扶正微沟槽织构化柱塞密封副动压润滑性能研究

扶正微沟槽织构化柱塞密封副动压润滑性能研究

压裂和酸化是提高气田采收率的成熟工艺。近年来，它在所有主要的气田中得到了成功的应用。压裂泵柱塞密封是一种典型的高压往复密封，在防止泄露、保证密封压力的情况下，密封界面往往会产生很大的接触应力，极易造成压裂泵柱塞密封副的提前失效。失效形式主要有：柱塞表面磨损、材料剥落，密封橡胶烧伤、老化、疲劳磨损等与传统的观念不同，光滑的机械设备表面并不意味着低摩擦力，相反，表面凹凸不平反而有助于降低摩擦磨损。仿生学研究发现，许多生物体表皮并不光滑，反而是具有一定形状、尺寸的微观结构，例如鲨鱼表面盾鳞能够大大降低鲨鱼在游动过程中的阻力综上所述，在柱塞表面加工织构的方法可以有效减少柱塞密封副的磨损失效，并且不同形状的表面织构具有不同的减磨效果。在一定条件下，正弦形织构具有良好的表面动压润滑性能，本文将对正弦沟槽织构在柱塞表面的动压润滑性能进行研究。1正交沟法的形成和滑动理论模型1.1正义沟槽形表面织构阵列3000型压裂泵柱塞-橡胶密封系统主要由柱塞、密封环、泵头体、压环、密封橡胶、垫圈等部分组成，如图1所示。其中，柱塞的直径为114.3mm，往复运动冲程为203mm，运动速度为0～5.5冲次/s。为进一步提高柱塞密封组件的摩擦学性能，借鉴摩擦学领域的表面织构技术，在柱塞与密封橡胶往复摩擦运动的两个极限位置范围内，设计了正弦沟槽形表面织构阵列，如图2a所示。其中，柱塞与密封橡胶的间隙（即油膜厚度）为1.2柱塞目标油膜润滑介质摩擦磨损的载荷-温度分析在压裂柱塞泵工作过程中，液力端的柱塞密封副处于高压密封状态，在强制润滑状态下，密封橡胶与柱塞被强行分开，进而形成一层高压润滑油膜，以防止橡胶被快速烧伤。在此条件下，柱塞-橡胶密封副可认为处于流体润滑状态。基于流体润滑理论，采用Reynolds方程描述润滑介质的流体动压效应，雷诺方程左端表示织构化柱塞表面油膜压力随位置坐标(x,y)的变化，右端则表示织构化表面产生油膜压力的各种效应，展开如式（1）所示：式中：x为柱塞的运动速度方向；y为垂直柱塞运动速度方向；uf072为润滑油密度；η为润滑油黏度；P为摩擦副表面润滑油压力；h为润滑油膜厚度；U、V为柱塞在x、y方向的运动速度；W产生流体动压的主要原因是出现动压效应和挤压效应，而在压裂泵工作过程中，当工作压力稳定后，柱塞密封副的油膜间隙基本不变，不存在油膜的挤压作用，因此只考虑动压效应的作用。柱塞往复运动过程中，速度沿轴向方向，V=0m/s，雷诺方程简化为：式中：x,y为柱塞表面的坐标系；h为润滑油膜厚度；p为织构化柱塞表面的油膜压力；U为两摩擦表面的相对运动速度；η为润滑介质黏度。对于柱塞橡胶密封圈采用的夹布丁腈橡胶，有研究表明式中：正弦微沟槽织构区域uf057表达式为：式中：A为正弦微沟槽织构幅值；T为沟槽周期；压裂泵柱塞-橡胶密封副的润滑介质采用L-CKD150润滑油，在40℃下，其动力黏度为0.13457Pa·s。柱塞密封副在往复运动过程中，密封压力和温度都有较大变化，而润滑油具有黏-温和黏-压特性，在流体动压润滑状态下，不同的温度和压力都对润滑介质的黏度有较大影响。流体动压力只在织构化柱塞区域产生，对润滑介质黏度基本无影响。文中取压裂泵柱塞稳定工作一段时间后的工作压力和温度，采用Roelands温-压-黏方程描述润滑介质黏度的变化，表述如下式中：η针对织构化表面润滑介质在油膜厚度发散区域产生的“空化现象”，采用Reynolds边界条件具有较好的准确性和求解速度。因此，流体压力值低于环境压力的空化区域压力等于油膜出口环境压力，对于非空化区域边界条件，油膜入口和出口压力梯度为零，压力等于环境压力为简化计算，减少量纲的影响，对方程（2）进行无量纲化，定义无量纲参数为：采用五点差分法离散方程，得到如下判据作为收敛条件：式中：uf065为压力迭代收敛判定极限值，考虑计算精度和速度，文中取0.00001。当满足计算精度要求时，则输出各个节点压力P利用Reynolds方程求解得到柱塞表面各节点无量纲压力值P后，利用无量纲参数求出其真实压力值p，再用真实压力值对柱塞表面区域进行积分，即可求得油膜承载力：对油膜承载力进行无量纲化：式中：p为表面织构产生的油膜压力，p柱塞表面的流体剪切力为：利用剪切应力对柱塞表面区域进行积分，即为摩擦力：柱塞表面摩擦力与油膜承载力的比值即为摩擦副表面的摩擦系数：1.3网格划分和计算除了迭代方法外，模型求解的速度和准确性还与网格节点的数量密切相关，网格节点数量过少会导致模型的计算结果精度较差，而网格节点数量过多则会耗费更多的计算时间。为保证模型的时效性和可靠性，取与文献图3所示为不同网格节点下摩擦副表面的摩擦力，可以看出，在网格节点数量从25×25增大至250×250的过程中，摩擦力计算结果明显减小；而从250×250增大至650×650的过程中，摩擦力计算结果基本保持稳定。因此，本文取单元区域（500μm×500μm）的网格数为250×250，即可获得较高的计算精度。圆柱形织构化表面油膜及其压力分布如图4所示。文献2柱塞表面温度选用压裂泵实际工况为：工作压力40～140MPa，柱塞运动速度为100～330冲次/min，柱塞往复运动速度为-3.51～+3.51m/s，压裂泵作业1h后，柱塞表面温度一般稳定在70℃左右。由于织构在柱塞表面的分布具有周期性，针对不同的工况，取局部500μm×500μm的单元区域进行数值模拟，就可进行有效的横向对比。经过初步选择合理的织构参数配合，设计正弦沟槽织构参数为：周期T=500/3μm，幅值A=100μm，宽度D=100μm，面积比S=20%，初始油膜厚度h2.1柱塞密封压力对动压润滑性能的影响实际工况下，柱塞密封压力近似等于压裂泵工作压力，本文的油膜密封压力和工作压力取值相同。图5为正弦沟槽织构化柱塞表面在密封压力为40MPa、柱塞运动速度为2.24m/s时所产生的无量纲油膜压力，可以看出，润滑油膜厚度收敛区域的正弦微沟槽尖角波峰处产生了峰值压力，说明油膜厚度收敛区域的会聚形状有利于产生更高的局部油膜压力。3种柱塞运动速度（100、200、330冲次/min）下，柱塞密封压力对织构化柱塞密封副动压润滑性能的影响见图6。从图6a可以看出，3种柱塞运动速度下，随着密封压力从40MPa增大至140MPa，织构化柱塞表面的油膜承载力也在不断增大，油膜承载力的增长率也在不断增大。这是由于润滑油膜受到来自密封压力的挤压，并且随着密封压力的升高，油膜分子之间的距离越来越小，油膜分子之间的排斥力会越来越大，阻碍油膜厚度的降低，宏观下体现为油膜承载力的持续增大。同时，随着柱塞运动速度的提高，油膜承载力增大。这是由于随着柱塞运动速度的增加，油膜分子的运动速度也会增加，且运动受到密封腔体的限制，导致油膜内部压力增大，同时体现为油膜承载力的增大。从图6b可以看出，随着密封压力的增大，润滑介质与柱塞表面间的摩擦系数也在不断增大，但增长速率不断减小，且柱塞运动速度越大，摩擦系数就越大。从润滑油温-压-黏关系进行分析，压力越高，润滑油的黏度越大，产生的流体动压也越大，但润滑介质对柱塞表面的剪切力也在不断提高。因此，随着密封压力的升高，柱塞密封副间的摩擦力增大。2.2柱塞运动速度对摩擦系数的影响图7为3种密封压力（40、80、140MPa）下，柱塞运动速度对织构化柱塞表面动压润滑性能的影响。从图7a可以看出，油膜承载力和柱塞速度成线性关系，并且随密封压力的提高，比例系数也不断增大。柱塞运动带动润滑油膜运动，随着运动速度的增加，润滑油膜在同样运动时间内的压缩量会更大，产生更大的油膜承载力，并且随着密封压力的增加，润滑油膜受到的压力增大，导致润滑油膜的承载力显著提高。从图7b可以看出，随柱塞运动速度的提高，摩擦系数不断增大，增长率不断减小，且柱塞密封压力越大，摩擦系数进入稳定阶段所对应的柱塞速度也越低。以140MPa工况为例，当柱塞运动速度超过0.8m/s(120冲次/min）时，摩擦系数就基本保持稳定。由于此时的油膜承载力和油膜剪切力同步增加，进而导致摩擦系数基本没有变化。2.3柱塞运动速度-密封压力下油膜承载力分析常用的压裂泵工况如表2所示。可以看出，柱塞运动速度和密封压力基本是错峰配合，针对此5种工况开展对应的织构化柱塞密封副动压润滑数值模拟，结果如图8所示。可以看出，在柱塞运动速度-密封压力为150冲次/min-80MPa工况下，油膜承载力最大,摩擦系数最小；而300冲次/min-40MPa工况下，油膜承载力最小，摩擦系数系数最大。其中，油膜承载力相差9.1%，摩擦系数相差3.9%。因此，5种工况对织构化柱塞密封副的动压润滑性能无较大影响，将柱塞运动速度和工作压力进行错峰配合，可有效避免柱塞密封副产生过大的摩擦阻力。3柱塞运动速度对润滑膜摩擦系数的影响1）本文在3000型5缸压裂泵柱塞密封副的几何模型及工况基础上，基于流体润滑理论的雷诺方程、油膜厚度方程、润滑介质温-压-黏方程，建立了正弦沟槽织构化柱塞密封副润滑理论模型。2）随着柱塞密封压力从40MPa增加到140MPa，润滑油膜的无量纲承载力呈增长趋势，且增长越来越大，摩擦系数也呈增加趋势，但增长趋势渐缓。两者均随着柱塞运动速度的增加而增大。3）随着柱塞运动速度从0增加到3