压裂泵是一种三缸单作用卧式柱塞泵，是油田进行压裂、酸化作业，提高油气产量的重要设备，压裂泵柱塞密封性能的好坏与使用寿命的长短，直接影响到压裂泵的工作性能及质量。在多年的施工作业中，压裂泵动力端密封泄漏成为了制约生产的一个重要的问题。

在实际作业中，目前常规的压裂泵密封性能不能完全满足使用要求，特别是工况较差的情况下，动力端密封泄漏会直接影响其动力传输，影响液力端的正常工作，同时也增加了生产成本及人工的消耗。 

近年来，有关专家对压裂泵液力端的密封性能进行了多方面的研究，但是对动力端的密封性能研究还很少。由中成机械制造公司制造的ZC-3ZB105-1100型压裂泵，在使用初期其动力端柱塞密封的密封效果良好，但是经过一段时间运行后就会出现泄漏，这成为应用中的一大困扰。为此，中成机械和巨鹿德美瑞展开合作，共同研究解决该问题。

密封泄漏原因分析

压裂泵动力端是由主轴、连杆、十字头、小连杆、轴承、齿轮、壳体及泵壳盖等组成，其动力端有独立的润滑系统。压裂泵动力端柱塞密封泄漏会造成严重后果，首先润滑油的泄漏会造成环境污染，其次油箱内由于泄漏造成润滑油不足会引起爆缸，造成设备损坏。针对ZC-3ZB105-1100型压裂泵动力端柱塞密封出现的问题，经过反复分析和实验，我们认为致使压裂泵动力端柱塞密封失效主要有以下几个原因。

柱塞往复运动的速度  柱塞是压裂泵的主要易损件之一。压裂泵动力端主要是由曲轴的旋转运动转换成柱塞的往复运动，给液力端提供动力，如图1、2所示。

当柱塞往复运动速度在每分钟100冲～350冲之间，当其往复运动速度达到每分钟350冲的时候，柱塞表面与油封密封唇间会产生大量的摩擦热，使橡胶材质的密封唇加速老化而过早的失去弹性，从而减小了对柱塞的径向抱紧力而产生泄漏。旋转运动转化为往复运动的时候，曲轴要与柱塞头保持同一水平面上，当运动速度加快的时候，容易偏离水平面使密封圈产生偏磨而失效。

油封的材料  决定密封圈的适用范围的关键条件和使用寿命的重要因素就是对密封圈材质的选择。朱维兵等对密封圈失效的原因进行了分析，指出由于过热引起的烧伤是密封圈失效的主要原因。原密封件采用的是丁腈橡胶（NBR）作为其唇口材料，这种橡胶的长期工作温度为-10℃～120℃，最高使用温度为170℃。NBR材质的密封件适用于中低速条件下，在柱塞部分做高速运动的时候会产生高温，这使得橡胶急剧老化而失效。

油封的结构 原密封件为Garlock公司生产的53R2样式油封，其结构是两个密封唇板簧结构，即在金属凹槽中安装一个K字型的橡胶部件，用板片弹簧代替螺旋弹簧是为了避免在剧烈振动的环境下螺旋弹簧的脱出。

但是这种结构的油封用在ZC-3ZB105-1100型压裂泵上会出现泄漏问题，实际应用证明这种结构设计不够完善。笔者经过反复的分析研究，在柱塞进行往复运动时，左边的密封唇将轴上的润滑油刮掉，使油流回油箱，但会有刮不干净的情况，右边的密封唇在这种情况下会起到刮掉剩下的油的作用，由于两道密封唇中间的空间是密闭的，而且中间的空腔空间也较小，当油在这个密闭空间中越积越多达到其空间容量的极限时就会向两边溢出，出现泄漏问题。

压裂泵动力端柱塞密封的改进

通过上面的分析，我们知道了泄漏的主要原因是：一、运动速度很高的情况下，旋转运动转化为往复运动的时候，曲轴和柱塞头轴心线不重合，使密封圈产生偏磨而失效；二、密封圈的橡胶材质不能满足实际应用的温度条件；三、密封圈的结构设计上不太合理。针对其泄漏原因，我们对压裂泵动力端柱塞密封从以下两个方面进行了改进。

材料选用  由于丁腈橡胶（NBR）的性能不能满足实际工况，因此我们选用性能更好的氟橡胶来作为唇口材料，氟橡胶可以在-10℃～280℃之间长时间工作，其最高使用温度可以达到315℃，而且氟橡胶的耐磨性、耐油性、耐水性、耐氧化性，耐酸碱性、气密性等都非常突出。选用氟橡胶，其性能比丁腈橡胶有了大幅度的提高，也能够满足在柱塞进行到极限冲刺速度时产生的瞬时高温。

结构设计  从上面的分析可以知道，原有密封件的结构不能满足实际工作的需要，因此我们经过反复研究，对原有密封件在结构上做了改进。原密封件采用单个的外骨架双唇密封圈，改进后采用装配盒式密封系统，为了防止高速运动下弹簧脱出和密封圈偏磨我们依然采用板片弹簧。如图３所示，A点左边是油面，放一个单唇的油封；B点右边是空气面，对应的也放一个相同的油封，两个油封中间放置一个回油环，在这个回油环上均匀的打上小孔。这样设计的优点在于，将油封的高度提高增加两唇间的空间，在拉杆运动的时候，一方面会在一定程度上起到降温的作用；另一方面，当拉杆从A点到B点做运动的时候左边油封的密封唇将把拉杆上的油刮回油箱中，拉杆继续从B点向右运动，在A点留下的油会被B点的密封唇刮完，而这些油将会暂时储存在两唇之间的空腔内，当油在这个空腔内积到一定的程度后，油就会通过小孔R沿着虚线箭头所指的方向从C点回流到油箱中，这样就解决了箱内润滑油泄漏的问题。

在实验过程中出现了另一个问题，当柱塞往复运动达到极限速度每分钟350冲的时候，右边空气面的油封容易撺出，我们在空气面的油封外放置一个挡板，有效的解决了这个问题。

压裂泵动力端柱塞密封经过改进设计后，在长庆、华北、大港等油气田的现场使用，证明效果很理想，动力端的润滑油不再向外泄漏，使用寿命从原来的2个月左右，提高到了一年以上。