影响螺杆泵密封性能的直接因素分析 王瑞己

影响螺杆泵密封性能的直接因素分析王瑞己
摘要：最近几年，随着我国社会不断发展和进步，工业各个领域的设备性能都
得到了显著的发展和进步，一些新型设备逐渐应用到工业生产的各个领域中。

螺
杆泵目前在采油中使用的频率较多，被人们广泛关注，螺杆泵的性能好坏直接影
响采油效率，但是密封性能是螺杆泵中经常发生的问题。

关键词：螺杆泵；密封性能；原因
进入新世纪以来，我国油田开发领域中一些新设备和新技术逐渐应用和发展，螺杆泵作为一种全新的设备，引起占地面积小，噪声污染低，节能效果显著等优
点逐渐在世界各个油田开发中被广泛应用。

一、螺杆泵概念及工作原理
螺杆泵主要由两个部分构成，一是泵内的螺杆齿形，二是泵套形成的若干密
封腔。

这两个部位的反复吸合，实现介质的传递。

从其工作原理上来看，主要可
以分成封闭型螺杆泵和非严格密封型螺杆泵两种。

如果泵内两个相邻的密封腔之
间没有可泄露的空间，就被称为严格密封型。

螺杆泵在运行的过程中，不仅流量
较为平衡，而且效率高，寿命长。

在进行介质输送的过程中，不会形成漩涡，输
送范围较广。

对于黏度和物质的属性没有较高的要求。

二、影响螺杆泵密封性的直接因素分析
1.过盈量对螺杆泵密封性产生的直接影响
螺杆泵的过盈量是指设备内部金属转子和橡胶内衬之间过盈量配合的尺寸大小，这个尺寸大小的运行原理直接决定了设备内部定子和转子之间过盈量存在的
关系。

保证螺杆泵处于一个良好的过盈量才能保证设备的密封室内单级承载能力
以及定子和转子之间的尺寸配合完好，这个工作流程对螺杆泵密封性所产生的影
响最大。

在螺杆泵级数没有发生改变的前提下，设备内过盈量变化的大小直接影
响到设备内部密封腔内定子和转子承载压力的大小，从而对螺杆泵内部的升举能
力产生严重影响，如果能够加大定设备内部的过盈量，就会大大增加中密封腔内
定子和转子之间的密封性能，最终能够显著提升螺杆泵的升举能力。

本次研究主
要借鉴了最大接触压力的方法，对过盈量对螺杆泵密封性产生的影响进行详细的
分析和评价，进而能够分析出过盈量对螺杆泵对升举能力所产生的影响。

2.设备材料的硬度对螺杆泵性能产生的直接影响
材料硬度反映出设备的形变能力。

材料的弹性模量是材料产生弹性形变的最
重要的指标之一，这个数值越大越不容易产生弹性形变，弹性模量是材料的一种
本质属性，与材料的性状和大小没有关系。

从微观角度分析，弹性模型是指材料
内部原子之间拉力大小的物理量，与材料的大小、成分以及重量没有任何关系。

而材料的硬度主要是基于材料塑形条件下测量出来的一个物理量，与材料的内部
组成无多大关系。

我们在研究设备材料对螺杆泵密封性产生影响时，虽然上述两
种因素之间不存在独立关系，但是通过实际研究结果显示，材料的弹性模型是随
着材料硬度的增加而变大。

对于材料硬度的研究，主要研究分析橡胶材料的性能。

对橡胶材料做如下简化：E=15.75+2.15H A/100-HA，其中E为弹性模量，HA为邵
氏硬度。

本次研究选取过盈量为0.2毫米，泊松比为0.499，上下腔压力为不0，
然后逐渐升高。

首先，橡胶衬套的最大接触压力是随着密封腔内部压力的增加和
持续降低，两者之间的变化趋势保持了基本一致的趋势；其次，对于螺杆泵内定
子橡胶衬套的材料硬度来说，如果其硬度越大，定子和转子之前的最大接触压力
呈现上升的趋势，这也就表明密封腔内的密封效果越高。

如果其硬度较小，定子
和转子之间的最大接触压力呈现下降趋势，密封腔内的密封性能就会越差；最后，定子内橡胶硬度如果较大，其产生形变的能力就越小，相同密封腔内的压力形变
量就会越小，这时密封腔内最大接触压力的变形减少量就会越小，其内部的密封
性能也就越高，因此，设备橡胶材料在选择过程中，应该选择橡胶硬度较大的定
子橡胶衬套，这样能够显著保证密封性。

图3 泊松比对常规螺杆泵与等壁厚螺杆泵密封性能的影响
3.材料的泊松比对螺杆泵密封性能所产生的直接影响
在物理学上对橡胶材料进行力学研究和分析过程中，都将橡胶材料作为不可压缩的材料，但是从实际研究角度出发，橡胶材料可以看做是近似不可压缩材料，其能够产生细微的压塑性，对橡胶材料内部的结构产生的力学效果是不容忽视的。

本次研究过程中，将螺杆泵橡胶
衬套的变形量按照弹性形变进行处理，其中过盈量为0.3mm，弹性模量为4Mpa，分别给予
不同的压差和泊松比以及最大接触压力，图4是没有压力两个腔内压力相同，图3增加了等
壁厚螺杆泵过盈量为0.2mm，其他条件相同分析橡胶材料的泊松比对螺杆泵密封性所产生的
影响。

首先，根据图1分析可知在一定范围内，随着定子和转子密封腔内压力差逐渐增加，
定子和转子之间的临界接触压力显著提升，如果密封腔内压力显著增加，定子和转子之间的
临界接触压力显著减小；最大接触压力和泊松比呈现正相关关系，前者数值越大，定子橡胶
衬套的接触压力就会显著增加，密封腔内的密封效果也就会越显著。

一般情况下，在其他参
数条件不变的前提下，泊松比值产生变化并不会影响螺杆泵的最大接触压力，只会改变内部
的斜率；再次，根据图1和图2可知，泊松比数值越小，定子橡胶衬套的最大接触压力会随
着压力差增加而上升的越来越缓慢，这说明橡胶材料是不能被看做是近似不形变材料，其容
易被压缩；最后，根据图3可知，在相同条件下，接触压力越小，密封腔的密封效果越差，
这说明厚壁螺杆泵密封性能要高于常规的螺杆泵势设备。

三、提高螺杆泵密封性能的有效对策
1.适当增加过盈量
螺杆泵过盈量主要是指金属转子与定子橡胶衬套之间过盈配合的尺寸。

在具体工作中，
定子与转子之间要存在一定的过盈，以确保封闭腔室之间的密封性。

正因如此，定子与转子
之间的过盈值，会在很大程度上影响设备性能。

一般在级数不发生变化前提下，过盈量大小
直接决定腔室承压能力，影响举升能力。

数据表明，最大接触压力与腔室内压力之间变化趋
势呈现负相关，室内压力越大，最大接触压力将会随之减小。

同一腔室内压力，将会随着过
盈量的增加而增加。

综上所述，当其他参数不变时，选择过盈量较大的螺杆泵能够提高其整
体密封性能及举升压力，从而扩大其使用范围。

同时，在生产过程中，还可以积极引入电动
螺杆泵，在进行高难度机械生产制造等工作时，能够避免流体流入螺杆泵降低其运行效率。

2.选择硬度较高的材料
硬度作为材料变形能力的主要影响因素，弹性值越大，其对应的材料变形越容易。

一般
情况下，弹性模量与硬度在理论上不存在独立关系，但是，从实验数据中能够看出弹性模量
会随着硬度的增加而增加，应将此考虑到其对螺杆泵密封性能产生的影响。

如橡胶衬套接触
压力与内压力呈反比，前者越大，后者越小，但二者变化趋势具有一致性特点。

另外，橡胶
衬套硬度越大，最大接触压力曲线位置也将逐渐向上，相对应的密封性能也会有所改善。

因此，应选择硬度较大的橡胶制造螺杆泵定子，以此提高其密封性能。

参考文献
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