注水系統(tǒng)故障分析與解決方案

孫善智

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452）

某油田共設置有3臺柱塞式注水泵，生產(chǎn)廠家均為某水泵業(yè)有限公司。其中注水泵P-4001A/B排量為32 m3/h，額定排出操作壓力為10 MPa，吸入口要求壓力為300 kPag，壓裂泵P-4002排量為20 m3/h，額定排出操作壓力為14 MPa，吸入口要求壓力為300 kPag。油田按照當前配注量運行1臺壓裂泵，另外2臺注水泵處于備用狀態(tài)。

1 現(xiàn)有問題

某油田自2017年10月3日投產(chǎn)之日起即啟動注水泵注水。隨著油井開啟數(shù)量的增加和產(chǎn)液量的增加，油田生產(chǎn)工藝處理系統(tǒng)處理分離出來的的水量也逐漸增加。注水泵運轉過程中逐漸出現(xiàn)了一系列故障現(xiàn)象，對油田的持續(xù)穩(wěn)定注水造成了很大影響。其主要故障現(xiàn)象如下：運轉時噪音增大、振動加??；造成泵出口管線及管線上的儀表設備異常振動、2臺注水泵儲能器氣囊需要經(jīng)常充氮氣；且均出現(xiàn)了氣囊破裂現(xiàn)象；2臺注水泵本體柱塞受損；2臺注水泵泵閥彈簧都出現(xiàn)了斷裂現(xiàn)象。

1.1 注水泵裝置的主要工作原理簡述

注水泵的主要工作原理：在泵體的內部注滿適當?shù)囊后w之后，內部的葉輪部件在電動機的驅動之下進行高速的旋轉，葉片間的液體處在離心運動的狀態(tài)之下，并且會在具有較高的速度及壓力的條件下從葉輪部件的進口處向出口處甩出，最后液體匯集到泵體之內，生成了具備特定壓力及速度的液體物質，由泵體的出口向外排出。與此同時，因為葉輪中的液體在離心力的作用下被甩了出去，此時在葉輪部件的中心區(qū)域吸入口位置將會形成一個具有負壓的空間，這樣就可以讓水池或者水罐中的液體在大氣壓強的作用之下，順著進口的管路被吸進葉輪內部。葉輪部件在高速旋轉的時候，一方面持續(xù)吸進液體，另一方面持續(xù)地為吸入的液體賦予一定程度的能量（主要包含動能及壓能），之后相關的液體會排出到泵體之外[1]。注水泵裝置如圖1所示。

圖1 注水泵

1.2 注水泵裝置的工作情況分析

自從注水泵裝置投入生產(chǎn)運行后，伴隨著工作時間的累積，相關零部件出現(xiàn)了一定程度的老化現(xiàn)象，初始的工況也出現(xiàn)了顯著的變化。

第一，因為油田系統(tǒng)開發(fā)工程過程中要求的注水井注入壓力的持續(xù)提升，注水泵的壓力也在持續(xù)增大，某些注水泵裝置的工作壓力已經(jīng)達到了16.6 MPa左右，顯著大于注水泵裝置的許用壓力數(shù)值（注水泵的額定壓力為15.5 MPa）。此類在超壓情況下工作的注水泵裝置非常容易出現(xiàn)安全生產(chǎn)相關的事故。

第二，注水泵裝置內部的運動相關的零部件都有可能出現(xiàn)疲勞類型的損耗，5副曲軸的連接瓦部件及曲軸部件在工作過程中始終受到了周期性的力的載荷，伴隨著工作時間的累積，可能發(fā)生連接桿的瓦面出現(xiàn)破損、曲軸部件的軸頸發(fā)生顯著的磨損等等問題和故障。

第三，注水泵裝置的所有的運動副之間的間隙可能隨著工作時間的累積而加大，因為長期的工作，十字頭部件及十字頭部件的銅套部分、連桿部件的大頭瓦部分及小頭瓦部件有可能出現(xiàn)非常顯著的磨損情況，各個運動副之間的間隙如果發(fā)生加大將會造成注水泵的泵體出現(xiàn)比較劇烈幅度的振動問題，注水泵在工作的過程中發(fā)出的噪音也將會明顯增加，泵體中的機油物質的溫度將會出現(xiàn)大幅度的升高，曲軸箱部位的潤滑油位置的溫度數(shù)值將會達到55℃上下的范圍，不利于注水泵裝置的正常穩(wěn)定工作。

2 工作環(huán)境中的污水水質對于注水泵裝置的不利影響

2.1 工作環(huán)境中污水的主要危害

在油田系統(tǒng)的實際生產(chǎn)過程之中，為實現(xiàn)用水節(jié)約化并且實現(xiàn)生產(chǎn)污水零排放的目的。通常情況下現(xiàn)場生產(chǎn)人員是把原油生產(chǎn)處理系統(tǒng)中產(chǎn)生的生產(chǎn)污水通過油水分離操作、脫氧操作及殺菌操作等方式進行污水處理之后再注回到油層之中。在這個過程中，盡管相關的污水已經(jīng)進行了一定程度的凈化操作，不過注回去的水資源依舊是一種含有油（及其聚合物成分）的污水，通常情況下屬于是偏堿性的水質，其硬度數(shù)值偏低，鐵元素的含量非常少，水質實現(xiàn)達標的概率比較低；并且另一方面，因為污水在油田的生產(chǎn)過程中是處于反復循環(huán)應用的情況，所以其中的懸浮物、人造的添加物質等有害物質的含量相對來說較高，這樣的污水在長期使用的過程中將會導致注水泵的各個部件出現(xiàn)腐蝕、堵塞或者結垢等情況。這些問題中，以腐蝕問題的危害程度最為嚴重[2]。

綜合油田系統(tǒng)生產(chǎn)過程中油藏的主要特征（可能屬于低孔、低滲凝析類型的油藏）及產(chǎn)出液體的主要特性（比較高礦化程度的情況），油田系統(tǒng)的各類金屬材質的管道設施和裝置受到腐蝕的程度相對來講比較嚴重，尤其是對于含油污水進行凈化處理的相關系統(tǒng)中，各類金屬材質的管道設施和裝置受到腐蝕的程度更為嚴重，某些金屬材質的管道設施和裝置剛剛投產(chǎn)不到3個月的時間就有腐蝕甚至穿孔的情況發(fā)生，對油田系統(tǒng)正常的生產(chǎn)活動秩序帶來了非常嚴重的不利影響。

2.2 工作環(huán)境中的污水對于注水泵裝置相關零件的腐蝕情況簡述

在生產(chǎn)的過程中，使用注水泵裝置來運送相關污水物質的過程中，污水物質之中的各種有害的礦物質和凈化的過程中人為加入的各類添加劑物質通常會從注水泵的密封部位滲漏出來，這就會使得注水泵裝置的密封效果出現(xiàn)顯著的下降。當中的固體類型的顆粒也可能造成注水泵裝置的密封部位發(fā)生磨損的情況，造成其發(fā)生泄漏事故的幾率大幅度增大，嚴重影響了注水泵裝置的有效壽命，生產(chǎn)環(huán)境中的污水水質比較差是注水泵的密封部位出現(xiàn)失效問題的重要成因。污水的水質不但對注水泵裝置，還有可能會對其他的注水工作相關的裝置帶來嚴重的腐蝕，例如可能會讓各類管道部件發(fā)生腐蝕穿孔的現(xiàn)象。

2.3 工作環(huán)境中污水造成設備腐蝕的主要原因簡述

工作環(huán)境中污水造成設備腐蝕的主要原因能夠歸納為如下種類：第一類，在較高礦化程度的污水之中，溶解在其中的氧元素可能造成陰極去極化的結構，極化后的污水物質會對鋼鐵材質造成明顯的腐蝕效果。第二類，污水物質中可能含有較多的硫酸鹽類型的還原菌種（英文簡稱為SRB）及硫化氫類化合物，這些物質會對鋼鐵材質的裝置局部的腐蝕情況帶來比較顯著的影響。第三類，如果污水物質中的懸浮物質及油污物質的含量相對比較大的情況下，這些有害物質很可能出現(xiàn)相互黏結在一起的情況，這些增大了體積的黏結物質將會吸附和沉積在各類管道系統(tǒng)的內壁上，這個時候，系統(tǒng)中就產(chǎn)生了非常有利于硫酸鹽類型還原菌種生長和繁殖的環(huán)境。并且這些污垢物質將會增強對于殺菌劑物質的吸附效應，造成殺菌凈化的效果明顯下降，此時細菌將會加速繁殖，大幅度增加對于整個系統(tǒng)的腐蝕程度。鋼鐵材質的表面出現(xiàn)污垢的位置，通常情況下的電位數(shù)值比較低，屬于是陽極的狀態(tài)，此時鐵材質的表面沒有污垢的位置是陰極，這時就能導致垢下出現(xiàn)腐蝕的情況[3]。

2.4 注水泵的缸體部件溫度測量簡述

石油系統(tǒng)的生產(chǎn)現(xiàn)場時常會應用紅外線溫度探測裝置對于注水泵的液力一側的缸體部件的溫度實施測量，由于污水物質自身的溫度相對比較高，熱量比較大，假如散熱工作執(zhí)行不到位，容易導致注水泵的密封處內部的填料及柱塞間區(qū)域出現(xiàn)不應該出現(xiàn)的額外磨損現(xiàn)象，此時不僅僅增加了不必要的密封區(qū)域填料替換的頻次，還將使生產(chǎn)油田系統(tǒng)的注水壓力數(shù)值發(fā)生緩慢上升的問題，使得注水操作過程的能源消耗明顯增大。

3 原因分析及試驗

針對以上現(xiàn)象，現(xiàn)場開展了如下分析及檢修過程。

3.1 根據(jù)振動進行判斷

振動加劇、噪音增大，判斷可能是柱塞泵泵腔有氣所致?，F(xiàn)場在注水泵出口放氣管線上分多次排氣試驗，未發(fā)現(xiàn)大量氣體排出，且多次長時間排放后，重新啟動運轉發(fā)現(xiàn)狀態(tài)并無好轉。

3.2 檢查泵體的問題

泵體對中是否有問題：考慮到某油田在某船廠碼頭各進行了1次為期約2年的維修改造工作，可能是泵撬或者注水泵艙甲板結構發(fā)生了變形導致泵對中有問題?，F(xiàn)場對3臺注水泵和壓裂泵進行了逐一對中檢測，發(fā)現(xiàn)各項數(shù)據(jù)均滿足安裝要求。

3.3 啟動增壓水泵

是否是注水增壓泵排量不足。現(xiàn)場第三步懷疑是不是注水泵上游的注水增壓泵排量不足，導致注水泵高振動，不見損壞?，F(xiàn)場為了提高注水泵入口流量，啟動了2臺注水增壓泵（均為離心泵）做試驗。某油田單臺注水增壓泵的排量為64m3/h，而注水泵排量為32 m3/h。啟動2臺注水增壓泵后發(fā)現(xiàn)注水泵運行時狀態(tài)仍舊無好轉。說明注水泵入口流量單臺就已經(jīng)滿足其供液要求。

3.4 檢查儲能器氣囊壓力數(shù)值是否達標

是否是儲能器氣囊壓力設定不合適?，F(xiàn)場運行觀察發(fā)現(xiàn)，每次振動高或者噪音大時拆卸儲能器氣囊檢測均發(fā)現(xiàn)其氣囊要么壓力降低要么出現(xiàn)破裂。油田現(xiàn)場按照廠家技術規(guī)格書要求先后進行了多次壓力重裝試驗，但是仍舊未根本解決高振動高噪音問題，反而出現(xiàn)氣囊多次破損現(xiàn)象。因此分析氣囊不是導致前述故障現(xiàn)象發(fā)生的根本原因，而是有其他因素導致儲能器氣囊損壞和高振的產(chǎn)生。

3.5 檢查新采購的備件質量

新采購的相關備件質量不佳。油田近期對2臺注水泵均更換了從某水廠家新采辦的彈簧，彈簧材質為1Cr18Ni9Ti，經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)2臺注水泵均是運轉2周后運轉聲音就加劇，出口管線振動也加劇。對泵體解體后發(fā)現(xiàn)彈簧均出現(xiàn)不同數(shù)量的斷裂和損壞。由此判斷廠家新提供的彈簧可能存在一定的質量問題。

4 注水泵裝置的多發(fā)故障類型及解決方案簡述

4.1 注水泵軸瓦部位溫度過高的原因及解決方案

當系統(tǒng)的軸瓦部位的溫度超過65℃的情況下，非常容易造成注水泵裝置軸瓦中潤滑油物質的潤滑功能出現(xiàn)顯著的降低，嚴重的可能出現(xiàn)燒毀軸瓦的情況，使得注水泵發(fā)生停機的事故。

如果是缺油，需要對潤滑油進行補充；如果潤滑油不潔，使用濾油機過濾或者更換潤滑油；如果冷卻水溫度高，則需要更換冷卻水；如果軸瓦內混入雜質，需要泵修隊的人員進行修理。

4.2 注水泵裝置的密封部位填料出現(xiàn)泄漏的主要原因和解決方案

注水泵裝置的密封部位應用軟質石棉類填料。此種材料非常容易出現(xiàn)損壞的情況，填料一旦出現(xiàn)問題需要及時進行更換；如果壓力發(fā)生問題可能造成填料受力不均勻，密封壓蓋因為工作時間過長而發(fā)生松動，導致泄漏的情況發(fā)生。

解決方案：對于密封填料需要及時進行檢查和更換，防止密封壓蓋受力不平衡，做到壓緊和壓好；平時維護的過程中，對于壓蓋的松緊程度進行適當調節(jié)。

4.3 問題小結

注水泵裝置在其工作進程中，除去易損件的磨損后必須進行維修和更換之外，最關鍵的是怎樣處理曲軸箱部件的內部問題，此類問題可能導致燒瓦及拉缸事故，導致設備出現(xiàn)生產(chǎn)安全事故，設置會造成注水泵徹底報廢。燒瓦主要原因有：潤滑油物質的黏度指標不達標、潤滑油中混入了有害的雜質等。

4.4 故障問題分析工作的實際意義

假如注水泵裝置出現(xiàn)故障，可以依據(jù)電動機及泵體的異常變化來判斷，不過這個時候可能已經(jīng)產(chǎn)生了比較嚴重的損失。比如注水泵的維修費用、配件費用等，經(jīng)濟損失比較巨大。

注水泵裝置的問題診斷和分析具有重大現(xiàn)實意義，為了確保設備可以平穩(wěn)運行，規(guī)避生產(chǎn)安全事故的發(fā)生，保證現(xiàn)場工作人員的安全，并且最大限度地節(jié)約各類日常維護保養(yǎng)方面的費用。

5 解決措施

咨詢某水泵廠家與外配套彈簧廠家，選取合適的閥彈簧材質，以避免閥彈簧過快的損壞。

設備正常運行時，注水增壓泵出口旁通閥門保持全關，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。

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，從而導致注水泵的入口供水量不足。

為了保障注水時率，保證油田穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，需要對平臺注水壓裂泵進行換型改造。更換后的壓裂泵排量為70 m3/h。

6 結束語

自2020年1月以來，2臺注水泵徹底檢修后，壓裂泵更換后，按照解決措施執(zhí)行到現(xiàn)在，新增壓裂泵運行穩(wěn)定，2臺注水泵作為備用泵臨時運轉一直也非常穩(wěn)定。注水泵出口管線未出現(xiàn)振動現(xiàn)象，注水泵各輔件未再出現(xiàn)損壞事件，儲能器氣囊也未進行頻繁氮氣補充。不僅充分保障了油田注水持續(xù)穩(wěn)定，還大大減小了設備檢修工作量和設備更換成本。