油田高壓往復(fù)注水泵泵閥故障及其改進技術(shù)

蔣偉，閻磊，劉鵬，宋健，生文博

（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

油田開采后，油層壓力逐漸下降，要向地層注水維持油層壓力，是提高采收率的重要方法，注水泵機組是油田注水系統(tǒng)的主要設(shè)備，我國油田普遍采用注水采油技術(shù)。通常采用的往復(fù)式注水泵，是采油廠重要生產(chǎn)設(shè)備。目前國內(nèi)對注水泵機組運行故障診斷處于起步階段，現(xiàn)場往復(fù)泵設(shè)備管理處于經(jīng)驗管理水平，采用事后維修方法。有必要開展往復(fù)泵故障診斷技術(shù)研究，提高設(shè)備制造維修質(zhì)量，避免生產(chǎn)事故發(fā)生。中石油公司多次立項對往復(fù)式注水泵開展研究，對往復(fù)式注水泵進行狀態(tài)監(jiān)測，取得顯著經(jīng)濟社會效益。體現(xiàn)在可早期發(fā)現(xiàn)注水泵故障征兆，保證注水安全進行；按注水泵狀態(tài)延長大修周期，減少不必要維修量，提高設(shè)備利用率；避免注水泵過分維修，避免人為隱患等不必要失誤。

1 往復(fù)注水泵故障診斷技術(shù)

故障診斷技術(shù)是測取機械在運行中的狀態(tài)信息，對測得信號進行分析處理，定量識別機械設(shè)備技術(shù)狀態(tài)，預(yù)知有關(guān)異常故障的技術(shù)狀態(tài)，確定必要對策技術(shù)。故障診斷實質(zhì)是狀態(tài)識別，診斷過程包括選擇參數(shù)、檢測設(shè)備狀態(tài)特征信號，從檢測到的特征信號中提取征兆，將參考模型與現(xiàn)有征兆按不同方式組成待檢模式，確定將待檢模式劃為哪類參考模式。往復(fù)式注水泵故障診斷是測取泵的信號、提取特征分量、利用數(shù)學(xué)方法推理、分析是否有故障并確定故障類型部位。

故障診斷是對機械設(shè)備工作狀態(tài)正常程度進行判斷，在事發(fā)前查明采取相應(yīng)決策、機械故障診斷是高度綜合交叉學(xué)科，現(xiàn)代故障診斷理論技術(shù)研究起源于20世紀(jì)60年代末，是研究設(shè)備運行狀態(tài)信息變化的科學(xué)[1]。故障診斷始于設(shè)備故障診斷，以可靠性理論、控制論為理論基礎(chǔ)，以計算機為技術(shù)手段，逐步形成的新興學(xué)科。20世紀(jì)70年代美國飛機診斷技術(shù)、瑞典軸承診斷技術(shù)取得顯著社會經(jīng)濟效益。20世紀(jì)80年代，日本在民用工業(yè)部門診斷技術(shù)方面發(fā)展較快。我國在冶金化工等領(lǐng)域研究取得卓越成效。大量研究表明，大型機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測是綜合性高新技術(shù)學(xué)科，可預(yù)防減少惡性事故的發(fā)生，保障人身及設(shè)備安全。故障診斷技術(shù)隨著設(shè)備技術(shù)歷史發(fā)展，設(shè)備維修科學(xué)化經(jīng)歷設(shè)備事后維修、定期點檢階段與預(yù)制維修階段。

往復(fù)式注水泵主要由動力端與液力端系統(tǒng)等部分組成，有旋轉(zhuǎn)運動與往復(fù)運動振源。其工作元件為柱塞，流量不均勻，往復(fù)式注水泵吸入排出分段進行，閥的開關(guān)產(chǎn)生對閥座的撞擊。柱塞泵常見易損件為密封件與金屬件，密封件主要損壞形式有磨損、橡膠件老化等。金屬件損壞形式有沖蝕、疲勞破壞等[2]。由于慣性力矩干擾或軸承缺陷引起載荷波動等。根據(jù)往復(fù)式注水泵結(jié)構(gòu)特點，國內(nèi)外學(xué)者進行大量研究，常用診斷手段包括振動分析法、油液分析法、溫度監(jiān)測法等。

振動測試分析是診斷往復(fù)式注水泵的基本手段，往復(fù)式注水泵各種運動幅的磨損、配合精度變化等通過振動信號得到反映，對振動信號分析可獲得反映往復(fù)式注水泵振動速度等信息。注水泵信號分析方法有頻域功率譜估計、時域特征分析。往復(fù)式注水泵許多零部件在摩擦條件下工作，溫度是反映某些部位狀態(tài)變化的敏感因子，對活塞等部位潤滑情況、反映泵閥等部件工作狀態(tài)有效。油液分析是從潤滑油中提取信息，對注水泵曲軸箱運動副的磨損情況進行監(jiān)測，是理想的輔助手段。包括油品老化性能分析技術(shù)、潤滑油料中磨粒成分光譜分析技術(shù)。有多種材質(zhì)摩擦副存在磨損故障，采用油液分析不能準(zhǔn)確區(qū)分故障部位。

2 往復(fù)泵結(jié)構(gòu)及工作原理

往復(fù)泵工作在泵缸中有活塞，泵缸上有閥室，泵缸中活塞與閥之間空間為工作室。活塞由泵缸左端向右移動，泵缸工作室容積加大，壓力降到大氣壓以下時，液池中液體進入吸入管，頂開吸入閥進入工作室，排出閥由于排出管中液體壓力壓住關(guān)閉[3]?；钊浦劣叶耍ぷ魇胰莘e最大，活塞向左移動，推開排出閥進入排入管，吸入閥被缸內(nèi)液體壓住，活塞移至左端，完成工作循環(huán)，活塞向右移動，往復(fù)泵重復(fù)地不斷工作。

活塞在泵缸兩端間往復(fù)移動，活塞在死點間移動距離為活塞沖程，每個工作循環(huán)有一個吸入排出沖程。往復(fù)泵是容積式水力機械，依靠在泵缸內(nèi)往復(fù)運動活塞改變工作室容積，由于泵主要工作部件在泵缸內(nèi)運動為往復(fù)式運動稱為往復(fù)泵。往復(fù)式注水泵為柱塞泵，將原動機能量傳給柱塞傳動部分，通常分為動力端與液力端。動力端由減速機構(gòu)、曲軸主軸承、連桿大頭軸瓦、十字頭銷、支架等組成，作用是將動力機旋轉(zhuǎn)運動變成往復(fù)直線運動。液力端由泵頭體、進液閥、浮動套等組成，作用是將動力端提供的機械能轉(zhuǎn)化為液壓能。

往復(fù)泵瞬時流量為脈沖，液體介質(zhì)吸入排出過程交替進行，速度在不斷變化，工作腔泵中泵瞬時流量隨時間變化，瞬時流量脈動幅度減小[4]。平均流量理論上是恒定的，泵的流量取決于主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，與排出壓力無關(guān)，與輸送介質(zhì)理化性質(zhì)無關(guān)。泵的壓力取決于管道特性，往復(fù)泵排出壓力不能由泵限定，如果輸送液體不可壓縮，理論上認為往復(fù)泵排出壓力不受限制。所有往復(fù)泵有泵排出壓力規(guī)定，不允許超出排出壓力使用。往復(fù)泵由于液力端材料限制會遇到不能適應(yīng)的情況。往復(fù)泵有良好的吸入性能，啟動前不需灌泵。

柱塞泵工作通過電動機提供泵的動力，聯(lián)軸器帶動曲軸旋轉(zhuǎn)。曲柄逆時針旋轉(zhuǎn)，液缸內(nèi)容積增大，吸水池液體在壓力差下克服吸入管路等助力損失進入液缸，曲柄轉(zhuǎn)過180°角后柱塞向左移動，液缸內(nèi)壓力增加，吸入閥關(guān)閉，排出閥打開，液體被排送到管路中，柱塞不斷吸入排出液體。柱塞泵是進行能量傳遞的機械，把動力機械能傳遞給抽送液體。柱塞泵是泵站中的主要設(shè)備，柱塞泵的設(shè)計制造、安裝運行對工程投資影響很大，與降低成本有密切關(guān)系。

3 往復(fù)泵故障診斷方法

由于柱塞泵通常需要將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為往復(fù)運動，運動形式多樣化。其特點體現(xiàn)在振動隨負荷變化，同時發(fā)生多種振動。柱塞撞擊缸體引起振動等同時發(fā)生，運動部件出現(xiàn)機械故障，難以從振動信號中檢查激勵力變化情況。從敏感點選擇確定比較困難。柱塞泵故障類型主要分為結(jié)構(gòu)性故障與性能故障。結(jié)構(gòu)性故障包括零件磨損、油路堵塞等；性能故障表現(xiàn)為力學(xué)性能指標(biāo)達不到要求，如轉(zhuǎn)速波動較大等。

對柱塞式注水泵進行故障診斷前應(yīng)對其結(jié)構(gòu)有全面了解，為掌握注水泵運行中的癥狀，必須對分離部件進行故障機理研究，對系統(tǒng)進行故障機理研究。柱塞泵故障主要原因是缸體與十字頭磨損嚴(yán)重、盤根總成損壞、軸瓦損壞等。設(shè)備故障使設(shè)備運行功能失常，從診斷對象出發(fā)是設(shè)備輸入與預(yù)期輸出不相容。相應(yīng)故障診斷是對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行判斷，包括狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)測等方面。

注水泵故障診斷過程包括信號采集、處理與特征提取。設(shè)備運行中產(chǎn)生振動、聲音等量的變化，從不同方面反映注水泵系統(tǒng)運行狀態(tài)。選擇充分表征設(shè)備工作狀態(tài)的測試量非常必要。信號采集是后續(xù)工作的基礎(chǔ)，信號采集建立在對測點選取基礎(chǔ)上實現(xiàn)。通常利用現(xiàn)場采集信號判斷設(shè)備運行情況，查明隱含故障困難，需要對采集的信號分類處理，如對振動信號進行濾波等。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，信號處理手段日新月異，如何選取合適的處理方法成為故障診斷工作的重點。

特征提取階段是將信號處理特征參數(shù)與規(guī)定參數(shù)進行比較，以確定設(shè)備所處狀態(tài)，合理分析模型，清晰表示復(fù)雜故障特征。分析診斷階段主要工作是根據(jù)信號特征提取結(jié)果，對設(shè)備狀態(tài)進行判斷，判斷故障程度，決定采取的對策措施，預(yù)測設(shè)備將來發(fā)生的故障趨勢。柱塞式注水泵故障診斷是揭示故障存在部位，預(yù)知故障發(fā)展趨勢。柱塞式注水泵是大型旋轉(zhuǎn)機械部件，在石油工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由于往復(fù)泵種類繁瑣、零部件多、發(fā)生故障多樣，難以找到綜合性監(jiān)測指標(biāo)對注水泵性能進行監(jiān)測，需對不同部件故障模式進行詳細分析，選擇合適的手段完成部件狀態(tài)監(jiān)測診斷。

圖1 往復(fù)式注水泵外形圖

圖2 往復(fù)式柱塞泵示意圖

4 高壓往復(fù)泵泵閥故障改進

3H-8/450II型高壓往復(fù)式注水泵為油田注水泵工程主力設(shè)備，隨著油田后期注水開發(fā)持續(xù)進行，部分區(qū)塊因注水泵設(shè)備故障導(dǎo)致欠注嚴(yán)重。注水泵工作中泵閥工況惡劣，據(jù)統(tǒng)計，80%的故障由于閥桿斷裂引起。根據(jù)泵閥故障特征，對國產(chǎn)3H-8/450II型高壓往復(fù)注水泵結(jié)構(gòu)進行分析，改進國產(chǎn)3H-8/450II型高壓往復(fù)注水泵技術(shù)參數(shù)包括揚程H為4500 m,閥孔直徑dk=25 mm,流量Qtf=8 m3/h,柱塞沖次n=416 min-1。

分析泵閥故障問題包括：閥桿頻繁斷裂、閥的導(dǎo)向無法保證閥桿同軸度要求。斷裂部位主要是閥桿頸部退刀槽處，易引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致閥桿頸部斷裂。同軸度靠缸體內(nèi)孔形位公差保證，閥座與閥桿零件加工難度大，同心度不易達到要求，閥桿斷裂后易破壞缸體內(nèi)側(cè)表面，為拆裝帶來困難。對出現(xiàn)的問題進行分析，閥導(dǎo)向套兼有升程限制器作用，閥材質(zhì)為9Cr18，設(shè)計硬度為55～60 HRC，泵閥升程限位受力處有退刀槽，熱處理受熱不均產(chǎn)生應(yīng)力集中。閥桿間隙小，閥桿受側(cè)向力大，最初改進考慮增加閥桿強度。閥桿頸部退刀槽改為圓弧角過渡，加大閥桿導(dǎo)向間隙。改進后閥壽命增加，但問題未得到根本解決，需要對泵閥設(shè)計進行核算。

圖3 改進前后泵閥導(dǎo)向定位結(jié)構(gòu)對比

根據(jù)往復(fù)泵單向閥設(shè)計庫克列夫斯基條件，單向閥關(guān)系hmax=（700～500）÷416=1.683～1.803 mm，閥升程設(shè)計偏大，使閥不能平穩(wěn)工作。閥孔面積Ac=（π/4）d2k,閥孔最大流速Ccmax=Qmax/Ac=3.556 m/s。為保證通用性，將吸入設(shè)計成相同尺寸。分析表明泵設(shè)計升程過高，密封面壽命降低，影響閥座同軸度。閥孔最大流速過高，閥桿直徑較小，熱處理受熱不均易產(chǎn)生應(yīng)力集中。

根據(jù)計算分析，對泵閥進行改進。將泵閥打開時升程限位點改到閥盤密封面背面，閥桿根部圓弧過渡，避免應(yīng)力集中，提高產(chǎn)品使用壽命；將缸體閥座腔孔定位改為閥座閥套一體定位，加工精度與同心度易滿足使用要求。閥升程降到4 mm，閥孔直徑增大到32 mm。Ccmax=2.17 m/s,泵吸入狀況改善。通過改進泵的故障停運率降低80%，泵閥使用壽命延長至4個月，減輕注水泵設(shè)備維修勞動強度。為確保注水量不受影響，對閥內(nèi)部局部改造，由于流道尺寸限制，更好的整改方案未實施，有待在新泵制造中完成。