螺杆泵定子

一、等壁厚定子

常规螺杆泵定子是由丁腈橡胶浇铸在钢体泵筒内形成的，衬套内表面是厚薄不均的双螺旋曲面，工作时橡胶最厚的部分，热量容易聚集，使橡胶衬套发生物理、化学变化，导致定子过早失效；另外，橡胶衬套各处的溶胀[2]也不相同，由此改变了定子、转子良好啮合作用，降低了泵的工作效率。

等壁厚定子螺杆泵以金属取代常规定子薄厚不均的橡胶基体，或采用成型工艺使定子外观呈螺旋扭曲状，仅在内腔周围的金属表面保留一层薄的橡胶。可以解决现有的螺杆泵定子同一截面内膨胀量不同导致泵效低、启动力矩大及抽油杆易断脱的问题。

1、与常规定子螺杆泵相比，等壁厚定子螺杆泵有以下优势[3]：

(1).良好的散热特性，延长了螺杆泵的工作寿命

等壁厚定子螺杆泵热生成较少，并具有更加优良的散热能力，同时采用等壁厚空心转子匹配，减小了转子对定子橡胶的侧向挤压力，从而使定子的损坏明显减少，延长了泵的工作寿命，降低了作业费用。

(2).均匀的橡胶膨胀，提高了泵的工作稳定性

由于橡胶层厚度均匀，可实现较高的加大精度，泵工作时，在油和热效应的作用下，橡胶膨胀也均匀，更便于配泵。

(3).单级承压高,提高了系统效率

螺杆泵是靠定子和转子的过盈来保证泵效和排量的，过盈大，则摩擦阻力大，传动功率损失就大。而均匀壁厚的橡胶层在动态过程中抵抗变形的能力好，单级承压高，这就使定转子间可以最小的过盈达到最佳的配合，从而改善泵的工作性能。

(4).具有良好的技术经济指标

等壁厚定子螺杆泵除上述工艺可行，还具有较高的经济效益，与常规螺杆泵相比较，现场事故少，机械损失小，可提高泵效，降低采油成本，具有良好的技术经济指标。

2、等壁厚定子的加工

目前被考虑的方法主要有：第一是采取整体精密铸造，即定子管的外壁为等直径，内壁按螺杆泵转子模芯型线铸造；第二是采取分体精密铸造，即把定子管按轴线分两瓣铸造，铸造后再用金属胶粘牢，并用多个接箍紧固；第三是直接压制而成，即把钢管直接压制成转子模芯的形状，但这三种方案加大难度都比较大，生产成本高，可行性不是很好。姜云晗等[3]提出采用二次浇铸方式加工等壁厚螺杆泵，即首先用钢体制成螺杆泵泵筒，然后在泵筒内壁用大直径模芯浇铸成硬度较大的成型层，最后在成型层内用直径较小的转子模芯浇铸厚度相等的橡胶补套，形成等壁厚定子。姜云晗等所做的二次浇铸等壁厚螺杆泵室内和现场实验表明其效果较好。

3、应用前景

等壁厚定子螺杆泵能够明显改善和提高螺杆泵的工作性能，除应用于地面驱动的常规方法外，还可应用于潜油螺杆泵采油技术[3,4]。目前，国际上许多采油机械制造厂家都在竟相研究等壁厚定子螺杆泵采油技术，而现在国内生产厂家还没有，因而市场潜力很大。如果对等壁厚定子螺杆泵进行积极开发，可为油田提供一种高效的机采设备。

二、金属定子

传统单螺杆泵以丁腈橡胶为衬套的定子，在工作中由于受井下油气水等多种组分的侵蚀、转子的冲击和磨损、定子在井下温度的热老化作用等，导致定子损坏，其工作寿命为一年半左右。若以金属材料制造单螺杆泵的定子，并对转子加以改造，即在转子表面挂一层橡胶、尼龙或其他材质，则能很好地提高泵的性能。

1、金属定子的优越性表现在[5]：

(1).承压能力强

(2).相同排量的螺杆泵，金属定子的螺杆泵泵体要比橡胶定子的螺杆泵泵体小

(3).与橡胶相比，金属定子散热快，不存在疲劳温升和老化问题，所以定子寿命长

(4).转子橡胶层较薄，受力均匀，机械效率高

(5).转子油胀、温胀和气侵问题不明显，更适应恶劣环境

(6).定、转子可重复利用，降低了成本

2、应用前景

金属定子单螺杆泵除应用于地面驱动的常规方法外，还可应用于潜油螺杆泵采油技术[5]。与橡胶定子螺杆泵相比优势较多，适用范围广，使用寿命长，效益高，收益好，前景广阔。

三、定子橡胶性能的改进

采油螺杆泵定子所使用的传统橡胶材料为丁腈橡胶(NBR)。因采油螺杆泵的工作条件十分苛刻，如高温、高压、工作时间长、磨蚀性介质、受周期性挤压力等，使传统的定子橡胶已临近其性能极限，发展新胶种已成为一种迫切的需求。目前配方主要有：

1、羧基丁腈橡胶(XNBR)：它是丁二烯、丙烯腈和有机酸单体的三元共聚物，其特点是：耐热油；耐磨；水溶胀小；压缩永久变形小；弹性高；抗撕裂强度高；易挤出，有利于注压成型；动态性能较好[6]。

2、丁腈橡胶与聚氯乙烯(PVC)，或羧基丁腈橡胶与聚氯乙烯的共混胶为橡塑混炼胶，与丁腈橡胶相比，有更好的挤出性能和耐油、耐化学药品、耐溶剂性、耐水性和耐磨性，而且尺寸稳定性较好，对定、转子配合更易控制[7]。王霞、朱臣昌等[8]将不同PVC含量的橡胶试样进行耐稠油性能测试并进行拉伸试验，认为PVC树脂的加入不仅提高丁腈橡胶的硬度、耐磨性能，而且改善了丁腈橡胶的塑性和共混胶的挤出性能，从而克服了螺杆泵定子衬套的加工难度。

3、氢化高饱和丁腈橡胶是通过对丁腈橡胶链段上的丁二烯单元进行选择氢化，将不饱和双键加氢反应生成饱和碳—碳单键。氢化高饱和丁腈橡胶具有良好的耐热和耐老化性能、耐腐蚀性能和耐低温性能，还具有能在高温下仍保持与常温相当的物理机械性能的品质。

4、在橡胶中加入填料可以改善橡胶的耐磨性、抗老化等各种性能。当填料的结构单元小到纳米级时，材料的性质发生了重大变化，不仅明显改善了原有材料的性能，而且会有新的性能或效应产生。纳米材料与高分子材料大分子之间的接枝作用，不仅可显著提高高分子材料的综合性能，还可提高其热稳定性、光稳定性、化学稳定性和使用性能，进而延长制品的使用寿命[9,10]。

(1).纳米碳酸钙广泛应用于橡胶的粉体添加剂，通常起到增量填充剂的作用[11,12]。纳米碳酸钙对橡胶有显著的补强与硫化促进作用，添加纳米碳酸钙的硫化胶伸长率、撕裂性能和压缩变形等性能较添加普通碳酸钙的橡胶有明显提高[13,14]。从无机填料优化的角度看，纳米碳酸钙既具有因粒子微细和链状结构而生成的物理缠结作用，又具有由于表面活性而引起的化学结合作用，作为聚合物填充料时表现出良好的补强效果[15]。

另外，经硬脂酸改性的纳米碳酸钙相比未改性的纳米碳酸钙，对胶料的力学性能及耐老化性、耐油性有所提高。宋智彬、宗成中、刘冬[16]研究了改性纳米碳酸钙对胶料性能的影响，结果表明，纳米碳酸钙经改性后性能得以提升，并且与炭黑并用时可以改善胶料的耐油性。

(2).纳米氧化锌填料：纳米氧化锌是一种白色或微带黄色的细微粉末，易分散在橡胶和乳胶中。氧化锌作为一种传统的橡胶填充剂，在橡胶中主要用作活性剂，其次用作补强剂和着色剂[17]。纳米氧化锌具有很高的活性，与橡胶大分子之间可以实现分子水平上的结合，可提高硫化胶的300%定伸应力、耐磨性及耐热老化性能，减小压缩永久变形，降低压缩疲劳温升，适用于受力形式为定负荷变形的橡胶制品[18]。

(3).ZnOw晶须：本身有良好的传热性能和导热性能，加之其特有的四针状所形成的网络结构，较好地分散摩擦磨损所产生的热量；晶须的四根针状体连接于同一中心，能较好地协同发挥作用，有利于消除应力集中；由于特有的单晶体结构，晶须弹性模量大，抗形变能力强，提高了橡胶的耐磨性。氧化锌晶须改性橡胶材料耐磨性能的好坏，与晶须是否经过恰当的表面处理密切相关[19]。

(4).纳米炭黑和纳米白炭黑：

炭黑作为重要的工业原料，因对高分子的增强、赋予特殊功能、改善加工性和增量效应等而被广泛应用于橡胶等诸多行业[20]。但炭黑很难稳定分散在各种极性和非极性溶剂以及聚合物基体中[21]，限制了其应用。为了提高炭黑在高分子基体及溶剂中的分散稳定性，炭黑的表面改性备受关注[22]。常用的改性方法有聚合物表面接枝。

填充纳米白炭黑的硫化胶具有优良的抗疲劳性能，但是纳米白炭黑的加工性能和补强性能均不如炭黑，因此单独填充时硫化胶的某些物理性能(如耐磨性)尚不够优异[23]。纳米白炭黑、炭黑两者并用对提高补强效果具有协同作用[24,25]，可消除重复疲劳过程中产生的应力集中，硫化胶的拉伸强度、扯断伸长率显著提高。

(5).纳米ZnO、ZnO晶须、炭黑并用补强NBR：陈玉祥等[26]对此三者在NBR中的并用方法和补强效果进行了实验研究，并确定炭黑/纳米氧化锌/氧化锌晶须三者的最佳用量配比为l：0.4：0.3(质量比)。以该最佳用量配比加工的硫化胶力学性能、耐溶性能均较补强剂单用时性能有很大提升，表明三者之间存在协同补强效应。

(6).硅酸盐矿物：

针状硅酸盐(FS)是一种层链状过渡结构的以含水富镁硅酸盐为主的粘土矿，典型的有凹凸棒土(AT)。经偶联剂原位改性的FS在HNBR中分散良好，复合材料具有短纤维补强橡胶的应力—应变特性和明显的各向异性；FS的加入可显著提高复合材料的100％定伸应力、拉伸强度和压缩模量[27]。

层状硅酸盐填充的胶料由于聚集体的各向异性及应变诱导取向而使补强效果获得提高[28]。

活性硅酸钙由硅灰石粉经过表面特殊处理而成，具有针状短纤维结构，经过表面活化改性处理后，产生活性官能团。因此，它对橡胶有良好的亲合性和高度的分散性，从而可提高制品的力学强度，显著地提高复合物性能和使用价值[29]。

另外，硅气凝胶可作为高性能橡胶的补强剂。硅酸钙和云母粉产生的物理吸附作用较强，因此表现出较好的补强性能。硅酸盐胶凝材料作为某些胶料的补强填充剂，对降低生产成本将有着非常积极的作用[30]。

单螺杆泵结构紧凑，体积小，维修简便。对介质的适应性强，流量平稳，压力脉动小，自吸能力高[31]。其突出优点越来越多地吸引着中外企业家的关注[32]。定子一般用丁腈橡胶制成，易磨损、腐蚀，容易失效。针对这种情况，可以改进定子的形状，采用等壁厚定子；改变定子材料，采用金属定子；还可以改进定子橡胶的性能，提高抗磨损、抗腐蚀等性能。前两种方法在较大程度上延长了定子使用寿命，可以克服定子橡胶溶胀、散热及受力不均对定子性能的影响，但定子加工比较困难，成本高。改进橡胶材质的方法比较简单实用，可以在一定程度上提高定子的耐油、耐磨等性能，但不能较大改变橡胶热胀、溶胀等对定子性能的影响，不能从实质上对定子进行改良。可以预测，若能研制出一种螺杆泵，它加工比较简单，又能彻底克服橡胶厚薄不均所带来的问题，那将是一项重大突破。

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