柱塞式注水泵易損件壽命分析及提高措施

賈品元

(長慶油田公司 第五采油廠 西安 710200)

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柱塞式注水泵易損件壽命分析及提高措施

賈品元

(長慶油田公司 第五采油廠 西安 710200)

摘要：長慶油田采油五廠采出水水型主要為氯化鈣型，礦化度較高，地層水中普遍含有等，導(dǎo)致柱塞式注水泵易損件壽命較短，維修更換易損件占用時間較多，制約著注水設(shè)備完好率的提高。以長慶油田部分站點(diǎn)在用柱塞式注水泵為研究對象，進(jìn)行了多次現(xiàn)場調(diào)研，對柱塞式注水泵柱塞、盤根、閥組等易損件的失效形式和失效原因進(jìn)行了統(tǒng)計分析，提出了提高易損件壽命的改進(jìn)措施，進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，取得了良好效果。

關(guān)鍵詞：柱塞式注水泵；易損件；措施

隨著長慶油田注采工藝水平的發(fā)展，柱塞式注水泵已成為油田注水系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。長慶油田采油五廠注水泵全部采用柱塞式注水泵，使用中普遍出現(xiàn)易損件壽命短等問題，導(dǎo)致維修工作量大、維修成本較高，這一問題不僅對注水效率造成一定影響，同時還增加了采油成本。

對長慶油田采油五廠在用注水泵易損件失效情況進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)研和測試，對失效形式進(jìn)行了統(tǒng)計分析，結(jié)合相關(guān)失效分析理論，對注水泵易損件失效原因進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施及建議，通過現(xiàn)場實(shí)踐取得了較好效果，對提高注水系統(tǒng)效率，降低運(yùn)行成本，保證油田開發(fā)水平有一定指導(dǎo)意義，并帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1失效形式分析

1.1使用情況

柱塞、盤根、閥組等是柱塞式注水泵中的主要易損件，它們直接影響著注水泵的性能。通常情況下，易損件本身制造成本較低，但其失效后對整個注水泵組的正常運(yùn)行所帶來的影響非常大。通過現(xiàn)場調(diào)研和數(shù)據(jù)監(jiān)測，對長慶油田采油五廠姬一聯(lián)、姬二聯(lián)、姬五聯(lián)等10個站點(diǎn)的柱塞泵易損件的使用情況進(jìn)行跟蹤統(tǒng)計，如表1 所示。

表1　長慶采油五廠柱塞式注水泵易損件使用情況

現(xiàn)場跟蹤統(tǒng)計的10個站點(diǎn)的柱水泵易損件實(shí)際使用壽命和 “長慶油田企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”[1]所要求的易損件使用壽命相比較，無論介質(zhì)是清水還是采出水，注水泵的易損件壽命均遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；配件費(fèi)用消耗量極大，主要易損件壽命較短，導(dǎo)致單臺年平均維修費(fèi)用均超過￥5萬元。

1.2失效形式[2]

1.2.1柱塞

柱塞斷裂( 如圖1a)；柱塞表面拉傷(如圖1b)；柱塞表面鍍層(噴焊層)脫落、脫皮(如圖1c)；柱塞表面腐蝕(如圖1d)。

a　斷裂　　　　　　　b　表面拉傷

c　表面鍍層脫落　　　　　　d　表面腐蝕

1.2.2盤根

盤根磨損(如圖2a)；盤根塑性變形(如圖2b)；盤根燒結(jié)、碳化(如圖2c)。

a　磨損　　　　b　塑性變形　　　　c　燒結(jié)碳化

1.2.3閥組件

閥芯、閥板及閥座(表面)磨損、刺槽(如圖3)。

a　閥芯磨損　　　　　　b　閥座刺槽

2失效原因分析

2.1介質(zhì)對易損件使用壽命的影響

為了合理利用資源，減少污水對環(huán)境的污染，將采出水直接回注。但由于水中含有大量氧、硫、磷、硫化氫、氯離子等強(qiáng)腐蝕物質(zhì)，柱塞長期工作在這種環(huán)境下，逐漸形成許多肉眼無法看到的溝槽和蝕點(diǎn)，形成了許多微小水道，同時對盤根、閥體增加了腐蝕和磨損。

此外，注入介質(zhì)采出水中含有砂粒，顆粒磨損現(xiàn)象的出現(xiàn)，導(dǎo)致盤根、柱塞拉傷；閥組件的早期磨損，導(dǎo)致密封失效，產(chǎn)生泄漏。一些微小砂粒容易進(jìn)入盤根與柱塞縫隙，或鑲嵌在盤根中，會造成柱塞磨損加劇，反過來，柱塞的不正常拉毛，又會造成盤根的磨損，導(dǎo)致早期磨損密封失效，產(chǎn)生漏水；閥板、閥座在關(guān)閉的時候，磕碰砂粒(因?yàn)樯傲５挠捕然旧显?0HRC以上)，會造成點(diǎn)坑，引起刺漏，閥板、閥座密封失效，壽命大幅度降低。以往復(fù)泵沖次250min-1為例，1d閥啟閉達(dá)到36萬次，所以如果介質(zhì)含砂粒等硬顆粒，對閥組的損害非常大。

2.2零部件制造質(zhì)量對易損件質(zhì)量的影響

2.2.1柱塞制造質(zhì)量的影響

1)柱塞表面的硬質(zhì)合金層的硬度及噴焊層厚度不夠，表面硬度低于55HRC的柱塞約占50%，噴焊硬質(zhì)合金層厚度在0.20mm以下的柱塞約占60%。

2)柱塞的金相顯微組織疏松，有針孔，不能形成奧氏體基體上分布碳化物和硼化物硬質(zhì)相的組織結(jié)構(gòu)。柱塞表面硬度及噴焊層厚度不夠是柱塞耐磨性、耐蝕性差的重要原因。

3)柱塞表面硬質(zhì)合金層結(jié)合強(qiáng)度不夠，在柱塞的工作過程中，容易造成柱塞表面脫皮，合金層脫落，影響柱塞的使用壽命。

4)部分廠家提供的柱塞未對柱塞端面進(jìn)行防腐處理，造成柱塞的耐腐蝕性差。2013年到四個廠家考察后發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)廠家的柱塞表面熱噴涂都是人工操作，質(zhì)量受限于操作工的技術(shù)水平和責(zé)任心。

2.2.2盤根制造質(zhì)量的影響

1)盤根制造材料成分不符合要求，未按照注入介質(zhì)的腐蝕性來確定盤根的成分，造成盤根的耐腐蝕性差。

2)盤根內(nèi)部疏松、編織不緊密是造成盤根不耐用的原因之一。

3)選用盤根型號不對，未根據(jù)壓力等級正確選用，導(dǎo)致盤根使用壽命縮短。

2.2.3閥組制造質(zhì)量的影響

1)選用材料不當(dāng)，閥組件的材質(zhì)耐腐蝕性能差，因腐蝕造成密封失效。長慶油田采油五廠各站點(diǎn)的采出水的腐蝕性較強(qiáng)，腐蝕性離子的種類又存在著差異，部分閥組件供應(yīng)廠家未對現(xiàn)場工況的腐蝕性能進(jìn)行分析，對形成閥組件的腐蝕機(jī)理不清楚，造成選材不當(dāng)。

2)閥芯、閥座、閥板的表面粗糙度不合格，密封不嚴(yán)，造成閥組件的破壞。

3)閥彈簧的加工及熱處理不規(guī)范，造成閥彈簧斷裂等。

4)閥密封面硬度不夠，造成閥組件壽命降低。

2.3加工、裝配對易損件壽命的影響

加工要保證配合圓柱體間的同軸度(如中間桿和柱塞、十字頭與中間桿)，兩零件連接端面的垂直度，如果一個零件相關(guān)聯(lián)尺寸形位公差達(dá)不到要求，就會造成兩連接件不同軸、不垂直導(dǎo)致偏磨，造成密封失效。

柱塞組件常規(guī)密封是柱塞前后各有1個導(dǎo)向套，中間為碳鉛密封或芳綸密封，盤根數(shù)量一般不少于6個。這種組合方式，會造成靠近調(diào)節(jié)螺母的幾個盤根變形過大，造成盤根壽命較短，不同的組合方式對易損件壽命影響較大。

盤根裝配的好壞直接影響易損件的使用壽命。盤根應(yīng)逐個裝配，而且通過專用工具應(yīng)逐個壓緊，保證盤根受力均勻，盤根的缺口應(yīng)錯開120°安裝。初始預(yù)緊力也對易損件壽命有影響，初始預(yù)緊力過大會使柱塞和盤根摩擦加劇，溫升過高，加快失效。

2.4十字頭下沉對易損件壽命的影響[3-4]

由于十字頭孔下部的磨損，導(dǎo)致十字頭下沉，會導(dǎo)致十字頭中心線與導(dǎo)軌孔中心線不同軸，而密封函體盤根孔是與導(dǎo)軌孔中心線同軸，這樣會造成柱塞與密封盤根孔不同軸，造成柱塞與盤根不同軸，偏磨，直接影響到盤根、柱塞等易損件的使用壽命。

2.5運(yùn)行維護(hù)的影響

盤根與柱塞間的微泄漏是允許的，泄漏量超過標(biāo)準(zhǔn)要求，要及時緊盤根，如果不緊，隨著泄漏量的增加，會造成高壓刺漏，盤根很快受損失效。閥座或閥板密封不嚴(yán)，如果不處理，閥座與閥板間就會造成刺漏，最后閥板與閥座損壞，無法修復(fù)，降低了使用壽命。

3提高易損件壽命的措施

3.1針對性做好易損件防腐處理

長慶油田注水泵實(shí)際注水壓力一般都超過16MPa，隨著壓力升高，柱塞的磨損和腐蝕加劇，從而加快柱塞的損壞。采出水礦化度極高，影響腐蝕因素較多，廠家應(yīng)針對性地做好柱塞噴涂表面的防腐、耐磨等特殊處理，應(yīng)進(jìn)行噴涂耐磨強(qiáng)化，增加噴涂合金材料，嚴(yán)格控制噴涂工藝，保證涂層與母材的結(jié)合強(qiáng)度，應(yīng)滿足Q/SYCQ3452—2012之規(guī)定。

3.2正確選擇閥組材料和結(jié)構(gòu)

3.2.1閥組材料

閥組材料選擇既要滿足防腐蝕的需要，也要滿足硬度、強(qiáng)度的需要，這些條件都和輸送介質(zhì)、排出壓力有關(guān)。

1)輸送介質(zhì)是清水或油田污水(一般性腐蝕)、不含砂時，泵閥材質(zhì)選用2Cr13、3Cr13，閥板為尼龍、聚甲醛、改性工程塑料 。

2)輸送介質(zhì)礦化度高(含氯離子等腐蝕性很強(qiáng))、不含砂時，泵閥材質(zhì)選用304/Ni60、 316/Ni60、17-4PH、沉淀硬化型不銹鋼，非金屬閥板、閥芯。

3)輸送介質(zhì)含顆粒、含砂時，泵閥材質(zhì)選用316/WC(硬質(zhì)合金)，閥板、閥芯為非金屬改性聚合材料 。且泵進(jìn)口匯管處一定要加裝過濾器，過濾器的目數(shù)既要保證過濾效果，也要確保足夠的流通面積，以保證流量。

3.2.2根據(jù)不同工況選擇組合閥

閥組應(yīng)根據(jù)介質(zhì)、壓力等參數(shù)選擇不同結(jié)構(gòu) 。介質(zhì)中含砂時，顆粒墊閥造成密封不嚴(yán)引發(fā)加砂射流，使閥面因沖刷形成溝槽而過早失效。這與不含顆粒的清水或油田處理水引起的閥面損壞是不同的，因此需要從結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行綜合分析。

1)泵的工作壓力≤15MPa，且輸送介質(zhì)不含砂(清水或油田污水)，閥組結(jié)構(gòu)選擇立式組合閥、錐形平板閥。

2)泵的工作壓力>15MPa，且輸送介質(zhì)不含砂(清水或油田污水)，閥組結(jié)構(gòu)選擇臥式組合閥、雙流道組合閥，如圖4所示。

1—吸入閥彈簧；2—吸入閥片；3—閥座；4—排出閥；5—彈簧；6—彈簧座；7—高壓螺母；8—螺柱。

3)泵的工作壓力≤15MPa，且輸送介質(zhì)含有顆粒、含砂時，選擇的閥組結(jié)構(gòu)為AR閥、非金屬閥板組合閥，如圖5所示。

1—閥座；2—閥心；3—彈簧；4—閥罩；5—閥膠片；6—O型圈。

4)泵的工作壓力≤ 25MPa且輸送介質(zhì)含有顆粒、含砂時，選擇雙導(dǎo)向非金屬密封錐形組合閥、立式非金屬組合閥。

3.3選擇合適的盤根材料和組合方式

提高盤根使用壽命不僅要考慮盤根材料，還需采取盤根合理的組合方式，才能提高盤根的使用壽命。一般在10～15MPa應(yīng)選用碳纖密封；15～20MPa應(yīng)選用碳纖維含油盤根；20MPa以上應(yīng)選用芳綸盤根。

3.4正確選擇柱塞的材料和結(jié)構(gòu)

3.4.1材料和表面加工工藝

1)在不含顆粒污水和清水介質(zhì)中，選用改性陶瓷燒結(jié)工藝或等離子噴涂/噴焊金屬增韌陶瓷柱塞。

2)在含顆粒污水介質(zhì)中，選用噴焊Ni60/WC復(fù)合金屬涂層柱塞或鎳錋合金。

3.4.2連接結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在大多數(shù)泵的十字頭、中間桿、柱塞之間都是硬連接，一旦十字頭下沉，這此零部件與盤根孔將不同心，這是造成柱塞、盤根損壞的主要原因。即使十字頭孔裝了滑板，調(diào)整十字頭與柱塞的同心度也很難。應(yīng)在十字頭與中間桿之間，或中間桿與柱塞之間采用可調(diào)連接，即允許十字頭與中間桿之間，或中間桿與柱塞之間有適當(dāng)?shù)钠?，以彌補(bǔ)十字頭下沉造成的偏心。

4應(yīng)用效果分析

4.1柱塞及閥組

在姬二注、柳三轉(zhuǎn)等站點(diǎn)現(xiàn)場實(shí)施應(yīng)用，采出水回注壓力15～20MPa。

改進(jìn)泵閥材質(zhì)為316/WC(硬質(zhì)合金)，金屬閥芯錐面上結(jié)合非金屬密封材料，柱塞為噴焊Ni60/WC復(fù)合金屬涂層柱塞。主要易損件柱塞、填料、閥組平均≥1 800h，如表2。

表2　特殊處理后易損件使用壽命　h

注：括號中為Q/SYCQ3452—2012標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的使用壽命。

4.2泵閥結(jié)構(gòu)及材料

原泵閥使用上下分體閥結(jié)構(gòu)，閥芯與閥體為金屬密封面配合，在輸送污水本身就含有顆粒物時，會出現(xiàn)閥芯與閥體密封不嚴(yán)而漏失的問題，容易破壞金屬密封面。

在姬二注站點(diǎn)采用螺旋導(dǎo)向復(fù)合密封錐型組合閥組，進(jìn)液閥和排液閥組合在同一閥體上，如圖6所示。

圖6　螺旋導(dǎo)向復(fù)合密封錐型組合閥組

泵閥選擇316/WC(硬質(zhì)合金)，閥板、閥芯為非金屬改性聚合材料，改造后閥組壽命由改造前的平均785h提高到1 850h。

5結(jié)論

1)造成柱塞式注水泵柱塞、盤根等易損件壽命較短原因是注入介質(zhì)的影響、易損件制造質(zhì)量、盤根材質(zhì)及組合方式、十字頭下沉及裝配質(zhì)量等。柱塞表面的微小腐蝕、脫皮、拉傷、偏磨和填料失效是造成柱塞密封滲漏的主要原因；閥組硬度不夠、介質(zhì)含硬顆粒、腐蝕、刺漏是閥組壽命短的主要原因。

2)根據(jù)現(xiàn)場介質(zhì)情況，選用不同材質(zhì)填料與工藝的柱塞及閥組，針對性做好易損件防腐處理可大幅提高易損件壽命。采取合理密封結(jié)構(gòu)型式及盤根組合方式，可提高柱塞、盤根壽命。柱塞采用軟連接，可提高柱塞、盤根使用壽命。根據(jù)不同工況，合理選用閥組結(jié)構(gòu)及閥板材料，可延長閥組壽命。處理好十字頭下沉問題，可延長柱塞、盤根使用壽命。選擇正確的裝配方式可使易損件壽命顯著提高。

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LifeAnalysisandImprovementMeasuresoftheWearPartsofPistonInjectionPump

JIAPinyuan

(No.5 Oil Production Plant，Changqing Oilfield Company，Xi’an 710018，China)

Abstract：The produced water effluent from No.5 oil production plant of Changqing oil field is mainly of calcium chloride，formation water generally contain high concentrations of Ba2+，Sr2+，Cl-，and ，etc.，leads to shorten life of wearing parts of plunger water injection pump，needs more time to maintenance and replace wearing part and restricts the improvement of water injection equipment.In view of this，some field investigations in Changqing oilfield were made for piston injection pump as the research object，and the statistic analysis was made for failure modes and failure of plunger piston pump，packing，valve group，wearing parts.A corresponding improvement measures is put forward.Application and the field application are carried out to obtain good results，and the feasibility of the measure is proved.

Keywords：piston injection pump；wearing parts；improving measures

文章編號：1001-3482(2016)06-0100-05

收稿日期：2015-12-24

作者簡介：賈品元(1971-)，男，甘肅慶陽人，工程師，現(xiàn)從事油田設(shè)備的技術(shù)管理工作，E-mial：jpy_cq@petrochina.com.cn。

中圖分類號：TE934.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.06.023