，柱塞处于往复活动中，应使用柱塞密封盘根对其密封，盘根密封组件由靠内部的支撑结构支撑软质盘根，外部使用盘根压盖压紧，软质盘根组件采用V 型结构，这种结构能使盘根压盖压紧V 型软盘根后展开，提高密封的可靠性，除此之外，在密封盘根设计润滑油注入孔，注入润滑油避免盘根与柱塞摩擦导致盘根过热烤化，盘根组件结构如图5 所示。

3 结语

通过以上内容可以确定一种四通体泵头体内腔、锥形泵阀以及柱塞和其密封件的设计，然后再在结合发展现状实现科学合理的综合设计。整个设计过程的重点在于易损件的使用寿命和稳定性提高，以及针对密封组件的设计。