海上平臺閉排泵振動原因分析及減振處理

彭可偉，張海榮

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司， 廣東 湛江 524057）

海上平臺處理閉排罐液體主要采用離心泵和柱塞泵這兩種泵進行加壓外輸，在實際應用中發(fā)現(xiàn)，離心泵由于價格高、效率低、能耗大、維修復雜、受介質(zhì)中溶解氣影響打不起壓力等因素已不能滿足工況需要，而柱塞泵由于價格較低、效率高、排量穩(wěn)定、維修簡單，輸送介質(zhì)特性要求不高，逐漸得到廣泛應用。但在運行中，柱塞泵的振動直接影響輸液工作，主要表現(xiàn)在輸液管線振動大導致管卡松動、管線上壓力表、壓力傳感器受損、閉排罐液位傳感跳變引起平臺生產(chǎn)關停。因此，柱塞泵的減振措施對安全生產(chǎn)有著極其重要的意義。

1 柱塞泵工作原理

某平臺閉排泵為柱塞泵，組成分動力端（圖1）和液力端（圖2）；動力端包括：曲軸、傳動箱、十字頭、曲柄連桿機構、傳動軸等；液力端包括：泵頭體，進、排液閥，填料函，密封件等。工作原理為：當柱塞在曲軸帶動下做回程運動時，液缸的容積逐漸增大，形成了局部真空，排液閥處于關閉狀態(tài)，在壓差作用下，進液閥打開，液體進入液缸內(nèi)，柱塞繼續(xù)移動到回程位置極限時，吸液過程終止。這時，工作缸內(nèi)吸液最多。當柱塞做進程運動時，液缸內(nèi)的容積逐漸減少，液體受擠壓，壓力增加，使進液閥關閉，排液閥打開，液體從排出管中排出。柱塞達到進程極限位置時，工作腔的容積最小，排液過程完畢。柱塞在曲軸的帶動下，再次做回程運動。由于柱塞不斷地往復運動，吸排液過程就不斷地交替進行，高壓液體于是不斷地輸出。

圖1 動力端組成

圖2 液力端組成

2 柱塞泵振動原因分析

柱塞泵的供液不是一個連續(xù)過程，就出現(xiàn)了供液有間斷的現(xiàn)象，而柱塞泵的振動主要是由于供液不穩(wěn)定，柱塞泵的壓力變化所引起的，通常主要表現(xiàn)為出口管線的振動，而管線的振動是由壓力的波動引起的，壓力的波動又是由流量波動引起的。其關系表現(xiàn)為：流量波動→壓力波動→管線振動。

2.1 供液不平穩(wěn)對振動的影響

通常，在沒有灌注泵時，閉排泵主要依靠與閉排罐內(nèi)液體的壓力差來實現(xiàn)供液。因此，當罐內(nèi)液面逐漸下降時，閉排泵會隨之出現(xiàn)供液不足，引起不同程度的振動。特別是大排量閉排泵只有單一進口時，如果進口管線過長，且閥門及彎頭過多時，會增大液體的局部水頭損失，從而降低了泵的吸入能力，造成供液不平穩(wěn)，引起振動。

2.2 柱塞泵的壓力變化對振動的影響

柱塞泵工作過程中，伴隨著流量周期性的變化，液體在流動過程中就有加速度和減速度，泵的吸入管線和排出管線就會產(chǎn)生周期性的振動。這就說明，柱塞泵液缸內(nèi)的壓力是不斷變化的，從而產(chǎn)生慣性力，引起泵內(nèi)及管線內(nèi)液體的壓力波動。為此，必須弄清楚壓力變化規(guī)律，以便采取必要的措施。由于柱塞泵的吸入過程和排出過程是交替進行的，兩個過程壓力變化也就完全不同，應分別進行研究。

（1）吸入過程中吸入壓力的變化

液體在從閉排罐經(jīng)吸入總管到達柱塞端面的過程中，吸入壓力受罐內(nèi)液面壓力、吸入流道內(nèi)液流阻力及慣性水頭、吸入閥阻力等因素的影響。吸入壓力變化如圖3所示。

圖3 柱塞泵吸入壓力變化示意圖

由圖3可知，在吸入總管安裝吸入蓄能器后，吸入壓力變化的曲線趨于平滑，即意味著吸入壓力的波動幅度大大降低，這將利于泵的正常工作。

（2）排出過程中排出壓力的變化

排出過程中，柱塞擠壓泵內(nèi)液體，使壓力提高，以克服液體在排出流道中的流動阻力和慣性力，以及排出閥的阻力和慣性力，增加液體的高度，并使液體具有一定的流動速度。排出壓力變化如圖4所示。

圖4 柱塞泵排出壓力變化示意圖

由圖4可知，在排出總管安裝吸入蓄能器后，排出壓力變化的曲線趨于平滑，即意味著排出壓力的波動幅度大大降低，這也利于泵的正常工作。

3 閉排泵減振改造應用實例

3.1 改造前存在的問題

某平臺閉排泵為柱塞泵，自平臺投產(chǎn)以來，每次在啟動閉排泵的過程中，閉排泵基座和出口管線振動非常大，每次都導致閉排罐液位關停信號跳變至關停值引起關停。因此每次啟泵前必須先要旁通閉排罐壓力高高、低低關停信號，防止誤動作。同時在閉排泵運行幾次以后管線上的管卡振動松脫，壓力表指針振斷，需要頻繁更換壓力表。

3.2 原因判斷及解決措施

針對平臺閉排泵的實際情況，結合上面闡述的柱塞泵振動原因分析，可從以下幾方面進行分析判斷，以找出適合本平臺閉排泵的減振方法。

3.2.1 閉排泵的選型和安裝

某平臺閉排泵為臥式三柱塞泵，額定工作壓力2850kPa，為系統(tǒng)最大工作壓力的1.24倍；泵進口管線為2”，管線短、彎頭少，且管線上安裝有Y型濾器；整套泵為成撬安裝，泵和電機有共同的基礎支座，結構牢固，因此從泵的選型和安裝來看是合理的。

3.2.2 改變供液方式

從供液方面看，因為閉排罐設計為常壓容器，所以罐內(nèi)介質(zhì)的流動性直接影響到泵的吸入口壓力，一旦介質(zhì)中雜質(zhì)變多，濾器堵塞，泵的振動就會變大。而如果考慮在閉排泵進口安裝灌注泵，通過離心泵向閉排泵內(nèi)灌注液體，理論上能使閉排泵獲得較平穩(wěn)的液流，從而減小壓力波動和管線的振動。但灌注泵的安裝運轉(zhuǎn)，又增加了設備損耗及電能的消耗，而且受限于現(xiàn)場狹小的空間，并不可行。因此只能通過日常濾器的勤清洗、保證進入閉排罐的液體減少雜質(zhì)的方式來避免供液不足引起的振動。

3.2.3 加強維護保養(yǎng)

閉排泵做為油田的關鍵設備，油田有嚴格的PM制度，會定期檢查泵體的使用狀況，按照檢查表對電機和泵體進行維護保養(yǎng)、液壓油清潔和更換、蓄能器功能測試等，能夠保證閉排泵的完好性。

3.2.4 出口管線增加支撐

為了減少出口管線振動造成的壓力表損壞，平臺也在出口管線上每隔一段就增加支撐進行加固。但是也帶來了新的問題，由于管線的振動造成支撐的共振，進而帶動支撐上其它管線的振動。而且隨著閉排泵的使用，支撐和管線連接的管卡發(fā)生松脫，甚至斷裂。因此此種方法也不能徹底解決問題。

3.2.5 安裝柔性軟管

最后，采取在閉排泵出口管線加裝一段柔性軟管的方法來避免壓力波動直接作用于管線上。具體就是把閉排泵出口管線切割掉一段，在切割部位加裝一段60cm長的柔性軟管。前后共采用兩種材料的軟管進行減振嘗試。

第一種方式是使用一段鋼絲撓性軟管，如圖5所示。

圖5 更換后的鋼絲撓性軟管段

使用鋼絲撓性軟管后，管線振動明顯減小，但在使用幾個月后，由于泵出口壓力波動及管線振動的原因，鋼絲撓性軟管發(fā)生彎曲變形，最終破裂。如圖6所示。

圖6 鋼絲撓性軟管發(fā)生彎曲變形

第二種方式是使用一段高壓橡膠軟管，如圖7所示。

圖7 更換的高壓橡膠軟管段

使用高壓橡膠軟管后，管線振動明顯減小，運行兩年無變形、無損壞。

對比兩種管線的減振作用，認為高壓橡膠軟管更加適應管線內(nèi)部流體的壓力波動及外部的振動，相對鋼絲撓性軟管，更加適合柱塞泵這種壓力波動的泵類減振。

3.3 改造后效果

某平臺閉排泵出口管線上加裝高壓橡膠軟管后運行穩(wěn)定，達到了減振的目的。

3.3.1 運行更加平穩(wěn)

使用高壓橡膠軟管后，管線振動明顯減小，管線上壓力表、壓力變送器再未被震壞，管線上無需再增加支撐進行緊固，周圍設備不會再引起共振，噪聲降低。高壓軟管耐壓強、能夠適應內(nèi)部流體的壓力波動，運行至今未發(fā)生過破裂，能夠滿足現(xiàn)場減振的需要。

3.3.2 經(jīng)濟效益顯著

通過加裝高壓橡膠軟管，徹底避免了閉排罐液位傳感因振動跳變引起的生產(chǎn)關停。保證了油井的連續(xù)生產(chǎn)，避免了電潛泵關停，保護了絕緣，延長了使用壽命。

3.3.3 推廣應用價值

目前海上很多平臺同類型的泵都存在振動大的問題，通過加裝高壓橡膠軟管的方式進行減振，成本低、改造簡單、更換方便，適宜進行推廣應用。

4 結論

閉排泵出口管線上安裝一段高壓橡膠軟管的減振改造措施在某海上平臺應用獲得成功。既減少了管卡松脫、壓力表震壞的次數(shù)，避免了出口管線振裂的風險，又避免了閉排罐液位傳感因振動發(fā)生跳變引起的生產(chǎn)關停。

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