柱塞式注水泵技術的改進應用

閻磊，劉超，邢菲，蔣偉，張峰源

（中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司 鉆井裝備公司工業(yè)泵制造廠，天津 300280）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，對石油的需求越來越多，對石油開采工作也提出了更高的要求。注水泵在石油開采中發(fā)揮重要的作用。注水泵的性能狀況直接影響采油量、采油效率。柱塞式注水泵是石油開采中重要的機械設備之一。油田開采中使用的柱塞式注水泵往往排量小、中高壓，并且在工作中經(jīng)常發(fā)生故障，已經(jīng)不能滿足油田注采的需求，使用壽命大大縮短。現(xiàn)代注水開采工藝向著高效、節(jié)能方向發(fā)展，要求注水泵的技術參數(shù)達到高壓標準。改進柱塞式注水泵技術十分必要。改造柱塞式注水泵技術，強化其運行的穩(wěn)定性，提升綜合性能，可以延長使用壽命，減少設備費用投入，增加石油開采量，提高石油開采效率，構建現(xiàn)代高效的生產(chǎn)機制，促進油田企業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

1 工況簡介

本文選取某油田進行研究，近年來，油田注采工藝不斷進步，現(xiàn)代石油開采工作對柱塞式注水泵的易損件壽命、無故障運行時間提出了更高的要求。輸送介質(zhì)從清水到完全是油田回注水、清污混輸方向發(fā)展[1]。柱塞式注水泵的技術參數(shù)向高效節(jié)能、大排量、高壓方向發(fā)展。某油田分公司采油廠共有60座注水泵站，210臺(套)橇裝式注水泵組、各類柱塞式注水泵，電動機總容量為3.8×104kW，日供水設計能力達12×104m3。注水單耗為6.8 kW·h/m3。在役的注水泵為柱塞式注水泵，包括5ZB系列、5DS系列、3175系列、3125系列等。本文研究選取5個站點的污水注水泵作為研究對象，共有12臺污水注水泵。調(diào)查統(tǒng)計污水注水泵的故障情況。12臺污水注水泵共發(fā)生305次故障。其中：蓄能器失效8次，占2.62%；盤根壓帽損壞15次，占4.92%；柱塞損傷65次，占21.31%；填料失效103次，占33.77%；泵閥故障106次，占34.75%；其他故障8次，占2.62%。根據(jù)統(tǒng)計結果顯示，污水注水泵故障的主要原因是柱塞、填料、泵閥的故障，其累計高達90%。

2 柱塞式注水泵易損件壽命短原因分析

本文研究跟蹤比較污水注水泵易損件的使用時間，顯示不能達到企業(yè)標準的要求。根據(jù)技術規(guī)范要求，輸送含油污水額定排出壓力≤20 MPa時，泵閥無故障運行時間1600 h，填料壽命是1400 h，柱塞壽命是1300 h。但實際運行中，柱塞壽命僅為640～900 h。泵閥無故障運行時間僅為160～240 h。填料壽命僅為340～500 h。柱塞式注水泵易損件壽命短的原因主要包括：

1）部件結構的問題。無法隔離污水，并且潤滑條件惡劣，嚴重磨損填料，影響其使用時間。污水注水泵的柱塞填料，周圍是含顆粒污水，具有很強的腐蝕性[2]。金屬密封面配合閥芯與閥體。結構為上下分體泵閥結構。顆粒物在輸送污水過程中，導致閥體與閥芯密封不嚴，出現(xiàn)漏失的問題[3]。長此以往，就會導致泵閥故障，因為金屬密封面被破壞。

2）泵閥選材與柱塞填料問題。本文研究對柱塞材料進行測試，顯示表面為熱噴涂硬質(zhì)合金[4]。在輸送腐蝕性污水現(xiàn)場工作時，該噴涂材料容易脫落，從而損傷柱塞。甚至噴涂材料在僅使用640 h時，就出現(xiàn)脫落掉塊，拉毛柱塞。選用碳纖24錠編織材料作為污水注水泵現(xiàn)場使用的填料，該材料在污水下變硬，其密封彈性下降，使用壽命縮短[5]。本文研究的注水站污水注水泵，使用的填料壽命僅為450～507 h。測試污水注水泵的泵閥材料，顯示材料的耐磨性、耐腐蝕性為一般水平。材質(zhì)為2Crl3，含13%的防銹Cr元素。因此，材料選取需要改進，提升綜合性能，提高材料的耐磨性、耐腐蝕性，可以使用高等級材料，比如07Crl7Ni7A1、14Crl7Ni2等。

3 改進柱塞式注水泵技術措施

3.1 改進原理

本文改進柱塞式注水泵技術，為采購新注水泵提供選型依據(jù)，保障注水站正常運行，提高柱塞式注水泵的技術性能。在含顆粒介質(zhì)輸送時，大部分故障的原因是由于填料、柱塞的密封失效。填料軸向受壓縮后，徑向伸展，完成密封。由于填料緊裹柱塞，產(chǎn)生很少的泄漏，并不是無泄漏密封[6]。介質(zhì)有潤滑性的情況下，其減小了摩擦和磨損，是填料材料的潤滑劑，可以使其壽命延長。對于一切動密封，在流體動靜壓潤滑狀態(tài)下，密封性能差，泄漏大，液膜厚。在邊界潤滑狀態(tài)下，壽命短，磨損快，溫度高，摩擦大。在混合潤滑狀態(tài)下，泄漏率小，即便存在一定的泄漏，但相對比較理想，摩擦因數(shù)也趨于最小[7]。優(yōu)化設計柱塞式注水泵技術的密封系統(tǒng)，采取混合潤滑狀態(tài)，設置接觸區(qū)的液膜，對潤滑液壓力、柱塞速度進行合理控制，能夠使密封處于混合潤滑狀態(tài)。并且優(yōu)化填料材質(zhì)、柱塞表面處理工藝及密封結構形式，可以有效延長往復密封的壽命。綜合柱塞式注水泵的工況參數(shù)，改進柱塞式注水泵技術，優(yōu)化對比方案，從結構和材料方面改進回注油田污水的注水泵。

3.2 改進柱塞噴涂材料及連接方式

改進柱塞噴涂材料。柱塞式注水泵的柱塞涂層，選取45鋼基材表面超音速噴涂Ni60／WC復合金屬涂層，處理含顆粒腐蝕性污水介質(zhì)[8]，平衡材料的韌性與硬度，對涂層易剝落、易裂情況進行改進。涂層硬度達1000 HV，允許變形量超過8%。強度大于30 MPa。大幅提升材料的抗磨粒磨損性能、耐磨蝕性能，減少了填料的消耗，降低了密封填料的要求。

如圖1所示，應用柱塞自動調(diào)心技術，使用復式卡環(huán)連接，改進螺紋硬連接結構的柱塞與連接桿連接質(zhì)量。柱塞在密封函體導向套內(nèi)，始終保持直線運動，減少摩擦功耗，延長導向套、填料、柱塞的使用壽命。連接桿與柱塞可以有一定量的偏心。

圖1 柱塞自動調(diào)心結構圖

3.3 改進柱塞填料密封結構及材料

1）應用柱塞填料密封同步隔離技術。增設一個密封介質(zhì)腔，用于柱塞填料密封函體結構。與潤滑油罐上接。通過取壓通道可以平衡輸送介質(zhì)與介質(zhì)腔的壓力。填料與柱塞間的摩擦減少，在密封腔介質(zhì)的作用下，對柱塞進行潤滑，提升工作效率，并且增加易損件的使用時間。

2）改進填料材料。使用芳綸纖維矩形盤根、U形改性材料SD5，作為密封填料。相比碳纖24錠編織材料，芳綸纖維矩形盤根可承受的工作壓力更高[9]。阻流環(huán)中含有二硫化鉬、石墨、聚四氟乙烯，利用密封組合阻流隔環(huán)加補償彈簧、填料等，提高柱塞填料密封的自補償、自調(diào)整、自潤滑能力。每隔2道填料，增加1個阻流環(huán)，延長填料、柱塞的使用時間。組合填料密封結構如圖2所示。

圖2 組合填料密封結構

3.4 改進泵閥結構及材料

如圖3所示，過去的立式上下分體閥，改進使用螺旋導向復合密封錐型組合閥組。同一閥體上組合排液閥、進液閥。方便拆卸與安裝。非金屬密封材料應用于金屬閥芯錐面上。使用316/WC或者05Crl7Ni4Cu4Nb作為閥座材料，使結構的密封性能有效改善。直線型的閥芯導向翼，改進為具有一定角度的閥芯導向翼[10]。閥座孔上、下運動時，閥芯能夠轉動，更加均勻平衡閥密封面的磨損，使閥的壽命有效增加。

圖3 螺旋導向復合密封錐型組合閥

4 改進柱塞式注水泵技術應用分析

1）提升注水泵機組效率。該油田改進柱塞式注水泵技術，并在12臺污水注水泵中使用，獲得顯著的成效。改進柱塞式注水泵技術有效提升了注水泵機組的工作效率。根據(jù)油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測規(guī)范，監(jiān)測注水泵機組改進后的能耗情況。結果顯示，相比改進前的監(jiān)測能耗結果，改進后的注水泵機組的效率平均提高了10.82%。改進后平均機組效率達到82.46%，比72%的節(jié)能監(jiān)測限定值更高。改進后的注水單耗平均5.73 kW·h/m3，比改進前的注水單耗降低0.86 kW·h/m3。

2）延長了易損件壽命。改進該采油廠的12臺污水注水泵技術，結果顯示，易損件壽命有效增加。通過半年的跟蹤對比，顯示其應用效果明顯提升。改進后，泵閥的平均使用時間為2380 h，填料的平均使用時間為1563 h。柱塞的平均使用時間為1622 h。

3）降低了運行成本。改進柱塞式注水泵技術后，當期產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益92萬元，半年節(jié)約配件費102萬元。12臺污水注水泵技術經(jīng)過改進，年節(jié)約資金大約196萬元，年有功節(jié)電量為301.57×104kW·h。

5 結論

本文改進柱塞式注水泵技術中，綜合考慮各種影響因素，依據(jù)輸送含油污水工況實際，改進加工工藝、材料選用、結構設計等，增加易損件的使用壽命，從而解決制約油田注水關鍵設備的重要問題，泵閥的平均使用時間為2380 h，填料的平均使用時間為1563 h。柱塞的平均使用時間為1622 h，比改進前有效延長。監(jiān)測注水泵運行情況顯示，注水單耗比改進前明顯降低，并且注水泵平均機組效率比改進前明顯提升，取得良好的使用效果。