注水泵震動(dòng)過大的原因分析及改造措施

陳陽，周維洪，張方海

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300452；2.中海油中聯(lián)公司神府分公司，陜西 神木 719300；3.中海油能源發(fā)展股份有限公司湛江采油服務(wù)文昌分公司，廣東 湛江 524000)

0 引言

在海上某油田區(qū)域的移動(dòng)式采油平臺(tái)，號(hào)稱可移動(dòng)式的“石油天然氣的海上加工廠”，它處于產(chǎn)業(yè)鏈的上游，是石油天然氣的源頭。該平臺(tái)的生產(chǎn)工藝系統(tǒng)分為原油處理系統(tǒng)、天然氣處理系統(tǒng)、生產(chǎn)污水處理系統(tǒng)、注水系統(tǒng)、開閉排系統(tǒng)、火炬系統(tǒng)等工藝處理系統(tǒng)。其中，注水系統(tǒng)是海上油田生產(chǎn)污水經(jīng)污水處理系統(tǒng)處理合格之后，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)污水回注的關(guān)鍵系統(tǒng)，注水泵一旦發(fā)生損壞無法運(yùn)轉(zhuǎn)，將導(dǎo)致注水系統(tǒng)癱瘓，進(jìn)而導(dǎo)致油田停產(chǎn)。

該平臺(tái)自投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)以來，注水系統(tǒng)的核心設(shè)備—注水泵常常出現(xiàn)震動(dòng)過大的現(xiàn)象，不僅引起了平臺(tái)其他設(shè)備及附屬管線的震動(dòng)，而且給平臺(tái)生產(chǎn)工藝操作人員及設(shè)備維修人員帶來了較多的工作量，注水泵隨著震動(dòng)加大，泄漏量也逐漸加大，需要生產(chǎn)操作人員頻繁轉(zhuǎn)移泄漏的廢液；同時(shí)，震動(dòng)過大引起注水泵的氣囊等部件頻繁損壞。為此，針對(duì)震動(dòng)過大的問題，進(jìn)行仔細(xì)觀察，經(jīng)過全面剖析，找到了問題的根本原因，并從根本上解決，實(shí)現(xiàn)降本提質(zhì)增效。

1 生產(chǎn)概況與存在問題

在油田投產(chǎn)初期，由于生產(chǎn)工藝系統(tǒng)分離出的生產(chǎn)污水較少，平臺(tái)為滿足配注指標(biāo)，通過摻入大量的水源井的地層水進(jìn)行注水，注水泵運(yùn)行基本穩(wěn)定。生產(chǎn)污水處理及回注工藝流程如圖1所示。但是隨著開采時(shí)間的推移，油田綜合含水率逐漸上升，生產(chǎn)污水量逐步由一天幾十立方米上升至一千立方米左右，注水泵運(yùn)轉(zhuǎn)過程中一系列故障現(xiàn)象開始頻繁出現(xiàn)，對(duì)油田持續(xù)穩(wěn)定注水造成了很大影響。其主要故障現(xiàn)象表現(xiàn)如下：

圖1 生產(chǎn)污水處理及回注工藝流程簡(jiǎn)圖

(1)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪音增大；

(2)震動(dòng)加劇，造成泵的出口管線及管線上的附屬儀表設(shè)備異常震動(dòng)；

(3)兩臺(tái)注水泵儲(chǔ)能器需要經(jīng)常充氮?dú)猓揖霈F(xiàn)了氣囊破裂現(xiàn)象；

(4)兩臺(tái)注水泵泵閥彈簧都出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

2 探究分析，確定要因

針對(duì)以上出現(xiàn)的現(xiàn)象，通過機(jī)械維修人員和廠家的技術(shù)支持，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了一系列分析，并開展了相關(guān)檢修作業(yè)如下。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)注水泵泵體對(duì)中有無問題

平臺(tái)的施工改造作業(yè)以及吊裝貨物等其他作業(yè)，會(huì)引起甲板的承重發(fā)生變化，進(jìn)而引起泵撬或者注水泵艙甲板結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，是否導(dǎo)致泵的對(duì)中有問題。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)三臺(tái)泵(兩臺(tái)注水泵及一臺(tái)壓裂泵)進(jìn)行了逐一對(duì)中檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)均滿足安裝要求。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)注水增壓泵是否排量不足

針對(duì)可能是因?yàn)樽⑺蒙嫌蔚淖⑺鰤罕门帕坎蛔?，?dǎo)致注水泵高震動(dòng)?，F(xiàn)場(chǎng)通過清洗注水增壓泵進(jìn)口濾器，并啟動(dòng)了兩臺(tái)注水增壓泵(均為離心泵)做試驗(yàn)。油田單臺(tái)注水增壓泵的排量為64 m3/h，而注水泵排量為32 m3/h。啟動(dòng)兩臺(tái)注水增壓泵后發(fā)現(xiàn)注水泵運(yùn)行時(shí)狀態(tài)仍無明顯好轉(zhuǎn)，說明注水泵入口的流量由單臺(tái)注水增壓泵就已經(jīng)滿足其供液要求。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)是否蓄能器氣囊壓力設(shè)定不合適

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行期間觀察，發(fā)現(xiàn)每次震動(dòng)高或者噪音大時(shí)，進(jìn)行拆卸蓄能器氣囊檢測(cè)均發(fā)現(xiàn)其氣囊壓力降低了，或出現(xiàn)破裂了。油田現(xiàn)場(chǎng)按照廠家技術(shù)規(guī)格書要求先后進(jìn)行了多次壓力充裝試驗(yàn)，但是仍未根本解決高震動(dòng)高噪音問題，反而出現(xiàn)氣囊多次破損現(xiàn)象。因此分析氣囊不是導(dǎo)致前述故障現(xiàn)象發(fā)生的根本原因，而是有其他因素導(dǎo)致蓄能器氣囊損壞和高震動(dòng)的產(chǎn)生。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)是否新采購(gòu)的相關(guān)備件質(zhì)量問題

油田對(duì)兩臺(tái)注水泵均更換了新采辦的彈簧，彈簧材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti，經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)注水泵均是運(yùn)轉(zhuǎn)4天后運(yùn)轉(zhuǎn)聲音就加劇，出口管線震動(dòng)也加劇。機(jī)械維修人員在拆檢注水泵過程中，對(duì)泵體解體后發(fā)現(xiàn)彈簧均出現(xiàn)不同數(shù)量的斷裂和損壞。發(fā)現(xiàn)新更換的第二批1Cr18Ni9Ti閥彈簧有6件，其中損壞了5件，其中一個(gè)吸入閥的導(dǎo)向爪斷裂，由此判斷廠家新提供的彈簧可能存在材質(zhì)問題導(dǎo)致斷裂。同時(shí)發(fā)現(xiàn)閥和閥座上出現(xiàn)不同程度的麻點(diǎn)，初步判斷可能是輸送的生產(chǎn)水有一定的腐蝕性，或者是由于泵內(nèi)產(chǎn)生汽蝕造成的。另外，出口蓄能器皮囊損壞。

經(jīng)過重新更換4Cr13材質(zhì)的閥彈簧和出口蓄能器，并充氣達(dá)到合適壓力。再次重新啟動(dòng)注水泵運(yùn)行，入口0.36～0.4 MPa，出口壓力表為1.8 MPa較穩(wěn)定。運(yùn)轉(zhuǎn)5小時(shí)后入口壓力表為0.32～0.4 MPa，與啟泵初期入口壓力表波動(dòng)和入口管線震動(dòng)均有所加大，繼續(xù)運(yùn)行觀察，大約10 h后注水泵出現(xiàn)異常，每隔3～5 s異常聲音響一次，同時(shí)進(jìn)出口壓力表指針劇烈擺動(dòng)一次，通過液缸體上放氣螺栓放氣約10 min，現(xiàn)象沒有消除。該現(xiàn)象可能是由于泵內(nèi)集氣太多，造成個(gè)別缸的閥門不能正常工作。停泵后通過拆檢檢查閥及閥彈簧等零部件均完好后重新組裝，蓄能器壓力均正常。由此排除了由于備件材質(zhì)質(zhì)量問題引起的損壞故障。

2.5 現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)是否注水泵泵腔有大量氣體導(dǎo)致震動(dòng)加劇、噪音增大

在發(fā)現(xiàn)問題進(jìn)行分析原因后，現(xiàn)場(chǎng)在注水泵出口放氣管線上多次排氣試驗(yàn)，均發(fā)現(xiàn)有大量氣體，且多次長(zhǎng)時(shí)間排放后，重新啟動(dòng)注水泵運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)現(xiàn)狀態(tài)有較為明顯的好轉(zhuǎn)。因?yàn)樾柽M(jìn)一步全面分析產(chǎn)生大量氣體的根本原因。

在該油田投產(chǎn)初期，注水泵運(yùn)行基本保持平穩(wěn)，因?yàn)樵谟吞镩_發(fā)初期，油田的生產(chǎn)工藝處理系統(tǒng)分離出來的生產(chǎn)污水較少，因而進(jìn)入生產(chǎn)水艙的高溫生產(chǎn)污水也很少。平臺(tái)為了滿足配注的需要，在注水泵上游的凈水艙中摻入了大量的水源井的水源。由于水源井水源的溫度只有45～50 ℃，而生產(chǎn)工藝處理系統(tǒng)分離出來的水基本上接近90 ℃(主要是二級(jí)分離器分離脫出的水，且該流程無海水冷卻器而直接進(jìn)入生產(chǎn)水艙)；兩者混合之后的注水水源溫度相對(duì)較低，在50 ℃左右。

隨著油田開發(fā)時(shí)間的推移，各口油井的含水率逐步上漲，生產(chǎn)污水由初期的幾十立方米、幾百立方米逐步上升到接近一千立方米；這就導(dǎo)致注水水源溫度上升到接近70 ℃。以前50 ℃的水源經(jīng)過注水增壓泵(離心泵)后基本不會(huì)產(chǎn)生氣體，再供給給注水泵，注水泵能夠基本正常工作。然而，但當(dāng)注水水源溫度上升到70 ℃甚至有時(shí)更高后，再經(jīng)過離心泵后可能產(chǎn)生了部分的氣體。

再加上由于注水增壓泵出口(即注水泵入口)管線至注水泵吸入口，設(shè)計(jì)有一段倒U形管，易造成注水泵入口管線易于集氣。當(dāng)氣體達(dá)到一定容積時(shí)，就會(huì)引起注水泵的吸入狀態(tài)變差，隨著運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，最終造成注水泵氣蝕，引起注水泵進(jìn)出口管線震動(dòng)過大。最終體現(xiàn)在閥及閥彈簧經(jīng)常損壞，注水泵進(jìn)出口管線劇烈震動(dòng)，嚴(yán)重影響平臺(tái)的正常生產(chǎn)。

3 主要技術(shù)對(duì)策與實(shí)施效果

注水泵通常是柱塞泵或多級(jí)離心泵，利用電力向電動(dòng)機(jī)輸送，從而使泵用設(shè)備通過電動(dòng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)。曲柄連桿機(jī)構(gòu)是高速旋轉(zhuǎn)電機(jī)動(dòng)力端的主要機(jī)械單元裝置。在此機(jī)械單元，實(shí)現(xiàn)將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為往復(fù)活塞運(yùn)動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，往復(fù)泵缸容積會(huì)發(fā)生不同程度的變化。液體不斷吸入和排出，只有當(dāng)注入壓力達(dá)到預(yù)定目標(biāo)時(shí)，才能完成注水[1]。

柱塞泵是屬于液態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)重要裝置，它通過柱塞在缸套中的反復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而使密閉的缸體容器密度發(fā)生變化來實(shí)現(xiàn)吸油、壓油等一系列實(shí)用性功能[2]。

通過利用柱塞泵的工作原理分析得知，柱塞泵的震動(dòng)是由于供液不平穩(wěn)，柱塞泵的壓力變化所引起的，通常表現(xiàn)為進(jìn)出口管線的震動(dòng)。而管線的震動(dòng)是由壓力的波動(dòng)引起的，壓力的波動(dòng)又是由流量波動(dòng)引起的。其關(guān)系表現(xiàn)為：流量波動(dòng)→壓力波動(dòng)→管線震動(dòng)。

當(dāng)泵的吸液和排液交替進(jìn)行時(shí)，各個(gè)零部件的振動(dòng)信號(hào)會(huì)依次反映在往復(fù)泵的表面。為了區(qū)分油田往復(fù)泵產(chǎn)生的故障是否應(yīng)該維修，需要對(duì)油田往復(fù)泵常見故障進(jìn)行分析和總結(jié)[3]。經(jīng)過前面一系列相關(guān)原因的全面分析排查，結(jié)合注水泵的工作原理，綜上所述提出以下幾點(diǎn)整改解決措施。

(1)對(duì)注水泵的入口管線進(jìn)行改進(jìn)，在倒U形管的最頂端增設(shè)放氣閥和放氣管線，操作人員巡檢時(shí)每2 h進(jìn)行定期排放一次頂部集聚的氣體。

(2)合理控制蓄能器預(yù)設(shè)壓力。

(3)選取合適的閥彈簧材質(zhì)，以避免閥彈簧過快損壞。

(4)設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，注水增壓泵出口旁通閥門保持全關(guān)，以保證注水泵的入口供水量，如因注水泵排量較配注量大則采用注水泵回流方式控制。

(5)定期倒泵清洗注水增壓泵濾器，以免造成注水增壓泵的供液不足，從而導(dǎo)致注水泵的入口供水量不足。

平臺(tái)根據(jù)以上整改措施，進(jìn)行落實(shí)完成整改之后，噪音過大問題、震動(dòng)過大問題均極大地降低，有效解決了注水泵及管線頻繁震動(dòng)過大的問題，規(guī)避了導(dǎo)致發(fā)生油田關(guān)斷和跑冒滴漏事故的風(fēng)險(xiǎn)。保障了油田持續(xù)穩(wěn)定注水，還減少了設(shè)備檢修工作量和更換成本。

另外，結(jié)合注水泵的工作原理，進(jìn)行合理確定蓄能器氣囊中的預(yù)壓力，它亦是消除柱塞泵震動(dòng)的根源。當(dāng)蓄能器預(yù)壓力過低或過大時(shí)，蓄能器基本上起不到降低壓力波動(dòng)的作用。在預(yù)壓力的選取上，除考慮消波效果外，還應(yīng)顧及到氣囊的壽命，預(yù)壓力過高，氣囊壽命相對(duì)較短。排出蓄能器的預(yù)壓力不超過極限壓力的60%；吸入蓄能器的預(yù)壓力是進(jìn)口平均壓力的80%。

目前兩臺(tái)注水泵運(yùn)轉(zhuǎn)一直非常穩(wěn)定。注水泵出口管線未出現(xiàn)震動(dòng)現(xiàn)象，注水泵各輔助配件均未再出現(xiàn)損壞事件，儲(chǔ)能器氣囊也未進(jìn)行過氮?dú)庋a(bǔ)充。不僅充分地保障了油田注水持續(xù)穩(wěn)定，還大大減少了設(shè)備檢修工作量和設(shè)備更換成本。

通過對(duì)柱塞泵故障現(xiàn)象進(jìn)行分析，提出改善柱塞泵震動(dòng)的幾個(gè)方案，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，在不影響正常生產(chǎn)的前提下，利用一些可行性措施解決了柱塞泵震動(dòng)問題，經(jīng)改造后，取得了很好效果，為今后解決柱塞泵震動(dòng)提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，根據(jù)解決柱塞泵震動(dòng)的對(duì)策，進(jìn)一步優(yōu)化工藝操作，通過加裝放氣閥、優(yōu)化蓄能器壓力等措施后，泵一直運(yùn)行平穩(wěn)，故障率明顯降低，滿足工藝流程需要，提高了設(shè)備的運(yùn)行周期，從而穩(wěn)定設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，降低設(shè)備檢修費(fèi)用以及備件更換成本，提高了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，達(dá)到降本增效的目的。

4 結(jié)語

在發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)工藝流程的關(guān)鍵設(shè)備注水泵存在震動(dòng)較大的現(xiàn)象后，能夠及時(shí)組織機(jī)械維修人員對(duì)故障泵進(jìn)行檢修，更換損壞備件，總結(jié)目前設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，結(jié)合以前豐富的現(xiàn)場(chǎng)流程管理實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用自身專業(yè)知識(shí)和扎實(shí)的工作能力，從設(shè)備工作原理入手，解決了這一困擾影響正常生產(chǎn)的棘手問題。

雖然這一技改項(xiàng)目的處理解決方法不是很復(fù)雜，但是此項(xiàng)目對(duì)自身專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)要求比較高，需要在掌握設(shè)備工作原理的同時(shí)，融會(huì)貫通，靈活運(yùn)用，通過從現(xiàn)象看本質(zhì)存在的問題來分析從而找到解決辦法，充分展現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)工作人員發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、處理問題的能力。通過設(shè)備故障的表象和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)細(xì)致觀察分析，注水泵入口倒U形彎加裝放氣閥、根據(jù)注水壓力合理調(diào)整蓄能器壓力等措施之后，正常工況下沒有再次出現(xiàn)注水泵頻繁震動(dòng)等故障的現(xiàn)象，從而使設(shè)備能夠穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，提高了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，達(dá)到降本增效的目的。

柱塞泵在石油化工生產(chǎn)裝置中有著廣泛的應(yīng)用，解決柱塞泵使用中遇到的故障、問題非常重要，對(duì)石油化工生產(chǎn)裝置的正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，能夠給生產(chǎn)裝置提供足夠的動(dòng)力。但是，在柱塞泵的使用和維護(hù)中，有很多問題需要引起注意，其中包括流程狀態(tài)發(fā)生變化、蓄能器壓力控制、流程設(shè)計(jì)缺陷等等，通過對(duì)柱塞泵震動(dòng)原因的分析處理，以及加強(qiáng)工作中的預(yù)防性維修，不僅能夠使裝置運(yùn)行得更穩(wěn)定，而且能夠延長(zhǎng)柱塞泵的使用壽命，降低生產(chǎn)作業(yè)成本以及維修工作量。