高壓油田注水泵分析研究與優(yōu)化設計

摘 要：注水是油田增產(chǎn)普遍采用的措施之一。高壓注水泵作為注水工程主要設備，在作業(yè)過程中所處工況較其它常見機械設備更惡劣，文章通過對東河油田注水泵進行結構分析，提出優(yōu)化設計，為油田解決類似問題提供一些值得借鑒的經(jīng)驗。

關鍵詞：往復泵；注水泵；振動劇烈；優(yōu)化設計

中圖分類號：TH38 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）35-0011-02

油田注水是保持油層壓力、降低原油遞減率的主要措施，注水泵機組是油田注水的關鍵設備。動一聯(lián)承擔著動河1油區(qū)和壓哈1油區(qū)的污水處理和回注任務，水處理能力3 000 m3/d，目前現(xiàn)有柱塞式注水泵10臺（具體參數(shù)見表1）。近年來，由于一直不能在額定排量和壓力條件下正常平穩(wěn)運行，使得注水系統(tǒng)壓力達不到原設計條件，造成部分井口因為壓力不足出現(xiàn)欠注問題，影響注水生產(chǎn)，同時，泵體的老化和磨損的加劇，泵的可靠性和性能也呈下降趨勢，其維護成本及工作量也在逐年增加。

動一聯(lián)高壓注水泵使用過程中的問題表現(xiàn)有性能參數(shù)達不到額定值、易損件壽命低、振動劇烈、輔助配件刺漏及開裂。

1 高壓注水泵問題原因分析

1.1 注水泵性能參數(shù)達不到額定值

動一聯(lián)注水系統(tǒng)主力注水泵TD-8060設計出口壓力40 MPa，流量38.75 m3/h，目前實際運行出口壓力30 MPa，實際流量30 m3/h，由于不能在額定排量和壓力條件下正常平穩(wěn)運行，導致注水井欠注明顯，同時注水泵填料泄漏量大，流量波動大且小于額定值（根據(jù)2012年4月9日數(shù)據(jù)詳細欠注參數(shù)見表2）。

實際上往復泵所排出液體的體積要比理論上計算的體積要小，往復泵在單位時間內(nèi)所排出液體的量稱為實際流量，用Q表示。

Q=αQth

式中a為流量系數(shù)。流量系數(shù)a的變化范圍很大，實際流量和理論流量差別的原因包括以下幾個方面：

①由于排出閥和吸入閥開閉的遲緩所引起的。當柱塞在吸入行程終了時，吸入閥處于開啟狀態(tài)，排出閥處于關閉狀態(tài)，而當柱塞開始作排出行程時，液缸體內(nèi)的壓力增加，但這時吸入閥并末及時關閉，有部分液體從液缸回到吸入管中。同樣，在排出行程終了和吸入行程開始時，排出閥沒有及時關閉，有部分液體從排出管路經(jīng)排出閥漏回液缸體中。

②排出閥（吸入閥）、柱塞和拉桿和填料箱的不嚴密引起的泄漏。隨著所輸送壓力增加，在各相對運動的間隙處和不嚴密處的泄漏增加，從而引起實際流量的減少。

③在吸入管路中壓力降低時，從吸入液體中分離出溶解在液體中的氣體，以及少量空氣通過吸入管路、填料箱等不嚴密處進入液缸體內(nèi)，形成空氣囊在吸入行程中膨脹，在排出行程時被壓縮，因而減少了流量。

④當往復泵的工作壓力較高時，就不能忽略液體的壓縮性。當工作壓力過高，液缸內(nèi)進入氣體或在吸入過程中從液體中析出的氣體，這些氣體在排出過程中被壓縮，在吸入過程中膨脹，從而減小了吸入液體的體積，使流量系數(shù)減小，減少了流量

1.2 注水泵易損件壽命低

動一聯(lián)注水泵易損件主要包括柱塞、填料和閥組等。壽命低主要表現(xiàn)為對高礦化度的污水適應性差，易損件腐蝕嚴重，降低了密封效果，使注水泵的泄漏增加，使用壽命周期較短，在東一聯(lián)實際應用中易損件的使用壽命在1 000 h以下。由于動一聯(lián)所注污水具有礦化度高、Cl-高、PH值低（詳細數(shù)據(jù)見表3）的特點，對材質(zhì)腐蝕影響比較大。因此，泵的性能參數(shù)不能持續(xù)滿足額定性能，除了受泵本身加工裝配精度和結構上的原因影響外，污水水質(zhì)是易損件壽命低的主要原因。原因大致歸結為以下三個方面：

①溶解氧在高礦化度的水中，溶解氧在腐蝕過程中起著陰極去極化作用，激化污水對鋼鐵的腐蝕。

②可能存在的硫酸鹽還原菌和硫化氫污水中含有大量的硫酸鹽還原菌，其對鋼鐵的局部腐蝕產(chǎn)生較大的影響。

③高濃度氯離子的存在會造成過流部件的腐蝕，氯離子的腐蝕主要表現(xiàn)為點蝕、電化學腐蝕和應力腐蝕，在介質(zhì)溫度超過60℃的工況下，腐蝕更為明顯。尤其是對于Cr鋼（包括奧氏體不銹鋼），一般不具備耐氯離子腐蝕的能力。

1.3 注水泵振動劇烈

對于多缸柱塞泵，振動的問題難以避免，其振動必須控制在一定的范圍內(nèi)，否則，由于排出管路和管徑較小、管路較長、系統(tǒng)中沒有足夠大的背壓時，可能因慣性水頭過大而沖開泵閥造成實際流量大于理論流量的所謂“過流量現(xiàn)象”，對人員健康、設備安全、環(huán)境質(zhì)量都會產(chǎn)生不利影響。東一聯(lián)注水泵出口壓力高達30 MPa，劇烈振動往往容易導致注水泵輔助配件損壞、管線焊縫刺漏。根據(jù)最新振動測驗結果顯示，注水泵最高振幅數(shù)值達

64.696 um。

往復泵由于結構及工作特點必然產(chǎn)生流量和壓力的脈動，而壓力脈動是無法避免的振動源，在振動源影響下造成的注水泵振動問題，總結起來主要有以下幾點原因：

①泵基厚度達不到減振要求，導致泵體與泵基的振動都超標。

②注水泵泵出口減振空氣室（氮氣包）減振效果差，但因泵出口彎頭斜度太大，高壓流體沖擊產(chǎn)生振動；泵進出口管線支撐件結構設計不合理，只限制了管線的下振幅，對管線上振幅和軸向振動約束不夠，并且支撐件強度不夠，導致泵進出口管線隨支撐件振動而做受迫振動。

③由于往復泵的流量不均勻，尤其是當排出壓力的變化頻率與排出管路的自振頻率相等或成整數(shù)倍時，將會引起共振。往復泵的流量、壓力波動會使原動機的負載不均勻，縮短往復泵的管路的使用壽命，同樣因流量和壓力的波動會使吸入條件變壞。

2 注水泵優(yōu)化方案及措施

①缸體設計。缸體除了承受高的內(nèi)壓外，還要承受工作壓力交變引起的結構上應力集中區(qū)的應力交變，由疲勞而產(chǎn)生裂紋，最終導致缸體開裂。因此，缸體在選擇合適材質(zhì)及滿足強度的前提下，可以對結構進行改進，減少缸體內(nèi)部結構及開孔在形狀上的突變，采用圓滑的過渡結構，減少應力集中的存在風險。

②進出口閥設計。在實際運行中，進出口閥，尤其是出口閥是柱塞泵上更換最頻繁的易損件之一。出口排液閥的損壞，主要是閥體開啟時，高壓液體流過上閥體與閥座形成的流道時，上閥體的錐形密封面使高壓液體改變流動方向，對液體形成一定阻力。由于結構的限制，上閥體錐形密封面形成的阻力，導致高壓液體對錐形密封面進行沖刷，造成密封面材料的磨損和脫落，沿水流方向形成許多有規(guī)則的溝槽，導致密封面失效。另外加上污水的腐蝕性影響，加劇了出口閥的損壞。針對引起損壞的原因，在選擇耐腐蝕和耐磨閥體材質(zhì)的基礎上，可以對閥密封結構進行改進，設計更加合理的流道，減少流體對密封面的沖刷。

③柱塞及柱塞密封方面。柱塞及柱塞密封面是形成工作壓力的關鍵部件，其性能的好壞直接影響著泵整體的性能。柱塞的損壞主要是由磨損和介質(zhì)的腐蝕引起的，為提高柱塞的使用壽命，選擇耐腐蝕材料的同時，采取措施提高柱塞表面的硬度，通常采用滲鍍或冷作滾壓硬化處理，輔以高精度磨削加工。同時還要選擇合適的密封填料材料和結構，減小密封面摩擦系數(shù)，還可通過加入高效潤滑劑的措施。另外，偏磨也是引起柱塞磨損和損壞的主要因素，需要在結構上采取措施增加導向支撐點或對中結構，減少柱塞在運行過程中的懸臂運動，使偏磨程度減輕。適當降低泵速，減小柱塞的線速度，也可以在一定程度上減少柱塞的磨損，提高使用壽命。

④機架方面。機架雖然不是柱塞泵的核心部件，但是機架的穩(wěn)固性對減小泵的振動和確保泵的長期穩(wěn)定運行起著至關重要的作用。選擇合適的液缸數(shù)，作用數(shù)或采用空氣室等方法，可以減少流量和壓力的脈動。對于高壓工況，可以采取措施在選材和結構上進行機架穩(wěn)固性的加強，減小泵體的振動，可以降低運動副間的磨損和沖擊載荷，提高易損件的使用壽命。

⑤輔助部件方面。輔助部件包括進口過濾器、緩沖器，進出口管等，在技術上沒有太大的難度，主要問題往往是由于原材料和加工制造質(zhì)量不過關引起的。因此，在選擇合理的材質(zhì)和滿足設計強度的基礎上，要嚴格控制原材料質(zhì)量和加工制造精度，并進行完善的檢驗和試驗。

3 結 語

雖然目前注水泵問題還沒有得到完全解決，但是經(jīng)過不斷研究、探討，已經(jīng)找出了一些主要原因，并通過制定一系列的相應措施來避免將來再出現(xiàn)同樣的問題，這對整個油田的平穩(wěn)注水起到了非常重要的作用，也為其他油田提供了借鑒經(jīng)驗。

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