雙作用大排量柱塞式往復(fù)高壓泵的設(shè)計和應(yīng)用

蔣 偉，劉 鵬，孫曉松，張峰源，徐金亮

（中國石油集團(tuán)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

注水泵機(jī)組是油田注水的關(guān)鍵設(shè)備，為提高油田采油速度和采收率，注水開發(fā)是主要方法。油田油藏類型多樣，采取不同的注水系統(tǒng)，根據(jù)注水能力有大站系統(tǒng)和小站系統(tǒng)。大站系統(tǒng)主要是大排量的離心注水泵，用于高滲透、整裝大油田，壓力達(dá)到16 MPa 以上；采用調(diào)速運行注水泵機(jī)組，適應(yīng)配注量變化較大的區(qū)塊；采用增壓注水泵，適應(yīng)高于系統(tǒng)壓力的注水井。國內(nèi)油田油井大約60 余萬口，其中注水井10 余萬口，有超過5 萬臺的注水泵，平均單臺功率≥55 kW。注水泵效率與環(huán)境污染、能源消耗、采油成本等密切相關(guān)。據(jù)統(tǒng)計，55%以上注水量使用低轉(zhuǎn)速離心式、低效率、大排量注水泵，傳統(tǒng)的離心泵需要用大排量往復(fù)式高壓泵來替代。增壓注水泵用于高于系統(tǒng)壓力的注水井點，可以提高系統(tǒng)效率，促進(jìn)注水井增注。柱塞泵是應(yīng)用最多的增壓泵，有高進(jìn)高出型和低進(jìn)高出型，均有成熟的應(yīng)用技術(shù)；近年來，還出現(xiàn)倒置式增壓注水電動潛油泵、管道式電機(jī)多級增壓離心注水泵等。選取某油田為研究對象，分析設(shè)計雙作用大排量柱塞式往復(fù)高壓泵。

1 往復(fù)高壓泵的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 往復(fù)高壓泵的結(jié)構(gòu)

往復(fù)高壓泵有活塞泵、柱塞泵，柱塞泵的密封元件裝在靜止部件上，活塞泵的密封元件裝在活塞體上。根據(jù)所輸送介質(zhì)的要求，合理選擇材料，設(shè)置柱塞密封的填料箱，柱塞泵開關(guān)簡單，柱塞直徑不宜過小，通常為3～150 mm。液力端上裝有隔膜，隔膜泵是隔開柱塞工作缸與輸送介質(zhì)的過流部件。隔膜類型有膜筒形隔膜、膜片等，應(yīng)用最多的為膜片。液壓隔膜泵利用柱塞工作缸中液體壓力的周期變化工作[1]。隔膜泵輸送介質(zhì)不會外漏。在柱塞的吸入過程中，液壓隔膜泵需要消耗一定的能量。隔膜泵的余隙容積較大。要限制隔膜泵的往復(fù)次數(shù)，保證隔膜有足夠的疲勞壽命[2]。通常隔膜泵每缸流量范圍是1～10 m3/h。借助油與工作腔內(nèi)被輸送介質(zhì)的密度差，形成周期波，輸送流體的油隔離泵，流量可以較大，排出壓力不宜太高。往復(fù)次數(shù)較高時，會失去油隔離作用，往復(fù)次數(shù)通常＞60 次/min。為保證安全性，直接作用泵不易過載。裝置特性決定手動泵的揚程。人力在單位時間內(nèi)的操作均勻程度、操作次數(shù)，決定手動泵的流量和均勻程度[3]。計量泵也稱為比例泵、可變排量泵、調(diào)量泵，按照指示值，對輸送流體精確調(diào)節(jié)。計量泵具有計量儀器和泵的雙重作用。

1.2 往復(fù)高壓泵的工作原理

往復(fù)高壓泵分為兩部分，傳動端與液力端。傳動端將原動機(jī)的能量傳給液力端；液力端把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液體壓力能，直接輸送液體。傳動端主要有十字頭、連桿、曲柄等，液力端主要有吸入閥、柱塞、液缸體、排出閥等[4]。液缸體上有排出閥、吸入閥，液缸中有活塞桿和活塞，通過排出閥、吸入閥，與排出管路、吸入管路連接。當(dāng)曲柄以角速度ω 逆時針旋轉(zhuǎn)，從左極限位置開始，活塞向右移動，壓力降低，工作腔容積增大，液體進(jìn)入液缸中；到右極限位置時，吸入閥關(guān)閉[5]；轉(zhuǎn)過180°后，開始向左運動，液體壓力急驟增加；打開排出閥，液體被排送到管路中。以角速度ω 不停旋轉(zhuǎn)，往復(fù)高壓泵就會不斷排出液體、吸入液體。

2 雙作用大排量柱塞式往復(fù)高壓泵設(shè)計

2.1 設(shè)計方案

雙作用大排量柱塞式往復(fù)高壓泵包括液力端、動力端油缸及其附件、液壓站、閥組等，液壓站向動力端油缸提供動力，如圖1 所示。本方案的動力端采用液壓站直接驅(qū)動的方式，優(yōu)選缸體材料和柱塞。液力端活塞由動力端油缸活塞往復(fù)運動帶動，實現(xiàn)升壓注入。開關(guān)裝于液力端、動力端缸體間，使柱塞能夠及時準(zhǔn)確地?fù)Q向。

圖1 設(shè)計方案

2.2 受力分析

升壓注入泵的柱塞運動時，受力包括往復(fù)運動時的慣性力和液體壓力。提高泵的沖次，才能減小柱塞上的液體壓力，減少柱塞面積，保持一定的排量。但產(chǎn)生的慣性力就會增加，提高到一定程度，超過活塞壓力的減小值[6]。排量維持不變的條件下，慣性力和曲柄半徑、沖次的平方呈正相關(guān)，活塞面積和沖次呈反相關(guān)。往復(fù)高壓泵工作時，曲柄連桿機(jī)構(gòu)上的力包括運動副中的摩擦力、運轉(zhuǎn)構(gòu)件的慣性力、活塞上的液體壓力等。

2.3 雙作用往復(fù)高壓泵設(shè)計

如圖2 所示，雙作用往復(fù)高壓泵主要包括液力端、油缸、驅(qū)動裝置及其附件、電器控制柜、閥組等，液壓驅(qū)動裝置主要包括齒輪油泵、手動變量泵、油箱、壓力表、電液換向閥、濾油器等，動力端油缸的動力主要由液壓站提供[7]。液力端活塞由動力端活塞往復(fù)運動實現(xiàn)升壓注入，自動控制時自動實現(xiàn)往復(fù)運動，手動控制能夠?qū)崿F(xiàn)單向動作。只要改變泵的沖次，即可調(diào)節(jié)升壓泵的流量。調(diào)節(jié)手動變量泵輸送的液壓油量，實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)升壓泵排量。當(dāng)黏度降解率＜3%，容積效率＞90%，排出壓力為16 MPa。

圖2 無級調(diào)速升壓泵液路原理

2.3.1 液力端結(jié)構(gòu)

如圖3 所示，液力端結(jié)構(gòu)包括泵閥、活塞、缸體等。優(yōu)化閥組的結(jié)構(gòu)，簡化閥組的整體結(jié)構(gòu)，提高泵閥的可靠性。閥罩與導(dǎo)向架進(jìn)行一體化設(shè)計，減少故障點。優(yōu)化設(shè)計彈簧，合理匹配進(jìn)、出口彈簧的剛度。決定閥工作可靠性的關(guān)鍵參數(shù)，是閥組的開啟高度。優(yōu)化閥組開啟高度，保證過流面積，同時保證閥的響應(yīng)效率[8]。選擇滿足抗腐蝕要求的機(jī)體材料，以不銹鋼為主，耐腐蝕材料如38CrMoAl、6Cr18Mo、9Cr18Mo、2Cr13、1Cr18Ni9Ti 等。提高活塞和進(jìn)出口閥組的使用壽命，增加材料表面硬度和耐磨性，篩選耐腐蝕能力強(qiáng)、使用壽命長的機(jī)體材料。減少閥芯和閥座密封面寬度，降低閥組的啟閉阻力。閥門關(guān)閉時，快速切斷介質(zhì)的高分子鏈，增大介質(zhì)黏度降解率，避免抽絲現(xiàn)象。

圖3 液力端結(jié)構(gòu)

表面壓注的柱塞使用新型高強(qiáng)度工程塑料。柱塞骨架為1Cr18Ni9Ti，保證注層與芯體的結(jié)合力，注層厚度平均為2 mm，前端壓注新型高強(qiáng)度增強(qiáng)塑料，避免注層的脫落。注層材料自修復(fù)、自潤滑、耐磨性能良好，防腐防垢能力顯著，可以提升使用壽命。

2.3.2 動力端與控制系統(tǒng)

普通柱塞泵由電機(jī)直接帶動，噪聲高，振動大，泵換向沖擊大。為解決這一問題，采取液壓驅(qū)動代替電機(jī)驅(qū)動，如圖4 所示，為動力端結(jié)構(gòu)。動力端油缸的動力來自液壓站，液力端活塞由動力端油缸活塞往復(fù)運動帶動[9]。柱塞能夠及時準(zhǔn)確地?fù)Q向，可以解決噪音高、振動大、結(jié)構(gòu)變形嚴(yán)重等問題，同時提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在泵的出口，匹配緩沖補償裝置。改進(jìn)系統(tǒng)換向閥，并增加泵的剛度，改善泵的工作狀況。過去8 MPa的壓力波動幅值，下降到0.7 MPa；1.2 m3/h的流量波動幅值，下降到0.4 m3/h。大幅度降低泵換向時的噪聲與振動。

圖4 動力端結(jié)構(gòu)

相比普通三缸泵，雙作用大排量柱塞式往復(fù)高壓泵的安裝方便，重量輕，體積小，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。雙作用大排量柱塞式往復(fù)高壓泵沖次低，沖程長，缸徑大，運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，進(jìn)出口閥門的開關(guān)次數(shù)減少，容積效率高，可實現(xiàn)流量的無級調(diào)節(jié)。運轉(zhuǎn)時噪音非常低，液壓站可以單獨隔離。泵本身沒有電源，靠液壓站提供動力，對危險的作業(yè)場所尤其適用[10]。采用非接觸式限位換向開關(guān)，可以避免撞缸現(xiàn)象，準(zhǔn)確及時地進(jìn)行柱塞換向。

3 雙作用大排量柱塞式往復(fù)高壓泵的應(yīng)用

對于雙作用大排量柱塞式往復(fù)高壓泵，充分考慮泵換向時的沖擊問題，應(yīng)用液壓驅(qū)動的動力端。通過匹配合理的補償裝置，改進(jìn)換向閥結(jié)構(gòu)，改進(jìn)動力端的結(jié)構(gòu)，解決換向沖擊問題。試驗結(jié)果顯示，增加泵的剛度，匹配合理的緩沖補償裝置在泵的出口，改進(jìn)系統(tǒng)換向閥，明顯改善了泵的工作狀況，流量波動幅值降低到0.4 m3/h，壓力波動幅值降低到0.7 MPa，大幅度降低了泵換向時的振動和噪聲。

如圖5 所示，改進(jìn)前的液力驅(qū)動動力端輸出曲線在柱塞換向瞬間，鋸齒型波紋明顯，表示有較大的換向沖擊。其他工作時間，泵的工作比較穩(wěn)定，曲線接近一條直線，相對平滑。泵換向過程為最大峰值，改善措施是壓力補償。

圖5 改進(jìn)前動力端輸出曲線

如圖6 所示，改進(jìn)后的液力驅(qū)動動力端輸出曲線在柱塞換向瞬間，大幅度降低了鋸齒型波紋幅值，顯示降低了泵的換向沖擊。其他工作時間泵的工作比較穩(wěn)定，曲線接近一條直線。補償裝置合理匹配后，可解決換向沖擊問題。泵在工作過程中，泵座變形的主要原因是受力不均勻。工作中的運動部件最高受力80 kN，向泵座傳遞，導(dǎo)致泵座變形。為使力對稱分布，可以改進(jìn)泵座的結(jié)構(gòu)，增加剛度，避免泵體的變形。

圖6 改進(jìn)后動力端輸出曲線

相比三缸柱塞泵，工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用雙作用大排量柱塞式往復(fù)高壓泵的性能見表1。該泵降低了輸送介質(zhì)的黏度降解率，容積效率高，流量大，滿足應(yīng)用要求，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求。

表1 應(yīng)用性能數(shù)據(jù)

4 總結(jié)

根據(jù)生產(chǎn)實際，設(shè)計雙作用大排量柱塞式往復(fù)高壓泵，能夠有效增加流量，并且振動小，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，容積效率高，解決了其工作中存在的問題。