海上平臺注水泵技術(shù)探究

張文杰，魏玉蓮

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)石化泵有限公司，遼寧沈陽 100869）

1 前言

油田注水的目的是為了保持油田能量，保持油層壓力，提高供液能力，降低原油遞減率。人工來調(diào)節(jié)注水量的控制精度差，注水量調(diào)節(jié)難度大，工作量大，同時(shí)由于注水井位于野外，需要注水設(shè)備具有較高的智能化運(yùn)行水平。國際上很多國家正積極投入開發(fā)油田注水系統(tǒng)，以俄羅斯、美國、澳大利亞等國為代表已全面推廣注水驅(qū)油技術(shù)。注水泵需求會越來越大，市場前景非常廣闊，注水泵屬于裝置中關(guān)鍵設(shè)備之一，目前我國市場完全由進(jìn)口（Sulzer、 Flowserve等公司）設(shè)備所壟斷，因此替代進(jìn)口，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品國產(chǎn)化是當(dāng)務(wù)之急，具有長遠(yuǎn)戰(zhàn)略發(fā)展意義。

2 國內(nèi)外技術(shù)差距

我國海上油田注水泵的生產(chǎn)研制雖起步較早，但由于各種原因?qū)е陆?0年來技術(shù)發(fā)展相當(dāng)緩慢，基本處于停滯不前的狀態(tài)，因此該領(lǐng)域長期被國外幾家公司所壟斷，國外注水泵結(jié)構(gòu)大都采用多級節(jié)段式離心泵（API BB4）。國產(chǎn)泵在水力模型開發(fā)上以借鑒國外優(yōu)秀的水力模型為依據(jù)，配合國內(nèi)先進(jìn)的Numeca、Nrec、Proe等軟件進(jìn)行水力分析與優(yōu)化，使國產(chǎn)泵的性能與國外泵的性能不相上下，以國外某項(xiàng)目注水泵為例，技術(shù)參數(shù)對比見表1。國內(nèi)生產(chǎn)的注水泵種類較少，性能不能完全滿足用戶的要求。目前沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)石化泵有限公司正在研制完全適應(yīng)市場需求的高性能注水泵，性能要求達(dá)到或超過國外產(chǎn)品性能。

表1 國產(chǎn)注水泵與國外注水泵技術(shù)參數(shù)對比

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

注水泵一般都安裝在海洋平臺或陸地平臺上，位置偏僻、條件惡劣、缺水少油（可利用的），因此泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相當(dāng)重要，重量、潤滑方式、泵組檢測儀表、水源、電源等都是非常重要的設(shè)計(jì)依據(jù)。

3.1 軸封

泵軸兩端密封采用集裝式機(jī)械密封（見圖1），盡可能地減小密封泄漏量，對機(jī)組的平穩(wěn)安全運(yùn)行也起到至關(guān)重要的作用；機(jī)械密封完全按照API682標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，沖洗方案按API682標(biāo)準(zhǔn)PLAN32執(zhí)行（見圖2）。

圖1 集裝式機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

圖2 機(jī)械密封系統(tǒng)示意

3.2 殼體口環(huán)和葉輪口環(huán)設(shè)計(jì)

殼體口環(huán)和葉輪口環(huán)采用以下2種方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1）采用雙向不銹鋼00Cr17Ni14Mo2材質(zhì)，在其表面做激光等離子熔覆處理（激光熔層缺陷率低，成品率高，其組織細(xì)密均勻，晶粒細(xì)小，成分稀釋率更小，對基體熱影響小，熔層硬度與強(qiáng)韌性更高；性能試驗(yàn)證明，激光熔層具有更高的耐腐蝕性能），使口環(huán)具有良好的硬度和耐腐蝕能力，采用激光、等離子表面強(qiáng)化技術(shù)，研發(fā)具有自潤滑特性的梯度材料密封環(huán)，縮小密封間隙，提高效率。

（2）采用高分子（非金屬）復(fù)合材料WR-300。WR-300是一種長碳纖維添加到PEEK（Poly-ether-ether-ketone）中強(qiáng)化壓模所制成的，PEEK添加了長碳纖維加強(qiáng)了材料的強(qiáng)度、穩(wěn)定性及散熱性，且超越了其他種類的熱塑性工程塑料；WR-300的低摩擦系數(shù)及低熱膨脹特性，使其使用于軸承、襯套及離心式泵的口環(huán)設(shè)計(jì)，還可用于潤滑性差的鍋爐給水、冷凝液、輕質(zhì)烴、芳香烴、丁二烯及其他低比重的介質(zhì)。

以上2種方案的目的是完全一致的，就是保證口環(huán)具有一定的硬度，能在最安全可靠的情況下盡可能減小間隙，以便提高泵的效率；并保證材料具有優(yōu)越的化學(xué)抗蝕性、較低的熱膨脹系數(shù)、較低的摩擦系數(shù)、良好的耐磨性、抗咬合、抗疲勞、耐熱沖擊性等特性；在正常情況下，殼體口環(huán)和葉輪口環(huán)具有一定的硬度差，一般應(yīng)大于或等于50HRC，確保泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)子與殼體不會發(fā)生咬合［1，2］。

3.3 軸承體的設(shè)計(jì)

由于現(xiàn)場環(huán)境所限（無足夠的冷卻水源、潤滑油，泵組位置偏僻等原因），必須要求泵組軸承具有自潤滑特性（不能用外供潤滑油站），為此設(shè)計(jì)2種軸承型式。

3.3.1 磁力軸承型式

磁力軸承結(jié)構(gòu)如圖3所示，其是靠磁場力支承載荷或懸浮轉(zhuǎn)子的一種支承形式，近年來，這種軸承發(fā)展很快，特別在高速、低摩阻、高（低）溫及真空環(huán)境下的應(yīng)用較廣泛。

圖3 磁力軸承結(jié)構(gòu)示意

3.3.2 不預(yù)潤滑軸承型式

與第一種（磁力軸承）型式相比，這種型式性價(jià)比更高（價(jià)格便宜、安全穩(wěn)定性高、技術(shù)更為成熟），是一種可以快速啟動，無需預(yù)潤滑的軸承裝置［3，4］。

不預(yù)潤滑軸承能夠很好承受殘余軸向力、使泵組安全可靠工作，無需預(yù)潤滑就可以快速啟動的軸承裝置。具體通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：

（1）軸承裝置分為2個(gè)獨(dú)立的單元（驅(qū)動端軸承部件單元和非驅(qū)動端軸承部件單元見圖4，5），2個(gè)單元之間靠油管道相連接。泵旋轉(zhuǎn)時(shí)非驅(qū)動端單元能產(chǎn)生足夠壓力和流量的潤滑油去潤滑兩個(gè)單元的所有軸承，而不需要額外的潤滑油系統(tǒng)。

圖4 驅(qū)動側(cè)軸承體部件結(jié)構(gòu)示意

圖5 非驅(qū)動側(cè)軸承體部件1.軸承體蓋2.推力軸承體；3.推力軸承；4.推力盤；5.調(diào)節(jié)環(huán)結(jié)合部；6.窗蓋；7.封油環(huán)；8.起吊螺栓；9.放氣塞；10.調(diào)整墊；11.測振孔；12.定位銷；13.調(diào)心徑向軸承；14.油擋丙；15.非驅(qū)動端軸承出油孔；16.非驅(qū)動端軸承回油孔；17.底蓋

（2）泵軸一旋轉(zhuǎn)，軸承裝置的調(diào)節(jié)環(huán)就能把潤滑油從油槽中吸起，并且通過特定通道去潤滑相應(yīng)的軸承，無需預(yù)先潤滑。

（3）軸承裝置被設(shè)置為雙向，無論泵組是順時(shí)針還是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)都能實(shí)現(xiàn)其功能。

3.4 注水泵監(jiān)測項(xiàng)目控制點(diǎn)（不預(yù)潤滑軸承）

監(jiān)測系統(tǒng)的使用直接關(guān)系到設(shè)備的安全及系統(tǒng)的正常運(yùn)行。該泵組的部分檢測系統(tǒng)和流程見圖6。

圖6 泵組測點(diǎn)流程圖

4 預(yù)期成果以及社會經(jīng)濟(jì)效益

油田注水泵市場空間巨大，國內(nèi)外海上平臺新建項(xiàng)目每年都在增加，國內(nèi)以勝利油田為代表的多家油田注水項(xiàng)目每個(gè)項(xiàng)目的產(chǎn)值都在千萬元左右；國外俄羅斯石油公司需要更換注水泵3000多臺套，俄羅斯盧克國際石油公司需更換1000多臺套，其產(chǎn)值將會在數(shù)十億元左右。

注水泵的研制成功不僅填補(bǔ)了國內(nèi)空白、替代進(jìn)口、打破國外壟斷，更開拓了石油化工用泵的新領(lǐng)域、新市場，在泵行業(yè)國產(chǎn)化系列中起著舉足輕重的作用。其口環(huán)及軸承的設(shè)計(jì)完全可以應(yīng)用到其它類似泵上，具有很大的推廣價(jià)值。

［1］ 沈陽水泵研究所，中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院.葉片泵設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

［2］ 關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵理論與設(shè)計(jì).北京：中國宇航出版社，2011：241-360

［3］ 龐志梅，李猛，邱化青.不預(yù)潤滑啟動的軸承體結(jié)構(gòu)研制［J］.水泵技術(shù)，2011（1）：23-24.

［4］ Igor J Karassik，編.陳允中，曹占友，鄭國強(qiáng)，等，譯.泵手冊［M］.北京：中國石化出版社，2003：268-323.