用聚合材料和陶瓷制造的螺杆泵及其制造方法 技术领域：本发明涉及一种举升流体的螺杆泵，尤其涉及一种用聚合材料和陶瓷等非弹性体制造的用于油井开采的螺杆泵，本发明还涉及该螺杆泵的制造方法。
背景技术：目前工业上用的螺杆泵主要由带橡胶衬套的螺旋定子及钢螺旋转子组成，由于转子的螺旋头数总是比定子衬套的螺旋头数少一个，这就在定转子间形成许多个密闭腔室，当转子在定子内旋转时这些腔室便会沿着定、转子形成的密封线轴向上逐步渐进，从而实现流体的输送。螺杆泵作为一种水力机械用于石油开采已有近30年历史，由于其对粘稠流体的适应性好，近几年来螺杆泵采油井数逐年增多。螺杆泵作为采油机械用于油井开采一般可构成二种采油方式。一是杆式驱动螺杆泵，其原理是位于井口采油树上的驱动装置，通过抽油杆将旋转扭矩传给井下螺杆泵，然后螺杆泵旋转将井液从井下举升至井口，杆式驱动螺杆泵的应用对象是井深在1000米以内的直井。第二种是电动潜油螺杆泵，其原理是通过从井口延伸至井下的动力电缆将电能输送给井下潜油电机，井下电机驱动井下螺杆泵运转，从而将井液举升至井口，电动潜油螺杆泵主要用于斜井、水平井、深井及海洋平台上的油井开采。由于现有螺杆泵定子衬套由橡胶制成，使其用在油井上有以下缺点和不足：一是橡胶衬套耐磨耗性能差，特别是用于含砂油井，衬套磨损严重，衬套磨损失效后，就要进行施工作业换泵，并且施工作业期间油井还需停产，因此，每次换泵都要付出少则几万多则十几万的代价。耐磨性能差的问题同时制约了它的运转速度，一般只能在300RPM以下运行，否则将无法保障其使用寿命，转速上不去，不仅使泵本身制造成本增加，而且在井下为其设置减速机构也十分困难，这严重限制了其应用范围。第二个不足是由于受定子衬套橡胶耐温性能的限制(不大于100℃)，现有螺杆泵无法用于深井及高温油井，更无法适应注蒸汽的热采油井。第三个不足是衬套橡胶在油井碳氢化合物侵蚀下易老化失效，其使用寿命不超过500天。第四个不足是该泵的启动和运行扭矩大，这是因为橡胶衬套的表面磨擦系数大，热稳定性差造成的，初始扭矩大，启动困难的问题严重限制了将其用于制作电动潜油螺杆泵，因此失去了一大块市场份额。第五个不足是现有螺杆泵的单级压头低，这是由于橡胶衬套的横截面上的非等厚性造成的，橡胶的厚度不同其压缩变形量也不同，因此在泵级两端压差的作用下就会产生泄漏，单级压头低的问题限制了制造高扬程螺杆泵，否则只能以大幅度牺牲效率为代价。第六个不足是橡胶衬套的尺寸稳定性差，它在不同的井下温度下，尺寸可差出半毫米之多，这就造成了同一台泵在不同环境下其水力特性(压头、排量)不经模拟检测就不可知，这给制造者和用户带来了很大额外工作量。第七个不足是该泵在井下只能一次性使用，由于采油工艺上的需要，有时要求螺杆泵在井下运转一段时间后起出至地面，而现有的螺杆泵一旦起出到地面，在井下侵入橡胶衬套内的碳氢化合物便会快速释放出来，使橡胶表面发生肿胀而无法再次下井使用，这给用户带来很大浪费和不便。现有的螺杆泵还有一个不足是，其橡胶衬套必须由大型铸胶机和硫化装置来制造，由于铸胶压力、温度的变化，制出的橡胶衬套尺寸上无法一致，既无互换性，这是用户所不欢迎的。
发明内容：本发明的目的在于：提供一种用聚合材料和/或陶瓷制造的螺杆泵以克服上述现有技术的所有不足，其既具备良好的耐磨性，又能保障在条件恶劣的高温井中长期运转。它还具备扭矩小、单级压头高、尺寸稳定性好、可多次重复使用及可互换的性能，并能可靠地在高速下运转。本发明的另一目的是提供一种聚合材料和/或陶瓷制造的螺杆泵，使其不仅可用于油井开采而且可用于地面上的其它工业领域。本发明的目的还要提供制造该螺杆泵的方法。
为实现上述的发明目的，聚合材料和/或陶瓷制造的螺杆泵包括：挠性传动轴、转子、定子，定子包括定子衬套及定子壳体。本发明对制造定子衬套的材料进行了改进，既改变了现有技术中始终将橡胶等弹性体作定子衬套，将金属作为转子外表面的做法，本发明中螺杆泵的定子衬套全部是非弹性的，转子的外表面既可是非弹性的，也可是弹性的。制作定子衬套的材料是聚合材料、陶瓷或金属；制作转子表面的材料是聚合材料、金属或弹性体。这里所述的聚合材料是指高性能特种工程塑料，此类工程塑料具有优异的综合性能，除机械性能好外，它还具有热变形温度高，长期使用温度可达200℃以上；优秀的耐化学和水解性能；极好地尺寸稳定性；优越的耐磨耗及自润滑性。适合油井条件的高性能工程塑料应首选聚芳醚酮(PAEK)类材料，此类材料包括：现已工业生产的聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、聚醚酮醚酮酮(PEKEKK)、聚醚酮酮(PEKK)，及新近研发的聚醚醚酮酮(PEEKK)、聚醚联苯醚酮(PEDEK)、聚醚联苯醚酮酮和杂萘联苯聚醚酮(PPEK)等；聚苯硫醚(PPS)也特别适合作为制造螺杆泵的材料用于油井中，它除具备前述的优越性能外还有极好的性能价格比；聚醚砜类也是制做井下螺杆泵的好材料，此类材料包括：聚醚砜(PES)、杂萘联苯聚醚砜(PPES)，杂萘联苯聚醚砜酮(PPESK)、聚醚砜酮酮及含杂环聚醚砜醚酮酮。适合做井下螺杆泵材料的高性能工程塑料还有聚苯酯(PHB)等。上述聚合材料用纤维增强后形成的复合材料显示出更高的强度、耐热性和耐磨耗性，用于增强改性的纤维可以是：碳纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维、金属纤维、硼纤维和合成纤维等。以上述聚合材料为基体适当添加石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等可进一步改善其摩擦和磨损性能；上述聚合材料与其它材料的共混改性和化学改性同系物(也称合金)的综合性能也会得到很大改善。因此用上述聚合材料制作螺杆泵定子衬套和转子表面将会显著地改善螺杆泵的适应范围和工作性能。
除上述聚合材料外，陶瓷(如氮化硅瓷、碳化硅瓷)也是制作螺杆泵定子衬套的极佳材料，它们除了具耐高温、高强度、耐磨及耐腐蚀的优良性能外，还具有热稳定性好，线账系数小，摩擦系数小，能自润滑、硬度高的优点，用它们制作定子衬套，可在井下使用多年而无需检修，特别适合高含砂油井。将用上述聚合材料、陶瓷、金属或弹性材料分别制得的定子衬套及转子表面进行配套，可以组合出数种各不相同的螺杆泵，既当定子衬套是聚合材料时，转子表面可以是金属，也可以是聚合材料还可以是弹性材料制成；当定子衬套的材料是陶瓷时，转子表面可以是聚合材料也可以是弹性材料制成；当定子衬套的材料是金属时，转子表面是聚合材料制成。上述的弹性材料是指丁腈橡胶、丁基橡胶和聚氨酯。本发明的螺杆泵，当转子表面采用非弹性材料制造时，定子衬套与转子表面的配合采用零配合或间隙配合，其配合间隙为0-0.3mm，配合间隙之大小要根据泵输流体的粘度及泵的转速而定。当转子表面采用弹性材料制造时，定子衬套与转子表面的配合为过盈配合，过盈大于0.1mm。
为了能够用上述聚合材料和陶瓷制造出本发明的螺杆泵，其制造方法包括下述几个方面：聚合材料为衬套的定子制造方法、陶瓷为衬套的定子制造方法、聚合材料转子表面的制造方法及弹性材料转子表面的制造方法。
聚合材料为衬套的定子制造方法包括下述几个步骤，先准备模具，以定子模芯做内模，园管做外模，然后根据所选聚合材料的成型工艺条件，如干燥温度和时间，熔融温度，模具温度等进行注射或挤出成型，制得该种聚合材料的定子衬套短节，也可将该种聚合材料挤出成棒料或管材，然后通过机械加工将其制成衬套短节。再将制成的各个衬套短节外表涂粘结剂，并互相对准内型线安装在定子壳体内，最后用压紧管将各个衬套短节锁死在定子壳体内。
陶瓷为衬套的定子制造方法，包括下述几个步骤：先利用模具将原材料(如制备Si
3N
4，使用Si粉)粉末以注射或其它适当方式成型后，在一定气氛中(如氮气)加热发生原位反应，合成所要的材料(如Si
3N
4)，并同时发生烧结制得定子衬套短节，然后将定子壳体作为收缩管，并对其加热(200-300℃)，同时将烧结好的各个衬套短节互相对准内型线安装在加热后的定子壳体内，并用压紧管压紧，待定子壳体冷却收缩后，各衬套短节会牢固地固定在定子壳体内。
聚合材料转子表面的制造方法可采用等离子的喷涂成型工艺，包括下述几个步骤，首先将铣好的转子表面进行喷砂脱脂预处理，然后将聚合材料粉末送入等离子喷枪中，以高速喷射到转子表面上，形成涂层。涂层无需再经过烧结，喷涂厚度不受限制，喷涂后的转子表面再经抛光处理。转子表面也可采用分散体涂覆成型工艺，成型时先将转子表面预处理，然后涂布一层有机氟底漆，经干燥烧结后，便可选择合适的聚合材料进行分散体涂覆成型。涂层干燥条件为90-100℃，30min，最后根据所选聚合材料的熔融温度烧结。
弹性材料转子表面制造方法包括下述几个步骤，将铣好的金属转子表面脱脂处理后，均匀涂上粘结剂，并将转子加热到80-100℃，然后将熔融的弹性材料，按其工艺条件加固化剂并搅拌均匀，再均匀地涂覆在加热后的转子表面上，最后按该弹性材料规定的硫化温度和时间进行硫化。
采用上述聚合材料和陶瓷制造的螺杆泵，由于材料本身具有高耐温等级的优异性能，可以在200℃以上高温油井中长期使用，同时由于材料本身具有的耐化学腐蚀性、自润滑性和耐磨耗性，使得螺杆泵的使用寿命数倍增加，并且泵的扭矩小，效率高，可在1500RPM的高转速下长期运行。
附图说明：
图1是本发明的螺杆泵结构剖视图
图2是沿图1中线A-A横截面剖视图
图3是本发明的螺杆泵另外结构的截面剖视图
图4是利用定子衬套短节实施本发明的结构示意图
具体实施方式：下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细的描述。
图1是本发明的螺杆泵典型结构示意图，它包括定子壳体4、带内螺旋面的定子衬套7及与之相配合的螺旋转子6、转子6上连接有挠性传动轴5、挠性传动轴5的作用是将同心转动变为转子的偏心转动，当挠性传动轴5带动转子6在定子衬套7内旋转时，流体就会沿泵入口1逐级进入腔室2，然后加压后的流体进入输出管线3，排出地面。上述螺杆泵用聚合材料、陶瓷或金属做定子衬套；用聚合材料、金属或弹性材料做转子表面，再将不同材料制得的定子和转子进行配套，可以组合出多种实施方式。
实施方式一：见图2，本实施方式采取定子衬套7为聚合材料制成，转子6的表面8是硬铬或铬基陶瓷。
实施方式二：见图3，本实施方式采取定子衬套7为聚合材料制成，转子6的表面8也是聚合材料制成。
实施方式三：见图3，本实施方式采取定子衬套7为聚合材料制成，转子6的表面8是弹性材料制成。
实施方式四：见图3，本实施方式采取定子衬套7为陶瓷制成，转子6的表面8是聚合材料制成。
实施方式五：见图3，本实施方式采取定子衬套7为陶瓷制成，转子6的表面8是弹性材料制成。
实施方式六：见图3，本实施方式采取定子衬套7为金属材料通过机械加工或模铸制成，转子6的表面8是聚合材料制成。
现结合图4讨论定子衬套7的材料分别为聚合材料和陶瓷时螺杆泵定子的制造方法。当情况为前者时，先将注射或机械加工成型的聚合材料衬套短节7′的外表面11涂覆上粘结剂，并将各个衬套短节7′互相对准内型线。安装在定子壳体4内，再用压紧管9将各个衬套短节7′锁死在限位环10与压紧管9之间。衬套短接7′的外径比定子壳体4的内径小0.02-0.1mm。
当定子衬套7的材料为陶瓷时，先将定子壳体4整体加热到200-300℃，再将反应烧结制得各个陶瓷衬套短节7′互相对准内型线安装在加热后的定子壳体4内，并用压紧管9和限位环10进行端部限位，定子壳体4冷却收缩后各衬套短节7′便会牢固地固定在定子壳体4内，从而形成完整的定子。在常温状态下衬套短节7′的外径比定子壳体4的内径大0.02-0.1mm。
关于聚合材料转子表面和弹性材料转子表面的制造方法在发明内容中已做了具体叙述，故不在此重复。
当然，用聚合材料制造螺杆泵还可采用其它方法，如将定子壳体取消，将定子衬套注射或挤出成整体做为定子使用；也可保留定子壳体，整体成型和粘结同步进行。同样，也可以采取热喷涂工艺制做聚合材料的转子表面。这样的变换均落在本发明的保护范围之内。