扶正微溝槽織構(gòu)化柱塞密封副動壓潤滑性能研究

扶正微溝槽織構(gòu)化柱塞密封副動壓潤滑性能研究

壓裂和酸化是提高氣田采收率的成熟工藝。近年來，它在所有主要的氣田中得到了成功的應用。壓裂泵柱塞密封是一種典型的高壓往復密封，在防止泄露、保證密封壓力的情況下，密封界面往往會產(chǎn)生很大的接觸應力，極易造成壓裂泵柱塞密封副的提前失效。失效形式主要有：柱塞表面磨損、材料剝落，密封橡膠燒傷、老化、疲勞磨損等與傳統(tǒng)的觀念不同，光滑的機械設備表面并不意味著低摩擦力，相反，表面凹凸不平反而有助于降低摩擦磨損。仿生學研究發(fā)現(xiàn)，許多生物體表皮并不光滑，反而是具有一定形狀、尺寸的微觀結(jié)構(gòu)，例如鯊魚表面盾鱗能夠大大降低鯊魚在游動過程中的阻力綜上所述，在柱塞表面加工織構(gòu)的方法可以有效減少柱塞密封副的磨損失效，并且不同形狀的表面織構(gòu)具有不同的減磨效果。在一定條件下，正弦形織構(gòu)具有良好的表面動壓潤滑性能，本文將對正弦溝槽織構(gòu)在柱塞表面的動壓潤滑性能進行研究。1正交溝法的形成和滑動理論模型1.1正義溝槽形表面織構(gòu)陣列3000型壓裂泵柱塞-橡膠密封系統(tǒng)主要由柱塞、密封環(huán)、泵頭體、壓環(huán)、密封橡膠、墊圈等部分組成，如圖1所示。其中，柱塞的直徑為114.3mm，往復運動沖程為203mm，運動速度為0～5.5沖次/s。為進一步提高柱塞密封組件的摩擦學性能，借鑒摩擦學領(lǐng)域的表面織構(gòu)技術(shù)，在柱塞與密封橡膠往復摩擦運動的兩個極限位置范圍內(nèi)，設計了正弦溝槽形表面織構(gòu)陣列，如圖2a所示。其中，柱塞與密封橡膠的間隙（即油膜厚度）為1.2柱塞目標油膜潤滑介質(zhì)摩擦磨損的載荷-溫度分析在壓裂柱塞泵工作過程中，液力端的柱塞密封副處于高壓密封狀態(tài)，在強制潤滑狀態(tài)下，密封橡膠與柱塞被強行分開，進而形成一層高壓潤滑油膜，以防止橡膠被快速燒傷。在此條件下，柱塞-橡膠密封副可認為處于流體潤滑狀態(tài)?；诹黧w潤滑理論，采用Reynolds方程描述潤滑介質(zhì)的流體動壓效應，雷諾方程左端表示織構(gòu)化柱塞表面油膜壓力隨位置坐標(x,y)的變化，右端則表示織構(gòu)化表面產(chǎn)生油膜壓力的各種效應，展開如式（1）所示：式中：x為柱塞的運動速度方向；y為垂直柱塞運動速度方向；uf072為潤滑油密度；η為潤滑油黏度；P為摩擦副表面潤滑油壓力；h為潤滑油膜厚度；U、V為柱塞在x、y方向的運動速度；W產(chǎn)生流體動壓的主要原因是出現(xiàn)動壓效應和擠壓效應，而在壓裂泵工作過程中，當工作壓力穩(wěn)定后，柱塞密封副的油膜間隙基本不變，不存在油膜的擠壓作用，因此只考慮動壓效應的作用。柱塞往復運動過程中，速度沿軸向方向，V=0m/s，雷諾方程簡化為：式中：x,y為柱塞表面的坐標系；h為潤滑油膜厚度；p為織構(gòu)化柱塞表面的油膜壓力；U為兩摩擦表面的相對運動速度；η為潤滑介質(zhì)黏度。對于柱塞橡膠密封圈采用的夾布丁腈橡膠，有研究表明式中：正弦微溝槽織構(gòu)區(qū)域uf057表達式為：式中：A為正弦微溝槽織構(gòu)幅值；T為溝槽周期；壓裂泵柱塞-橡膠密封副的潤滑介質(zhì)采用L-CKD150潤滑油，在40℃下，其動力黏度為0.13457Pa·s。柱塞密封副在往復運動過程中，密封壓力和溫度都有較大變化，而潤滑油具有黏-溫和黏-壓特性，在流體動壓潤滑狀態(tài)下，不同的溫度和壓力都對潤滑介質(zhì)的黏度有較大影響。流體動壓力只在織構(gòu)化柱塞區(qū)域產(chǎn)生，對潤滑介質(zhì)黏度基本無影響。文中取壓裂泵柱塞穩(wěn)定工作一段時間后的工作壓力和溫度，采用Roelands溫-壓-黏方程描述潤滑介質(zhì)黏度的變化，表述如下式中：η針對織構(gòu)化表面潤滑介質(zhì)在油膜厚度發(fā)散區(qū)域產(chǎn)生的“空化現(xiàn)象”，采用Reynolds邊界條件具有較好的準確性和求解速度。因此，流體壓力值低于環(huán)境壓力的空化區(qū)域壓力等于油膜出口環(huán)境壓力，對于非空化區(qū)域邊界條件，油膜入口和出口壓力梯度為零，壓力等于環(huán)境壓力為簡化計算，減少量綱的影響，對方程（2）進行無量綱化，定義無量綱參數(shù)為：采用五點差分法離散方程，得到如下判據(jù)作為收斂條件：式中：uf065為壓力迭代收斂判定極限值，考慮計算精度和速度，文中取0.00001。當滿足計算精度要求時，則輸出各個節(jié)點壓力P利用Reynolds方程求解得到柱塞表面各節(jié)點無量綱壓力值P后，利用無量綱參數(shù)求出其真實壓力值p，再用真實壓力值對柱塞表面區(qū)域進行積分，即可求得油膜承載力：對油膜承載力進行無量綱化：式中：p為表面織構(gòu)產(chǎn)生的油膜壓力，p柱塞表面的流體剪切力為：利用剪切應力對柱塞表面區(qū)域進行積分，即為摩擦力：柱塞表面摩擦力與油膜承載力的比值即為摩擦副表面的摩擦系數(shù)：1.3網(wǎng)格劃分和計算除了迭代方法外，模型求解的速度和準確性還與網(wǎng)格節(jié)點的數(shù)量密切相關(guān)，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量過少會導致模型的計算結(jié)果精度較差，而網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量過多則會耗費更多的計算時間。為保證模型的時效性和可靠性，取與文獻圖3所示為不同網(wǎng)格節(jié)點下摩擦副表面的摩擦力，可以看出，在網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量從25×25增大至250×250的過程中，摩擦力計算結(jié)果明顯減?。欢鴱?50×250增大至650×650的過程中，摩擦力計算結(jié)果基本保持穩(wěn)定。因此，本文取單元區(qū)域（500μm×500μm）的網(wǎng)格數(shù)為250×250，即可獲得較高的計算精度。圓柱形織構(gòu)化表面油膜及其壓力分布如圖4所示。文獻2柱塞表面溫度選用壓裂泵實際工況為：工作壓力40～140MPa，柱塞運動速度為100～330沖次/min，柱塞往復運動速度為-3.51～+3.51m/s，壓裂泵作業(yè)1h后，柱塞表面溫度一般穩(wěn)定在70℃左右。由于織構(gòu)在柱塞表面的分布具有周期性，針對不同的工況，取局部500μm×500μm的單元區(qū)域進行數(shù)值模擬，就可進行有效的橫向?qū)Ρ?。?jīng)過初步選擇合理的織構(gòu)參數(shù)配合，設計正弦溝槽織構(gòu)參數(shù)為：周期T=500/3μm，幅值A(chǔ)=100μm，寬度D=100μm，面積比S=20%，初始油膜厚度h2.1柱塞密封壓力對動壓潤滑性能的影響實際工況下，柱塞密封壓力近似等于壓裂泵工作壓力，本文的油膜密封壓力和工作壓力取值相同。圖5為正弦溝槽織構(gòu)化柱塞表面在密封壓力為40MPa、柱塞運動速度為2.24m/s時所產(chǎn)生的無量綱油膜壓力，可以看出，潤滑油膜厚度收斂區(qū)域的正弦微溝槽尖角波峰處產(chǎn)生了峰值壓力，說明油膜厚度收斂區(qū)域的會聚形狀有利于產(chǎn)生更高的局部油膜壓力。3種柱塞運動速度（100、200、330沖次/min）下，柱塞密封壓力對織構(gòu)化柱塞密封副動壓潤滑性能的影響見圖6。從圖6a可以看出，3種柱塞運動速度下，隨著密封壓力從40MPa增大至140MPa，織構(gòu)化柱塞表面的油膜承載力也在不斷增大，油膜承載力的增長率也在不斷增大。這是由于潤滑油膜受到來自密封壓力的擠壓，并且隨著密封壓力的升高，油膜分子之間的距離越來越小，油膜分子之間的排斥力會越來越大，阻礙油膜厚度的降低，宏觀下體現(xiàn)為油膜承載力的持續(xù)增大。同時，隨著柱塞運動速度的提高，油膜承載力增大。這是由于隨著柱塞運動速度的增加，油膜分子的運動速度也會增加，且運動受到密封腔體的限制，導致油膜內(nèi)部壓力增大，同時體現(xiàn)為油膜承載力的增大。從圖6b可以看出，隨著密封壓力的增大，潤滑介質(zhì)與柱塞表面間的摩擦系數(shù)也在不斷增大，但增長速率不斷減小，且柱塞運動速度越大，摩擦系數(shù)就越大。從潤滑油溫-壓-黏關(guān)系進行分析，壓力越高，潤滑油的黏度越大，產(chǎn)生的流體動壓也越大，但潤滑介質(zhì)對柱塞表面的剪切力也在不斷提高。因此，隨著密封壓力的升高，柱塞密封副間的摩擦力增大。2.2柱塞運動速度對摩擦系數(shù)的影響圖7為3種密封壓力（40、80、140MPa）下，柱塞運動速度對織構(gòu)化柱塞表面動壓潤滑性能的影響。從圖7a可以看出，油膜承載力和柱塞速度成線性關(guān)系，并且隨密封壓力的提高，比例系數(shù)也不斷增大。柱塞運動帶動潤滑油膜運動，隨著運動速度的增加，潤滑油膜在同樣運動時間內(nèi)的壓縮量會更大，產(chǎn)生更大的油膜承載力，并且隨著密封壓力的增加，潤滑油膜受到的壓力增大，導致潤滑油膜的承載力顯著提高。從圖7b可以看出，隨柱塞運動速度的提高，摩擦系數(shù)不斷增大，增長率不斷減小，且柱塞密封壓力越大，摩擦系數(shù)進入穩(wěn)定階段所對應的柱塞速度也越低。以140MPa工況為例，當柱塞運動速度超過0.8m/s(120沖次/min）時，摩擦系數(shù)就基本保持穩(wěn)定。由于此時的油膜承載力和油膜剪切力同步增加，進而導致摩擦系數(shù)基本沒有變化。2.3柱塞運動速度-密封壓力下油膜承載力分析常用的壓裂泵工況如表2所示?？梢钥闯?，柱塞運動速度和密封壓力基本是錯峰配合，針對此5種工況開展對應的織構(gòu)化柱塞密封副動壓潤滑數(shù)值模擬，結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯?，在柱塞運動速度-密封壓力為150沖次/min-80MPa工況下，油膜承載力最大,摩擦系數(shù)最??；而300沖次/min-40MPa工況下，油膜承載力最小，摩擦系數(shù)系數(shù)最大。其中，油膜承載力相差9.1%，摩擦系數(shù)相差3.9%。因此，5種工況對織構(gòu)化柱塞密封副的動壓潤滑性能無較大影響，將柱塞運動速度和工作壓力進行錯峰配合，可有效避免柱塞密封副產(chǎn)生過大的摩擦阻力。3柱塞運動速度對潤滑膜摩擦系數(shù)的影響1）本文在3000型5缸壓裂泵柱塞密封副的幾何模型及工況基礎(chǔ)上，基于流體潤滑理論的雷諾方程、油膜厚度方程、潤滑介質(zhì)溫-壓-黏方程，建立了正弦溝槽織構(gòu)化柱塞密封副潤滑理論模型。2）隨著柱塞密封壓力從40MPa增加到140MPa，潤滑油膜的無量綱承載力呈增長趨勢，且增長越來越大，摩擦系數(shù)也呈增加趨勢，但增長趨勢漸緩。兩者均隨著柱塞運動速度的增加而增大。3）隨著柱塞運動速度從0增加到3