5DS系列注水泵結(jié)構(gòu)改進(jìn)與應(yīng)用

吉效科，平郁才，劉豐寧，許 麗，李 穎

（1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，成都610500；2.長慶油田公司設(shè)備管理處，西安710018；3.長慶油田公司第三采油廠，銀川750005）

5DS系列注水泵結(jié)構(gòu)改進(jìn)與應(yīng)用

吉效科1，2，平郁才3，劉豐寧3，許 麗2，李 穎3

（1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，成都610500；2.長慶油田公司設(shè)備管理處，西安710018；3.長慶油田公司第三采油廠，銀川750005）

針對5DS系列注水泵關(guān)鍵部件故障多、易損件更換頻繁等問題，從液力端結(jié)構(gòu)、泵閥結(jié)構(gòu)、密封組件等方面進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)應(yīng)用柱塞的自動(dòng)調(diào)心和同步隔離技術(shù)。通過現(xiàn)場試驗(yàn)證明，改進(jìn)后的注水泵故障率大福降低，易損件壽命成倍延長，可靠性和安全性明顯提高，達(dá)到了高效節(jié)能的目的。

注水泵；結(jié)構(gòu)；技術(shù)改造

近些年，隨著長慶油田注水泵數(shù)量逐年增多，注水壓力不斷升高，注水泵逐步暴露出一些問題，例如關(guān)鍵部件故障增多，易損件更換頻繁，過流部件耐腐蝕性能差，直接導(dǎo)致維修費(fèi)用和管理成本增加，甚至影響油田注水生產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2009年以來投產(chǎn)的注水泵出現(xiàn)曲軸拉傷抱瓦、泵頭缸體開裂、曲軸斷裂、十字頭抱死、中間桿斷裂、連桿拉傷和機(jī)身損壞等嚴(yán)重故障，占新投注水泵的14.2%，柱塞最短使用時(shí)間為300 h，遠(yuǎn)低于《機(jī)動(dòng)往復(fù)泵》（GB／T 9234—2008）［1］規(guī)定的使用壽命3 000 h（壓力不大于20 MPa時(shí)），注水泵平均維修換件費(fèi)用高。

長慶油田經(jīng)過注水泵現(xiàn)狀調(diào)查研究，并結(jié)合油田注水生產(chǎn)與工藝實(shí)際，對問題突出的5DS型注水泵進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造。經(jīng)過2 a的現(xiàn)場試驗(yàn)，該型注水泵的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)顯著提高，可靠性和安全性明顯增強(qiáng)，達(dá)到了高效節(jié)能的目的。

1 問題分析

1.1 泵頭缸體開裂

5DS型注水泵主要采用立式泵頭，立式分體錐閥的吸入閥與排出閥之間為高壓和低壓交變載荷區(qū)域，如圖1a所示，其十字孔相貫線處存在應(yīng)力集中，在較高壓力作用下易造成液力端泵頭開裂。采用美國卡拉西克著《泵手冊》的雙環(huán)筒泵體應(yīng)力計(jì)算公式［2］，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力發(fā)生在水平與垂直孔內(nèi)徑相貫處。該型注水泵泵頭缸體開裂故障時(shí)間最短24 h，

圖1 雙環(huán)筒泵體結(jié)構(gòu)示意

合成應(yīng)力計(jì)算公式：

式中：S為合成應(yīng)力，MPa；p為承受壓力，MPa；b、d為孔內(nèi)徑，mm；a、c為離內(nèi)徑最近的非實(shí)體材料處直徑，mm。

在十字交叉立式泵頭中，假設(shè)：p＝25 MPa，a＝140 mm，b＝70 mm，c＝250 mm，d＝132 mm。

將數(shù)值代入上述公式，泵體受到的合成應(yīng)力S＝86 MPa。

試驗(yàn)和分析指出：在不當(dāng)?shù)奈牍?，由汽蝕、閥開啟滯后或系統(tǒng)瞬時(shí)高壓等諸多意外因素引起的峰值壓力能達(dá)到設(shè)計(jì)壓力的4～5倍，即使按3倍計(jì)算：Smax＝86×3＝258 MPa，也接近2Cr13材料的疲勞極限σ－1＝277 MPa。所以絕大多數(shù)泵體開裂是疲勞破壞，主要因素是應(yīng)力集中，交變載荷加劇了這種破壞趨勢。

1.2 維修換件頻繁

注水泵維修換件主要為盤根、柱塞、進(jìn)排液閥組等，據(jù)統(tǒng)計(jì)，盤根和柱塞的最短壽命不足300 h，進(jìn)排液閥組的最短壽命不足210 h，這與《機(jī)動(dòng)往復(fù)泵》（GB／T 9234—2008）規(guī)定的易損件壽命指標(biāo)有很大的差距。分析認(rèn)為：

1） 由于中間桿與柱塞的同軸度存在誤差，造成柱塞在運(yùn)行中與密封組件偏磨加重，加速了柱塞和盤根組件的磨損，使其壽命縮短。

2） 5DS型注水泵采用分體錐閥結(jié)構(gòu)型式，在運(yùn)行中受介質(zhì)中固體顆粒和供液穩(wěn)定性的影響，高壓運(yùn)行時(shí)造成密封面早期失效。

3） 過流部件耐腐蝕性差，由于回注污水中含大量可對金屬造成腐蝕的離子（CL－1、HCO－3、Fe3＋）和氧氣，以及不溶性顆粒雜質(zhì)等組份，當(dāng)水流速度較低或形成積存區(qū)，會(huì)發(fā)生化學(xué)和電化學(xué)腐蝕，不溶性物質(zhì)極易生成垢附著在過流部件表面；當(dāng)水流速度高時(shí)，水中的懸浮物對金屬表面產(chǎn)生磨損腐蝕。密封函體內(nèi)、進(jìn)排液缸套表面、閥芯與閥座結(jié)合面因腐蝕形成豆斑狀坑點(diǎn)和垢片，造成過流部件失效。

4） 易損件使用廉價(jià)材料，材質(zhì)不達(dá)標(biāo)，防腐性能差，表面硬度和粗糙度處理不合格，造成部件早期失效。

1.3 機(jī)組效率較低

注水泵機(jī)組效率由機(jī)械效率和容積效率二部分構(gòu)成，其中機(jī)械效率主要由電動(dòng)機(jī)、膠帶輪、支承軸承、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（由連桿、十字頭、十字頭銷、中間桿組成）、盤根盒、蓄能器等的效率組成，容積效率主要由進(jìn)排液閥組和盤根盒漏失效率組成。機(jī)械效率在注水泵設(shè)計(jì)和配置完成后定型，在注水泵正常運(yùn)行條件下不會(huì)有較大幅度變化和調(diào)整，而容積效率受進(jìn)排液閥組和盤根盒的漏失密切相關(guān)。經(jīng)節(jié)能監(jiān)測分析，某站5DS型注水泵改造前的平均機(jī)組效率只有68.75%，低于72%的節(jié)能監(jiān)測限定值，依據(jù)《油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范》（SY／T 6275—2007）的規(guī)定，注水泵機(jī)組效率不合格。

2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.1 液力端結(jié)構(gòu)

采用T字型液力端結(jié)構(gòu)。從前面分析可知，絕大多數(shù)泵體開裂是疲勞破壞，主要因素是應(yīng)力集中，交變載荷加劇了這種破壞趨勢，且最大應(yīng)力發(fā)生在水平與垂直孔內(nèi)徑相貫處。如圖2所示，T字型液力端主要由柱塞缸體與進(jìn)排液腔垂直形成T型孔結(jié)構(gòu)，T型孔結(jié)構(gòu)較十字孔能大幅度緩解工作腔內(nèi)倒角及其附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且降低了高低壓的交變差值。對于含固體顆粒較多的污水介質(zhì)，這種結(jié)構(gòu)更宜于閥的坐封。

圖2 “T”字型液力端的結(jié)構(gòu)示意

2.2 泵閥結(jié)構(gòu)

采用螺旋導(dǎo)向復(fù)合密封錐型組合閥組。進(jìn)液閥和排液閥共同組合在同一閥體上，金屬閥板錐面上結(jié)合非金屬密封材料，閥芯導(dǎo)向翼從直線型過渡到帯一定角度型，可使閥芯在上下運(yùn)動(dòng)時(shí)360°稍有轉(zhuǎn)動(dòng)，使閥結(jié)合面均勻磨損，這種結(jié)構(gòu)型式，便于拆裝，密封性能較好，且提高了閥的使用壽命。

2.3 柱塞的自動(dòng)調(diào)心結(jié)構(gòu)

將柱塞與連接桿之間原來的螺紋硬連接結(jié)構(gòu)改為復(fù)合外卡環(huán)彈性連接，當(dāng)中間桿的運(yùn)動(dòng)軌跡在一定范圍內(nèi)發(fā)生偏差時(shí)，該結(jié)構(gòu)能夠自動(dòng)調(diào)整推力的同軸度，使柱塞與密封函體、導(dǎo)向套保持同軸度，減小柱塞與密封件的偏磨，從而提高柱塞、填料、導(dǎo)向套的使用壽命。

2.4 柱塞的同步隔離結(jié)構(gòu)

如圖3所示，在柱塞填料密封函體結(jié)構(gòu)中增設(shè)了1個(gè)密封介質(zhì)腔，使介質(zhì)腔與輸送介質(zhì)始終保持壓力平衡狀態(tài)，密封腔介質(zhì)可對柱塞起到潤滑作用，降低柱塞與填料間摩擦損失，提高泵效及易損件壽命。

2.5 改進(jìn)密封組件

密封采用U型形狀改性材料、矩形芳綸纖維盤根、金屬阻流環(huán)，加補(bǔ)償彈簧等組合的密封組件，增強(qiáng)了密封件的自調(diào)整、自補(bǔ)償性能，從而提高了密封件的使用壽命。

圖3 同步隔離柱塞泵密封函體結(jié)構(gòu)示意

3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

3.1 實(shí)施改造

長慶油田公司采油三廠油二聯(lián)注水站于2009-09投產(chǎn)，4臺5DS-39.7／20型注水泵，投用不到1 a，更換液力端總成4套。泵實(shí)際排量28～32 m3／h，易損件壽命約240 h，2010-11實(shí)施改造。柳三轉(zhuǎn)二站于2006年投產(chǎn)，5DS-25.76／20型和5DSB-41.9／20型注水泵各2臺，由于所注污水含顆粒類雜質(zhì)，導(dǎo)致注水泵液力端頻繁檢修，修泵周期在240 h左右，主要換件為排液閥、進(jìn)液閥，2011-05實(shí)施改造。2個(gè)站的技術(shù)改造主要是將十字交叉泵體更換為T型泵體結(jié)構(gòu)，相應(yīng)地將上、下分體閥結(jié)構(gòu)改造為立式組合閥結(jié)構(gòu)，采用柱塞填料密封同步隔離技術(shù)和柱塞自動(dòng)對中調(diào)心技術(shù)，并使用復(fù)合涂層柱塞。

3.2 效果評價(jià)

1） 易損件壽命明顯延長。以油二聯(lián)站和柳三轉(zhuǎn)二站改造為例，如表1。

表1 注水泵改造前后易損件壽命對比

從表1可以看出，油二聯(lián)和柳三轉(zhuǎn)2個(gè)站的注水泵柱塞、填料和閥組等易損件壽命較改造前有明顯延長，其中柱塞使用壽命是改造前的2～3倍，填料是改造前的2.7～4.2倍，閥組是改造前的2.2倍以上。

2） 材料消耗費(fèi)用明顯下降。以柳三轉(zhuǎn)3＃注水泵維修換件材料消耗情況統(tǒng)計(jì)為例，如表2。

從表2可以看出，柳三轉(zhuǎn)3＃注水泵改造后較改造前維修材料消耗費(fèi)用下降77.9%，效果明顯。

3） 提高了注水泵機(jī)組效率。2013-06和2013-10先后對柳三轉(zhuǎn)、油二聯(lián)實(shí)施改造的泵機(jī)組進(jìn)行了能耗監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如表3。

通過表3的監(jiān)測結(jié)果表明，節(jié)能改造后注水泵機(jī)組平均機(jī)組效率78.5%，全部高于72%的節(jié)能監(jiān)測限定值，比節(jié)能改造前提高10.3個(gè)百分?jǐn)?shù)。

4） 節(jié)能降耗效果明顯。表4為柳三轉(zhuǎn)、盤二注、南二注三個(gè)站點(diǎn)注水泵改造前后有功節(jié)電率計(jì)算結(jié)果。

表2 柳三轉(zhuǎn)3＃注水泵材料消耗費(fèi)用明細(xì)

表3 節(jié)能改造前后注水泵節(jié)能監(jiān)測數(shù)據(jù)

表4 注水泵改造前后有功節(jié)電率計(jì)算結(jié)果

從表4可以看出，改造后單臺注水泵機(jī)組最小節(jié)電率為7.2%，最大節(jié)電率為14.9%，平均節(jié)電率11.9%。

4 結(jié)論

1） 5DS系列注水泵的液力端改為T型結(jié)構(gòu)型式，消除了缸體高壓交變載荷下的工作腔內(nèi)十字交孔，解決了泵頭應(yīng)力集中造成的泵體開裂問題。對于含固體顆粒較多的污水介質(zhì)，T型結(jié)構(gòu)更宜于閥的坐封，與十字孔比較，能大幅度緩解工作腔內(nèi)倒角及其附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且降低高低壓的交變差值。

2） 采用柱塞自動(dòng)調(diào)心技術(shù)和柱塞同步隔離技術(shù)，有效提高柱塞、填料、導(dǎo)向套的使用壽命，減少摩擦功耗，維修材料消耗費(fèi)用下降77.9%，效果明顯。

3） 改造后注水泵機(jī)組平均機(jī)組效率78.5%，全部高于72%的節(jié)能監(jiān)測限定值，比改造前提高了10.3%。

4） 改造后的注水泵節(jié)能降耗效果明顯，與改造前相比，單臺注水泵機(jī)組最小節(jié)電率為7.2%，最大節(jié)電率為14.9%，平均節(jié)電率11.9%。

［1］ GB／T 9234—2008，機(jī)動(dòng)往復(fù)泵［S］.

［2］ 卡拉西克I J.泵手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1984.

［3］ 史改芳，張立舉，陳喜平，等.3H-8／450型增壓注水泵液力端改造［J］.石油礦場機(jī)械，1999，28（4）：24-26.

Structure Improvement and Application of 5DSSeries Water Injection Pumps

JI Xiao-ke1，2，PING Yu-cai3，LIU Feng-ning3，XU Li2，LI Ying3
（1.College of Mechanical and Electronic Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China；2.Equipment Department，Changqing Oilfield Company，Xi’an 710018，China；3.No.3 Oil Production Plant，Changqing Oilfield Company，Yinchuan 750005，China）

At the same time，the sync separate and the automatically adjusting-center technology of the plunger were used.The field trials shows that the improved water-injection pumps can greatly reduce the failure rate，exponentially prolong the life of wearing parts，improve the reliability and security，also realize the purpose of high efficiency and energy saving.

water injection pump；structure；technical reform

TE934.103

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.12.017

2014-07-13

吉效科（1976-），男，甘肅臨洮人，高級工程師，博士研究生，2008年畢業(yè)于西安石油大學(xué)石油與天然氣工程專業(yè)，現(xiàn)從事油田設(shè)備管理與技術(shù)研究，E-mail：jxk_cq＠petrochina.com.cn。最長14 000 h，故障壓力為16～19 MPa。由此可見，注水泵采用立式泵頭在16 MPa以上使用有明顯缺陷。

1001-3482（2014）12-0067-04