一、等壁厚定子

常規螺桿泵定子是由丁腈橡膠澆鑄在鋼體泵筒內形成的，襯套內表面是厚薄不均的雙螺旋曲面，工作時橡膠最厚的部分，熱量容易聚集，使橡膠襯套發生物理、化學變化，導致定子過早失效；另外，橡膠襯套各處的溶脹[2]也不相同，由此改變了定子、轉子良好嚙合作用，降低了泵的工作效率。

等壁厚定子螺桿泵以金屬取代常規定子薄厚不均的橡膠基體，或采用成型工藝使定子外觀呈螺旋扭曲狀，僅在內腔周圍的金屬表面保留一層薄的橡膠。可以解決現有的螺桿泵定子同一截面內膨脹量不同導致泵效低、啟動力矩大及抽油桿易斷脫的問題。

1、與常規定子螺桿泵相比，等壁厚定子螺桿泵有以下優勢[3]：

(1).良好的散熱特性，延長了螺桿泵的工作壽命

等壁厚定子螺桿泵熱生成較少，并具有更加優良的散熱能力，同時采用等壁厚空心轉子匹配，減小了轉子對定子橡膠的側向擠壓力，從而使定子的損壞明顯減少，延長了泵的工作壽命，降低了作業費用。

(2).均勻的橡膠膨脹，提高了泵的工作穩定性

由于橡膠層厚度均勻，可實現較高的加大精度，泵工作時，在油和熱效應的作用下，橡膠膨脹也均勻，更便于配泵。

(3).單級承壓高,提高了系統效率

螺桿泵是靠定子和轉子的過盈來保證泵效和排量的，過盈大，則摩擦阻力大，傳動功率損失就大。而均勻壁厚的橡膠層在動態過程中抵抗變形的能力好，單級承壓高，這就使定轉子間可以最小的過盈達到最佳的配合，從而改善泵的工作性能。

(4).具有良好的技術經濟指標

等壁厚定子螺桿泵除上述工藝可行，還具有較高的經濟效益，與常規螺桿泵相比較，現場事故少，機械損失小，可提高泵效，降低采油成本，具有良好的技術經濟指標。

2、等壁厚定子的加工

目前被考慮的方法主要有：第一是采取整體精密鑄造，即定子管的外壁為等直徑，內壁按螺桿泵轉子模芯型線鑄造；第二是采取分體精密鑄造，即把定子管按軸線分兩瓣鑄造，鑄造后再用金屬膠粘牢，并用多個接箍緊固；第三是直接壓制而成，即把鋼管直接壓制成轉子模芯的形狀，但這三種方案加大難度都比較大，生產成本高，可行性不是很好。姜云晗等[3]提出采用二次澆鑄方式加工等壁厚螺桿泵，即首先用鋼體制成螺桿泵泵筒，然后在泵筒內壁用大直徑模芯澆鑄成硬度較大的成型層，最后在成型層內用直徑較小的轉子模芯澆鑄厚度相等的橡膠補套，形成等壁厚定子。姜云晗等所做的二次澆鑄等壁厚螺桿泵室內和現場實驗表明其效果較好。

3、應用前景

等壁厚定子螺桿泵能夠明顯改善和提高螺桿泵的工作性能，除應用于地面驅動的常規方法外，還可應用于潛油螺桿泵采油技術[3,4]。目前，國際上許多采油機械制造廠家都在竟相研究等壁厚定子螺桿泵采油技術，而現在國內生產廠家還沒有，因而市場潛力很大。如果對等壁厚定子螺桿泵進行積極開發，可為油田提供一種高效的機采設備。

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二、金屬定子

傳統單螺桿泵以丁腈橡膠為襯套的定子，在工作中由于受井下油氣水等多種組分的侵蝕、轉子的沖擊和磨損、定子在井下溫度的熱老化作用等，導致定子損壞，其工作壽命為一年半左右。若以金屬材料制造單螺桿泵的定子，并對轉子加以改造，即在轉子表面掛一層橡膠、尼龍或其他材質，則能很好地提高泵的性能。

1、金屬定子的優越性表現在[5]：

(1).承壓能力強

(2).相同排量的螺桿泵，金屬定子的螺桿泵泵體要比橡膠定子的螺桿泵泵體小

(3).與橡膠相比，金屬定子散熱快，不存在疲勞溫升和老化問題，所以定子壽命長

(4).轉子橡膠層較薄，受力均勻，機械效率高

(5).轉子油脹、溫脹和氣侵問題不明顯，更適應惡劣環境

(6).定、轉子可重復利用，降低了成本

2、應用前景

金屬定子單螺桿泵除應用于地面驅動的常規方法外，還可應用于潛油螺桿泵采油技術[5]。與橡膠定子螺桿泵相比優勢較多，適用范圍廣，使用壽命長，效益高，收益好，前景廣闊。

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三、定子橡膠性能的改進

采油螺桿泵定子所使用的傳統橡膠材料為丁腈橡膠(NBR)。因采油螺桿泵的工作條件十分苛刻，如高溫、高壓、工作時間長、磨蝕性介質、受周期性擠壓力等，使傳統的定子橡膠已臨近其性能極限，發展新膠種已成為一種迫切的需求。目前配方主要有：

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1、羧基丁腈橡膠(XNBR)：它是丁二烯、丙烯腈和有機酸單體的三元共聚物，其特點是：耐熱油；耐磨；水溶脹小；壓縮永久變形小；彈性高；抗撕裂強度高；易擠出，有利于注壓成型；動態性能較好[6]。

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2、丁腈橡膠與聚氯乙烯(PVC)，或羧基丁腈橡膠與聚氯乙烯的共混膠為橡塑混煉膠，與丁腈橡膠相比，有更好的擠出性能和耐油、耐化學藥品、耐溶劑性、耐水性和耐磨性，而且尺寸穩定性較好，對定、轉子配合更易控制[7]。王霞、朱臣昌等[8]將不同PVC含量的橡膠試樣進行耐稠油性能測試并進行拉伸試驗，認為PVC樹脂的加入不僅提高丁腈橡膠的硬度、耐磨性能，而且改善了丁腈橡膠的塑性和共混膠的擠出性能，從而克服了螺桿泵定子襯套的加工難度。

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3、氫化高飽和丁腈橡膠是通過對丁腈橡膠鏈段上的丁二烯單元進行選擇氫化，將不飽和雙鍵加氫反應生成飽和碳—碳單鍵。氫化高飽和丁腈橡膠具有良好的耐熱和耐老化性能、耐腐蝕性能和耐低溫性能，還具有能在高溫下仍保持與常溫相當的物理機械性能的品質。

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4、在橡膠中加入填料可以改善橡膠的耐磨性、抗老化等各種性能。當填料的結構單元小到納米級時，材料的性質發生了重大變化，不僅明顯改善了原有材料的性能，而且會有新的性能或效應產生。納米材料與高分子材料大分子之間的接枝作用，不僅可顯著提高高分子材料的綜合性能，還可提高其熱穩定性、光穩定性、化學穩定性和使用性能，進而延長制品的使用壽命[9,10]。

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(1).納米碳酸鈣廣泛應用于橡膠的粉體添加劑，通常起到增量填充劑的作用[11,12]。納米碳酸鈣對橡膠有顯著的補強與硫化促進作用，添加納米碳酸鈣的硫化膠伸長率、撕裂性能和壓縮變形等性能較添加普通碳酸鈣的橡膠有明顯提高[13,14]。從無機填料優化的角度看，納米碳酸鈣既具有因粒子微細和鏈狀結構而生成的物理纏結作用，又具有由于表面活性而引起的化學結合作用，作為聚合物填充料時表現出良好的補強效果[15]。

另外，經硬脂酸改性的納米碳酸鈣相比未改性的納米碳酸鈣，對膠料的力學性能及耐老化性、耐油性有所提高。宋智彬、宗成中、劉冬[16]研究了改性納米碳酸鈣對膠料性能的影響，結果表明，納米碳酸鈣經改性后性能得以提升，并且與炭黑并用時可以改善膠料的耐油性。

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(2).納米氧化鋅填料：納米氧化鋅是一種白色或微帶黃色的細微粉末，易分散在橡膠和乳膠中。氧化鋅作為一種傳統的橡膠填充劑，在橡膠中主要用作活性劑，其次用作補強劑和著色劑[17]。納米氧化鋅具有很高的活性，與橡膠大分子之間可以實現分子水平上的結合，可提高硫化膠的300%定伸應力、耐磨性及耐熱老化性能，減小壓縮永久變形，降低壓縮疲勞溫升，適用于受力形式為定負荷變形的橡膠制品[18]。

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(3).ZnOw晶須：本身有良好的傳熱性能和導熱性能，加之其特有的四針狀所形成的網絡結構，較好地分散摩擦磨損所產生的熱量；晶須的四根針狀體連接于同一中心，能較好地協同發揮作用，有利于消除應力集中；由于特有的單晶體結構，晶須彈性模量大，抗形變能力強，提高了橡膠的耐磨性。氧化鋅晶須改性橡膠材料耐磨性能的好壞，與晶須是否經過恰當的表面處理密切相關[19]。

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(4).納米炭黑和納米白炭黑：

炭黑作為重要的工業原料，因對高分子的增強、賦予特殊功能、改善加工性和增量效應等而被廣泛應用于橡膠等諸多行業[20]。但炭黑很難穩定分散在各種極性和非極性溶劑以及聚合物基體中[21]，限制了其應用。為了提高炭黑在高分子基體及溶劑中的分散穩定性，炭黑的表面改性備受關注[22]。常用的改性方法有聚合物表面接枝。

填充納米白炭黑的硫化膠具有優良的抗疲勞性能，但是納米白炭黑的加工性能和補強性能均不如炭黑，因此單獨填充時硫化膠的某些物理性能(如耐磨性)尚不夠優異[23]。納米白炭黑、炭黑兩者并用對提高補強效果具有協同作用[24,25]，可消除重復疲勞過程中產生的應力集中，硫化膠的拉伸強度、扯斷伸長率顯著提高。

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(5).納米ZnO、ZnO晶須、炭黑并用補強NBR：陳玉祥等[26]對此三者在NBR中的并用方法和補強效果進行了實驗研究，并確定炭黑/納米氧化鋅/氧化鋅晶須三者的最佳用量配比為l：0.4：0.3(質量比)。以該最佳用量配比加工的硫化膠力學性能、耐溶性能均較補強劑單用時性能有很大提升，表明三者之間存在協同補強效應。

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(6).硅酸鹽礦物：

針狀硅酸鹽(FS)是一種層鏈狀過渡結構的以含水富鎂硅酸鹽為主的粘土礦，典型的有凹凸棒土(AT)。經偶聯劑原位改性的FS在HNBR中分散良好，復合材料具有短纖維補強橡膠的應力—應變特性和明顯的各向異性；FS的加入可顯著提高復合材料的100％定伸應力、拉伸強度和壓縮模量[27]。

層狀硅酸鹽填充的膠料由于聚集體的各向異性及應變誘導取向而使補強效果獲得提高[28]。

活性硅酸鈣由硅灰石粉經過表面特殊處理而成，具有針狀短纖維結構，經過表面活化改性處理后，產生活性官能團。因此，它對橡膠有良好的親合性和高度的分散性，從而可提高制品的力學強度，顯著地提高復合物性能和使用價值[29]。

另外，硅氣凝膠可作為高性能橡膠的補強劑。硅酸鈣和云母粉產生的物理吸附作用較強，因此表現出較好的補強性能。硅酸鹽膠凝材料作為某些膠料的補強填充劑，對降低生產成本將有著非常積極的作用[30]。

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單螺桿泵結構緊湊，體積小，維修簡便。對介質的適應性強，流量平穩，壓力脈動小，自吸能力高[31]。其突出優點越來越多地吸引著中外企業家的關注[32]。定子一般用丁腈橡膠制成，易磨損、腐蝕，容易失效。針對這種情況，可以改進定子的形狀，采用等壁厚定子；改變定子材料，采用金屬定子；還可以改進定子橡膠的性能，提高抗磨損、抗腐蝕等性能。前兩種方法在較大程度上延長了定子使用壽命，可以克服定子橡膠溶脹、散熱及受力不均對定子性能的影響，但定子加工比較困難，成本高。改進橡膠材質的方法比較簡單實用，可以在一定程度上提高定子的耐油、耐磨等性能，但不能較大改變橡膠熱脹、溶脹等對定子性能的影響，不能從實質上對定子進行改良。可以預測，若能研制出一種螺桿泵，它加工比較簡單，又能徹底克服橡膠厚薄不均所帶來的問題，那將是一項重大突破。

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