新型光杆密封装置的盘根设计与计算方法

　　摘要：在分析常规密封盘根的密封机制，及其存在的形状和材质选用不合理、更换不便、密封效果不好和使用寿命低等问题的基础上，提出了采用普通传动V带作为新型密封盘根的设计方案。在现场试验的基础上，分析了新型密封盘根的密封机制，给出了盘根的设计计算方法，并将新旧盘根的现场使用情况进行了对比与分析。结果表明，新盘根的使用节约了生产成本，改变了盘根的密封方式，实现了抽油机不停机加盘根作业，降低了劳动强度，具有良好的推广前景。

　　关键词：光杆密封;盘根;密封材料;计算方法

　　油田井口光杆密封装置用的密封盘根属消耗品，用量较大，其质量好坏、寿命长短直接影响到密封装置的密封性能。因此，选择合理的盘根对整个密封装置的密封性能和工作性能是至关重要的。

　　1、常规密封盘根的密封

　　1.1常规密封盘根的密封机制

　　盘根装入密封腔以后，经压盖对它作轴向压缩，由于盘根的塑性，使它产生径向力，并与光杆紧密接触。与此同时，盘根中浸渍的润滑剂被挤出，在接触面之间形成油膜。由于接触状态并不是特别均匀，接触部位便出现“边界润滑”状态，类似滑动轴承，因此称为“轴承效应”; 而未接触的凹部形成小油槽，有较厚的油膜，当光杆与盘根有相对运动时，接触部位与非接触部位组成一道不规则的迷宫，起阻止液流泄漏的作用， 此称“迷宫效应”。

　　1.2盘根密封作用原理

　　如图1所示，压盖通过压套来轴向压紧密封盘根, 使密封盘根轴向和径向变形，密封腔的间隙被填塞而达到密封的目的。

　　2、常规密封盘根的缺陷

　　分析常规密封盘根的形状、材质、工作性能和现场使用情况, 可发现其在应用中存在的问题：

　　(1) 形状为矩形，从现场使用情况来看，该盘根的抗挤压、抗磨损的能力较差，密封效果不甚理想。

　　(2) 材质一般采用丁腈橡胶，具有较好的弹性，压缩回弹率大，但是耐热性较差，耐热范围小，弹性补偿性能不好，易老化，密封效果相对较差。

　　(3) 安装和拆卸盘根时，阻力很大，必须用工具往密封盒里用力填塞或逐个取出密封圈，操作很不方便，并且很容易损坏到密封圈及密封腔的内壁。

　　(4) 密封盒采用圆柱形，不能保证平行地将盘根安装到密封腔中，盘根在光杆周围分布不均， 很容易受挤压产生偏磨，降低了盘根的使用寿命。

　　(5) 盘根的使用寿命长则1~ 2个月, 短则 1~2周， 更换频繁，增加了抽油机的停产时间，加上盘根本身需要专门研制生产，频繁的更换会增加生产成本。

　　3、新型密封盘根的密封

　　通过分析常规密封盘根在现场使用中存在诸多问题的基础上，现采用普通传动V带作为新型密封盘根，以便改善密封装置的密封性能，提高油田采油的经济效益。

　　3.1新型密封盘根的密封机制

　　该新型密封盘根除了可以实现常规密封盘根的密封机制外，而且在密封装置正常工作时，多级盘根之间形成多级液环，环中充满润滑剂，一方面起到较好的自润滑作用，另一方面起到一定的液体自封作用，进一步加强密封。因此，采用该新型密封盘根可以使整个密封装置的润滑效果和密封效果得到进一步的改善。

　　3.2盘根密封作用原理

　　压盖通过压套来轴向压紧密封盘根，使密封盘根轴向和径向发生变形，紧贴光杆和密封腔内壁表面，实现密封。盘根螺旋缠绕，因此只需较小的轴向压紧力即可产生较大的密封力。

　　为了实现良好的密封效果，盘根必须柔软、具有弹性。该新型密封盘根采用普通传动V带，其内层主体成分为耐油橡胶，柔软、具有弹性、压缩回弹率大;外层部分采用帆布，与耐油橡胶一起复合形成夹布耐油橡胶，具有较高的强度，可减少盘根对光杆的损坏;内层采用棉织物，具有良好的浸渍性能，可及时补充盘根中损失的润滑剂。

　　4.1新型密封盘根工作的起始深度

　　新型盘根的截面是等腰梯形，正常压缩时应力和应变的分析复杂，故采用单体式矩形盘根来代替实际盘根，由此造成的误差在允许的范围内。

　　同时假设：V带未变形部分的体积不变，且各个截面的轴向变形量相等。

　　在单体密封盘根截面x处, 取微元dx，则微元的体积为

　　由此得到盘根变形的总体积V 为

　　由△V’= △V, 便得到V带截面轴向变形量a和新型密封盘根的起始深度L。

　　4.2新型密封盘根工作的深度

　　密封盘根经较长时间的使用, 磨损严重，经调整不能继续使用时，可认为盘根已经失效，需要更换新的盘根。此时多级盘根间的液环已经不存在，起密封作用的仅仅是磨损严重的盘根。此时剩余的盘根高度L’= 4b , b为 V带截面等腰梯形上底面长度。

　　在实际应用中, 盘根与光杆接触部分已经部分磨损, 因此剩余盘根高度将大于4b , 为保证盘根密封效果, 取 L’= 4b。

　　5、现场应用

　　2006年5月, 以该新型密封盘根作为密封材料的新型有杆采油光杆密封装置在胜利油田东辛采油厂的油井上进行了安装试验, 现场使用效果良好，且改善了油场工作环境，节约了生产成本，减轻了工人的劳动强度，提高了采油工作时率，具有良好的推广前景。

　　该密封盘根克服了常规密封盘根在使用过程中存在的问题, 实现了抽油机不停机更换密封盘根， 紧盘根周期延长了14天以上, 更换盘根周期延长到4个月左右, 清洗井口周期延长到200天左右, 每口井每年可节约成本7 000余元，到目前为止使用情况良好。其应用的具体情况见表1。

　　6、结论：

　　( 1) 采用新型密封材料——普通传动V带, 节约了生产成本，增长了使用寿命, 改善了装置的密封性能;同时，改变了盘根的密封方式，降低了能量损耗，密封性能好。

　　( 2) 更换密封盘根时，不需停机，提高了采油工作时率，防止原油外排造成浪费及环境污染，取得了良好的经济效益。

　　( 3) 紧盘根时只需很小的力，即可实现密封能力的恢复;更换盘根时，只需取出磨损盘根, 换上新盘根，一人操作即可完成，省时省力，减轻了工人的劳动强度。

　　( 4) 研究光杆密封装置密封盘根的计算方法，有利于规范和完善密封盘根的设计计算，对密封盘根的设计计算具有一定的指导意义。

　　参考文献：

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　　2 、 李枫, 刘彩玉。游梁式抽油机光杆密封装置的改造，润滑与密封。

　　3、张立勇，可调偏调斜井口光杆密封器的研制 [ J]，石油机械, 2001 , 29 ( 8): 37- 38。

　　4、顾永泉，流体动密封 [ M ] ，北京：中国石化出版社。

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