摘要：柱塞泵作为一种常用的高压液体输送机械结构，其中的盘根材料在高速往复运行过程中极易损坏，从而导致柱塞泵的使用寿命和工作效率大大降低。因此，针对不同盘根材料对柱塞密封性能的影响进行研究，利用试验工装对选定的7种盘根材料进行轴向位移试验，通过试验测试得到相应的接触应力随位移变化曲线以及试验装置的泄漏量，结合加卸载过程曲线特征的差异性对比分析，最后得出高水基、芳纶、芳纶四氟以及四氟乙烯相较其他几种盘根材料对柱塞密封性能更优秀，实际选用时也要考虑具体工作压力和泄漏等级的影响。

　　关键词：盘根；密封性能；接触应力；泄漏量

　　0引言

　　柱塞泵是一种常用的高压液体输送机械，广泛应用于石油、化工等领域，如图1所示，是一种关键的动力设备，是依靠柱塞在缸体内往复运动使其工作腔发生容积变化实现流体的吸入和排出的。因其具有高压特性，为满足工作压力需求，油田注水大多采用柱塞泵。由于柱塞往复运动频率高，目前密封件整体结构不合理，易造成径向载荷分布不均，盘根材料迅速磨损失效，导致柱塞泵频繁启停降低了柱塞泵的工作效率，制约油田开发效益。在日常油田生产过程中，盘根的更换十分频繁，不仅消耗量非常的大，而且会导致盘根盒压盖内螺纹出现磨损从而导致运行时振动较大并造成压盖松动出现倒扣现象，一组盘根只能坚持3 d左右[1-5]。同时，油田柱塞泵是在高压力、高腐蚀的工况条件下高速往复运行工作，对使用的盘根材料要求较严格[6-8]。

　　填料密封是依靠密封材料良好的压缩回弹性能，通过给压盖施加轴向载荷使填料产生径向膨胀，从而使填料环与轴、填料函表面接触并产生足够的径向压力来达到阻止流体泄漏的一种密封形式[9-11]。结构的密封性能很大程度上受到石墨填料环的力学特性影响，选择合适材料的填料，不仅能减少泄漏，还能延长材料寿命，降低设备维护费用。朱传智等[12]针对注水泵柱塞填料密封寿命短的问题，分析其失效原因，对柱塞填料密封结构及材料进行改进，能将盘根寿命提升1.5倍；周军等[13]分析了V形往复式柱塞泵密封结构的相关特点，并在此基础上对密封结构进行改造和优化；孔丽娟[14]利用ABAQUS软件对柱塞泵液力端密封系统进行有限元应力分析，并提出合理参数进行改进；庞洵[15]制定了一种更换方便、简单，且能自动复紧的新型密封结构，提高泵站的整体寿命；由于不同盘根材料的复杂特性，理论研究和有限元分析盘根材料压缩性能与接触应力的关系均基于一定假设及简化而带来一定误差，故试验研究材料的力学行为可以更准确分析出压缩回弹性能和接触应力之间的关系[16-18]。

　　因此，本文对柱塞泵的盘根材料的性能进行具体的试验研究，对于提高柱塞泵的使用寿命和生产效率具有一定的参考意义。

　　1试验盘根材料

　　1.1材料选定依据

　　（1）在机械密封的选用中，作为机械密封主要的工作性能指标式（1）是端面比压P1（Pa）或被密封介质压力P（Pa）与端面平均周速V（m/s）的乘积P1 V或PV。它也是设计、制造及使用机械密封时所应共同考虑的要素[19]。
      

　　由式（1）可知摩擦副产生的摩擦热与PV值成正比，而摩擦热的大小又直接影响摩擦副的温度分布。当密封摩擦温度分布的极大值Tmax大于摩擦副间液膜的点时T沸时，即Tmax≥T沸，摩擦副间的液膜便会蒸发、沸腾，同时产生振动和噪声，最后导致密封摩擦副的干摩擦，这是密封摩擦副所不允许的。因此，应根据摩擦运动副的PV值来选择密封盘根。

　　一般由介质的性质、工作温度、工作压力、运动速度以及材料的性能选择密封材料。其中尤其以介质的腐蚀性、压力、运动速度和使用温度最为重要。要了解各种密封材料的耐化学品性能，可根据密封介质的pH值选择合适的密封材料。油田柱塞式注水泵常用盘根的适用范围如表1所示。

　　1.2试验材料

　　根据介绍的盘根材料选定规则，针对油田工况要求及柱塞泵运行工况特点，本试验所选定的7种柱塞密封盘根材料为芳纶盘根、四氟盘根、碳素纤维盘根、石墨盘根、高水基盘根、芳纶四氟盘根和芳纶碳素盘根。其试验单件的尺寸规格为29 mm×49 mm×10 mm，实物如图2所示。

　　2盘根材料试验

　　2.1试验装置

　　盘根试验工装结构包括中心往复杆、压盖、盘根盒、底座及支撑架等，材料为45钢，其模型结构如图3所示。该柱塞盘根测试装置可模拟轴向载荷、压力等状况进行密封性能试验[20]。

　　压盖通过双头螺栓的螺纹与中心往复杆连接，主要实现对填料施加轴向挤压力的功能。上端夹头与压力机相连，压力机向上运动时，填料发生径向变形，抱紧中心往复杆并且紧贴盘根盒内壁。压盖中间加工有螺纹孔，方便拧入直通接头、连接采样器等，完成对泄漏气体的收集，上端面设计有容纳O形圈的沟槽，在试验前装入O形圈，形成密闭空间，避免了泄漏气体从压盖与盘根盒之间泄漏。

　　盘根盒主要用来放置盘根，在盘根与压盖之间放置黄铜垫片，可以使填料受力更加均匀，如图4所示。

　　底座上端通过螺纹与盘根盒连接，并设计有受内部压力的轴向O形圈密封沟槽Ⅰ来实现其与盘根盒的密封。底座下端加工O形圈沟槽Ⅱ,形式为气动活塞杆动密封沟槽，其结构及尺寸与压盖设计中的沟槽Ⅰ相同。底座下方加工螺纹孔，用于拧入直通接头，接入气泵，向密封装置内充入空气。底座底端钻有4个通孔，通过螺栓与支撑架连接。

　　中心往复杆往复运动需要一定的空间，因此在底座下安装有一个支撑架，满足中心杆的位移空间需求，底座与支撑架之间通过螺栓进行连接。支撑架下端设计有一个通过螺纹连接的接头，可根据不同的压力机底座更换不同的接头与之相匹配，接头上钻有光孔，与试验压力机之间通过销轴连接。

　　试验时压盖上端夹头与压力机相连接，通过设置压力机参数，来控制压盖位移大小，研究盘根的力学性能。试验采用压力机（型号Ricks-LDS），用于试验加压和卸载；采用动态应变测试仪INV3062A1，其测试应变范围为+19 999με,适用应变计电阻值50~10 000Ω,应变测试电路采用1/4桥接法。盘根外应变片布片方式如图5所示，沿着盘根盒轴向布置12个测试点，间隔90°依次粘贴应变片，之后将应变片通过信号线连接到动态信号采集仪上。

　　试验工装密封装置中有两个密封空间，下密封空间接气泵，对盘根施加介质压力，将气泵与气压表连接，再利用转接头与底座接口连接；上密封空间外接采样器，采样瓶排空后与气压表连接，再利用转接头连接到压盖接口处，在施加轴向位移后，装置停滞300 s，以实现对泄漏气体量的数据采集。

　　接触应力通过在盘根盒外壁粘贴应变片测出盘根盒的周向应变后，由厚壁筒理论计算出。试验全程由数据采集仪记录压力波动变化情况。整体试验流程如图6所示。

　　2.2试验内容

　　在室温下，用压力机（Ricks-LDS）分别对7种不同盘根材料进行加卸载轴向位移。以一种盘根材料试验步骤为例，其余材料试验流程相同。

　　为测得盘根材料的轴向位移传递特性，试验装置逐级施加轴线位移，得到试验机轴向位移与盘根轴向应变的关系。试验装置的上密封空间外接采样器，可实现对装置内泄漏气体的收集，从而获得装置内泄漏量的数据。

　　首先，将5个相同材料的盘根依次装入盘根盒中，并将盘根盒固定在压力机台架上，同时在试验工装周向间隔粘贴应变片。通过调压阀使密封装置内气体压力稳定在0.6 MPa，同时记录温度数据。

　　接着，压力机开始工作，试验工装目标轴向位移为5 mm，加载速度为3.5 mm/min，用气泵对装置加压0.6 MPa，停滞300 s。随后以相同条件反向位移5 mm进行卸载，记录温度数据。最后，随着加载位移的施加和卸载，盘根材料先被压缩之后回弹，通过分析软件生成相应盘根材料的压缩回弹曲线，得到试验工装轴向位移与传递到盘根接触应力的关系，同时获得试验装置整个轴向位移过程中的泄漏量数据。

　　2.3试验数据应力分析

　　设计试验工装时，盘根盒外径为0.061 m，盘根盒内径为0.048 m。因为盘根盒外径与内径之比大于1.2，属于厚壁桶。因此采集的应变数值与盘根和中心往复杆之间的接触应力数值之间存在如下关系：
      

　　式中：σr为接触应力，Pa；εθ为周向应变με;R 1为盘根盒内半径，m；R2为盘根盒外半径，m；E为材料的弹性模量，Pa。

　　试验工装具体参数为：R 1=0.024 m，R2=0.030 5 m，E=209 GPa，将数据代入式（2）中，可得到相应的接触应力值。

　　因此可将应变与时间的测试曲线转化为应力与位移的测试曲线，试验数据如图7所示。

　　分析不同盘根材料应力与位移的性能曲线可发现：在加载过程中，其接触应力随着位移量的增加而增大，其中芳纶、芳纶四氟、高水基盘根的应力值是7种材料中较大的，分别为15.34、13.63和12.61 kPa，这说明在对盘根盒施加预紧力时，这3种盘根材料质地相对较硬；碳素盘根、芳纶四氟盘根材料在相同接触应力的情况下位移量更小，说明其刚度更大，同时碳素盘根、芳纶四氟、高水基、石墨在加载的前期阶段（0~2 mm）接触应力迅速增加；在稳压阶段，盘根材料的接触应力水平总体趋势均是缓慢增大的，其中高水基、芳纶、芳纶碳素的接触应力在此过程中波动较为明显，加载过程应力滞后特性明显；在卸载过程中，接触应力随着位移量的减小而缓慢降低，其中四氟乙烯、芳纶、芳纶四氟盘根材料的下降速度缓慢，说明其受压后的回弹速度较缓慢，说明其韧性较好，在柱塞往复状态下更有利于接触应力的保持；盘根的加载形变曲线和卸载形变曲线不完全重合，且围成不同的区域面积，材料差异性明显。

　　综上所述，材料的接触应力的加卸载曲线差异明显，反映出盘根材料的弹塑性和密封性能的差异化。高水基、芳纶混编材料在压缩回弹过程中，接触应力水平较高利于高压密封；由卸载过程可以看出碳素盘根、石墨材料的应力补偿能力较好，可对柱塞往复运动过程产生的磨损和振动进行一定量的补偿。因此可考虑初选高水基、芳纶混编材料以及石墨作为柱塞密封的盘根材料。

　　2.4试验泄漏量结果分析

　　气体状态方程为：
      

　　式中：p为气体压强，Pa；V为采样器容积，cm3；R为通用气体常数，R=8.31 J/（mol·K）；T为温度，K。

　　采样器内气体物质的量为：
      

　　结合式（3）~（4）和试验过程中的相关参数可以推导出泄漏量的计算公式：
       

　　式中：p 1为开始前采样器内压；T1为环境温度；p2为结束后采样器内压；T2为环境温度；V为采样器内气体体积；t为试验测量间隔时间。

　　代入试验过程中记录的温度与压力数据，可以得到不同盘根材料密封装置的泄漏量数据，如表2所示。

　　由不同盘根材料装置泄漏量数据对比可知：高水基、芳纶和聚四氟乙烯相对于其他材料的泄漏量较小，分别为1.713、1.746、1.763 cm3/s。

　　3结束语

　　综上所述，对比分析不同柱塞盘根材料工装的具体试验数据可得出以下结论：

　　（1）通过试验测试得到了7种盘根材料加卸载过程中接触应力随位移的变化规律，接触应力整体随压缩量的升降相应增减，但差异较大；

　　（2）高水基、芳纶混编盘根材料在压缩回弹过程中接触应力水平较高，利于高压密封；

　　（3）由卸载过程可以看出碳素盘根、石墨材料的应力补偿能力较好，可补偿压力波动和少量磨损；

　　（4）相同条件下高水基、芳纶以及四氟乙烯盘根材料的泄漏量较小，可综合考虑实际中的密封压力和泄漏等级要求进行针对性选材。

　　参考文献：

　　[1]陆俊峰,陈平君,马艺铭,等.柱塞泵盘根失效原因研究及对策[J].化工管理,2016(2):91.

　　[2]金国庆,刘江松,王兆华,等.柱塞泵盘根盒压盖松动原因及解决方法[J].石化技术,2020,27(3):288.

　　[3]付明刚.抽油机盘根盒漏油问题分析[J].化学工程与装备,2022(7):161-163.

　　[4]何文浩,林国恩,武果,等.基于BP神经网络拟合特性曲线的取水泵站优化调度模型[J].自动化与信息工程,2024,45(5):20-31.

　　[5]吴朝军,朱维兵,张林,等.柱塞泵用磁流体密封设计及优化[J].磁性材料及器件,2023,54(3):57-66.

　　WU C J,ZHU W B,ZHANG L.Design and optimization of mag⁃netic fluid seals for piston pumps[J].Journal of Magnetic Materi⁃als and Devices,2023,54(3):57-66.

　　[6]殷图源,魏大盛,索双富.往复密封摩擦力测试技术探讨[J].润滑与密封,2021,46(9):143-153.

　　YIN T Y,WEI D S,SUO S F.Discussion on the friction force test of reciprocating seals[J].Lubrication Engineering,2021,46(9):143-153.

　　[7]彭川桃,张健,周忠云,等.石墨填料摩擦磨损与密封性能试验研究[J].润滑与密封,2023,48(12):194-200.

　　PENG C T,ZHANG J,ZHOU Z Y,et al.Experimental study on frictional wear and sealing performance of graphite packing[J].Lubrication Engineering,2023,48(12):194-200.

　　[8]金熙来,章兰珠,倪焱.柔性石墨填料结构改进及密封性能研究[J].润滑与密封,2023,48(3):164-170.

　　JIN X L,ZHANG L Z,NI Y.Structure improvement and sealing performance study of flexible graphite packing[J].Lubrication Engineering,2023,48(3):164-170.

　　[9]励行根,王成林,沈明学,等.柔性石墨/编织盘根组合填料密封性能试验研究[J].润滑与密封,2014,39(12):119-124.

　　LI X G,WANG C L,SHEN M X,et al.Study on sealing perfor⁃mance of combined packing of flexible graphite ring and braided packing ring[J].Lubrication Engineering,2014,39(12):119-124.

　　[10]DIANY M,BOUZID A.Analytical evaluation of stresses and dis⁃placements of stuffing-box packing based on a flexibility analy⁃sis[J].Tribology International,2009,42(6):980-986.

　　[11]李永康,王军,廉自生.混合润滑条件下的斯特封高速摩擦与密封特性[J].中国机械工程,2021,32(5):533-539.

　　LI Y K,WANG J,LIAN Z S.High-speed friction and sealing characteristics of step seal under mixed lubrication conditions[J].China Mechanical Engineering,2021,32(5):533-539.

　　[12]朱传智,朱浩波,生文博,等.注水泵柱塞填料密封方式的改进和效果分析[J].机械工程师,2022(5):53-54.

　　ZHU C Z,ZHU H B,SHENG W B,et al.Improvement and ef⁃fect analysis of plunger packing sealing method for water injec⁃tion pump[J].Mechanical Engineer,2022(5):53-54.

　　[13]周军,闫明明,朱浩波.往复式柱塞泵密封结构的探究[J].中国设备工程,2023(9):132-134.

　　[14]孔丽娟.基于ABAQUS的柱塞泵盘根压环结构优化研究[J].石油和化工设备,2016,19(4):17-19.

　　[15]庞洵.往复式柱塞泵密封结构研究[J].中国设备工程,2020(6):94-95.

　　[16]夏元白,张平,孙广领,等.井下封隔器封隔时套管应力的测试与计算[J].石油矿场机械,1997,26(5):12-16.

　　[17]叶卫东,李博文,李大奇.基于ANSYS的软柱塞抽油泵密封性能研究[J].机械设计与制造工程,2022,51(11):19-22.

　　YE W D,LI B W,LI D Q.Numerical simulation and research on the performance of soft plunger pump based on ANSYS[J].Machine Design and Manufacturing Engineering,2022,51(11):19-22.

　　[18]汪丰伟.气举柱塞密封特性及实验研究[D].大庆:东北石油大学,2024.

　　[19]胡国桢.化工密封技术[M].北京:化学工业出版社,1990.

　　[20]周朝森.往复密封件实验研究方法概述[J].润滑与密封,2018,43(12):111-114.

　　ZHOU Z S.Overview of experimental methods for reciprocating seals[J].Lubrication Engineering,2018,43(12):111-114.