柱塞式注水泵易損件壽命分析及提高路徑

張余川

（大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠，黑龍江 大慶 163000）

柱塞式注水泵是油田注水生產(chǎn)中的主要設(shè)備，在油田注水系統(tǒng)中，注水泵是二次采油注水的關(guān)鍵設(shè)備。因此，分析柱塞式注水泵易損件壽命問題，對(duì)柱塞式注水泵失效原因進(jìn)行討論，對(duì)進(jìn)一步提高柱塞式注水泵易損件的使用壽命與應(yīng)用水平等有積極作用。在對(duì)柱塞式注水泵易損件使用壽命、失效原因等進(jìn)行分析的過程中，可通過易損件壽命分析與處理，提高柱塞式注水泵易損件的應(yīng)用質(zhì)量，在延長(zhǎng)易損件使用壽命的前提下，可提高柱塞式注水泵易損件的綜合應(yīng)用效果。

1 柱塞式注水泵結(jié)構(gòu)及原理分析

柱塞式注水泵是油田注水系統(tǒng)中的重要組成部分，屬于大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件，與此同時(shí)，也是往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件，負(fù)載比較大，工況環(huán)境惡劣。柱塞式注水泵在實(shí)際應(yīng)用中，包含動(dòng)力端、液力端、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等，其中，動(dòng)力端是柱塞式注水泵的核心結(jié)構(gòu)，通過十字頭將動(dòng)力傳輸?shù)捷敵龆耍迷趯?shí)際運(yùn)行的過程中，可以通過泵體本身的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到動(dòng)力輸出與泵力控制的目的。在利用柱塞式注水泵的過程中，液力端可直接輸送液體，將機(jī)械能傳遞給液體。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中，注水泵系統(tǒng)的動(dòng)力源比較穩(wěn)定，對(duì)注水效率會(huì)產(chǎn)生直接的影響。柱塞式注水泵在運(yùn)行中，工作時(shí)是通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可通過工作腔里的溶劑周期性變化來達(dá)到輸送液體的目的。

2 柱塞式注水泵易損件失效形式分析

2.1 柱塞的失效形式

柱塞式注水泵易損件的使用壽命與可靠性對(duì)柱塞式注水泵的實(shí)際應(yīng)用質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生直接的影響。通常情況下，柱塞式注水泵易損件的制造成本在整個(gè)泵組成本中的占比比較低，極容易出現(xiàn)柱塞斷裂、柱塞表面拉傷、柱塞表面鍍層、柱塞表面腐蝕、安裝間隙不當(dāng)、動(dòng)力端十字頭磨損下沉、拉桿與柱塞的連接同心度比較差、注入介質(zhì)混有硬質(zhì)顆粒等問題，對(duì)柱塞式注水泵易損件的實(shí)際應(yīng)用質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生直接的影響。

2.2 盤根的失效形式

結(jié)合柱塞式注水泵易損件的實(shí)際情況，盤根在實(shí)際應(yīng)用中，盤根磨損、盤根塑性變形、盤根燒結(jié)及碳化、盤根材質(zhì)與注入介質(zhì)不適應(yīng)、注入介質(zhì)混有硬質(zhì)顆粒，加劇盤根磨損、泵沖次過高、氧化與老化等問題，對(duì)盤根的密封會(huì)產(chǎn)生直接的影響，密封效果降低，介質(zhì)泄漏量超出標(biāo)準(zhǔn)的要求值。

2.3 組合閥的失效形式

柱塞式注水泵易損件中的閥組件損壞，對(duì)柱塞式注水泵的性能會(huì)產(chǎn)生直接的影響。其中，閥芯、閥座磨損，刺槽、密封不嚴(yán)；熱處理不達(dá)標(biāo)，閥體開裂；閥體過流面積偏小，流速過快，閥體的沖擊偏大，磨損加快；彈簧斷裂；閥體的材料與注入介質(zhì)不相適應(yīng)等問題，對(duì)柱塞式注水泵組合閥的性能會(huì)產(chǎn)生直接的影響，一旦出現(xiàn)磨損失效的情況，柱塞泵的排量不足，影響柱塞式注水泵組合閥的應(yīng)用效果。

2.4 十字頭的失效形式

柱塞式注水泵十字頭的機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，其中包含十字頭體、十字頭銷、滑導(dǎo)等，由于十字頭體與柱塞桿的連接，可通過多層串聯(lián)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)傳輸控制，力的傳遞過程比較復(fù)雜，并通過螺紋連接傳遞動(dòng)力。通常情況下，潤(rùn)滑不良以及磨損等因素對(duì)柱塞式注水泵十字頭的失效會(huì)產(chǎn)生直接的影響。十字頭本身是柱塞式注水泵安全運(yùn)行中的重要零部件，所以，十字頭在實(shí)際應(yīng)用中，會(huì)通過潤(rùn)滑的方式，在十字頭表面形成潤(rùn)滑油膜，減少固體之間的摩擦，可保證十字頭的應(yīng)用性能。但是，十字頭在實(shí)際應(yīng)用中，潤(rùn)滑失效，磨損過度，影響十字頭的運(yùn)行水平。此外，十字頭在實(shí)際應(yīng)用中，由于摩擦情況的出現(xiàn)，會(huì)出現(xiàn)十字頭表面溫度過高的情況，如果潤(rùn)滑油出現(xiàn)燃燒，則會(huì)產(chǎn)生臭味，影響十字頭在柱塞式注水泵運(yùn)行中的應(yīng)用性能。

3 柱塞式注水泵易損件失效原因分析

3.1 介質(zhì)對(duì)易損件的影響

由于柱塞式注水泵的應(yīng)用環(huán)境比較惡劣，所以，注入介質(zhì)對(duì)柱塞式注水泵的零部件壽命會(huì)產(chǎn)生直接的影響，在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行下，柱塞式注水泵易損件極容易出現(xiàn)失效的情況，影響柱塞式注水泵的運(yùn)行水平。例如，介質(zhì)中的砂粒過多，則會(huì)出現(xiàn)盤根、柱塞拉傷的情況，組件磨損嚴(yán)重，會(huì)出現(xiàn)密封失效的情況，如果出現(xiàn)介質(zhì)滲漏，會(huì)引發(fā)安全事故，降低柱塞式注水泵易損件的安全性，并導(dǎo)致柱塞磨損加劇，影響柱塞式注水泵易損件的實(shí)際應(yīng)用效果。閥板、閥座在管編的過程中，磕碰沙礫會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)坑，出現(xiàn)次漏的情況，閥板、閥座密封會(huì)失效，壽命會(huì)大幅度地降低。一般情況下，往復(fù)泵往復(fù)次數(shù)為250次/分，每天的往復(fù)次數(shù)為360000次，所以，介質(zhì)含有沙礫等顆粒物質(zhì)，對(duì)閥組的性能及質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生直接的影響。

3.2 零部件制造質(zhì)量對(duì)易損件質(zhì)量的影響

柱塞制造質(zhì)量不合格主要是柱塞表面硬度以及噴焊層厚度不足、柱塞表面硬質(zhì)合金層結(jié)合強(qiáng)度比較差，對(duì)柱塞的綜合質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生直接的影響。柱塞表面的硬質(zhì)合金層的硬度不足，表面硬度過低，對(duì)柱塞本身的質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生直接的影響。柱塞式注水泵在制造生產(chǎn)的過程中，則需要結(jié)合柱塞式注水泵易損件的運(yùn)行狀態(tài)與環(huán)境，對(duì)制造生產(chǎn)材料的應(yīng)用以及質(zhì)量控制過程等進(jìn)行綜合分析，在抗腐蝕、抗變形等分析與處理的基礎(chǔ)上，對(duì)柱塞式注水泵易損件的閥芯、彈簧等質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，通過質(zhì)量評(píng)估與分析處理，提高柱塞式注水泵易損件的綜合質(zhì)量。在易損件質(zhì)量評(píng)估與分析處理的過程中，可在生產(chǎn)工藝與質(zhì)量檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)組織結(jié)構(gòu)以及易損件應(yīng)用的質(zhì)量要求等進(jìn)行評(píng)估，在組合閥質(zhì)量評(píng)估與故障處理的前提下，保證易損件的整體應(yīng)用水平。最后，在對(duì)易損件的應(yīng)用方式、技術(shù)分析過程等進(jìn)行調(diào)整中，可在易損件質(zhì)量要求，采用抽檢與定期檢驗(yàn)的方式，對(duì)易損件的材料成分、質(zhì)量變化等進(jìn)行審核，如果存在質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的情況，則需要對(duì)易損件的綜合應(yīng)用與生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用等進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高柱塞式注水泵易損件的制造與生產(chǎn)質(zhì)量。

3.3 加工、裝配對(duì)易損件壽命的影響

加工要保證配合圓柱體間的同軸度，在實(shí)際應(yīng)用中，兩零件連接斷面的垂直度，裝配過程中，零部件要保證清潔、無毛刺。如果零件相關(guān)聯(lián)尺寸的公差不滿足柱塞式注水泵的要求，則會(huì)出現(xiàn)連接件不同軸的情況，影響密封效果。盤根的組合方式不同，對(duì)易損件的壽命也會(huì)產(chǎn)生直接的影響，盤根與導(dǎo)向套加裝數(shù)量以及方式等存在差異性，影響盤根在柱塞式注水泵中的使用壽命。在機(jī)械工程的流體密封中，軟盤根對(duì)旋轉(zhuǎn)軸以及往復(fù)式活塞桿的密封是通過軸向壓縮的方式，導(dǎo)致壓力出現(xiàn)徑向膨脹的情況，影響密封處理效果。

4 延長(zhǎng)柱塞式注水泵易損件壽命的有效措施

4.1 易損件的防腐處理

柱塞式注水泵易損件的使用壽命分析，可通過防腐處理工藝的應(yīng)用，對(duì)柱塞、十字頭等易損件運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行防腐處理，避免外部顆粒粉塵等對(duì)柱塞式注水泵易損件的使用壽命產(chǎn)生直接的影響。在防腐處理的過程中，可通過激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)柱塞式注水泵易損件的表面進(jìn)行防腐處理，改善易損件表面的耐磨性、耐熱性以及抗氧化性，進(jìn)一步提高柱塞式注水泵易損件的抗腐蝕特性。

在利用激光溶技術(shù)，提高快速凝固處理過程，提高柱塞式注水泵易損件的處理水平。激光熔覆工藝在實(shí)際應(yīng)用中，可對(duì)易損件的磨損進(jìn)行修復(fù)，并延長(zhǎng)柱塞的使用壽命。

4.2 正確選擇組合閥材料與結(jié)構(gòu)

柱塞式注水泵的閥組材料選擇要考慮防腐蝕問題，考慮輸送介質(zhì)、排出壓力等因素對(duì)閥組材料質(zhì)量所產(chǎn)生的影響，對(duì)提高柱塞式注水泵易損件的質(zhì)量有積極作用。此外，還需要從材料硬度的角度進(jìn)行分析，可以選擇泵閥材質(zhì)2Crl3、3Crl3閥板為尼龍、聚甲醛、改性工程塑料等，可提高閥組材料的綜合應(yīng)用水平。輸送介質(zhì)油田污水礦化度比較高，在不含砂的情況下，泵閥材質(zhì)都可以選擇非金屬閥板、閥芯等。輸送介質(zhì)油污污水含合理、含砂的狀態(tài)下，可安裝過濾器，并保持有足夠的流通面積，保證流量的同時(shí)，提高柱塞式注水泵易損件的綜合處理水平。

4.3 正確選擇盤根材料與組合方式

在邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下，盤根摩擦大、溫度高、磨損快，在靜壓潤(rùn)滑狀態(tài)下，液膜厚、泄漏大，密封性能比較差，對(duì)柱塞式注水泵的盤根結(jié)構(gòu)應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生直接的影響。因此，正確選擇盤根密封材料，對(duì)提高柱塞式注水泵的密封處理效果方面有積極作用。從柱塞式注水泵的介質(zhì)性質(zhì)、工作溫度、工作壓力、運(yùn)動(dòng)速度、材料性能等角度對(duì)密封材料的選擇進(jìn)行分析，根據(jù)密封介質(zhì)的pH值選擇合適的密封材料，可提高盤根在柱塞式注水泵運(yùn)行中的應(yīng)用效果。從盤根組合方式的角度進(jìn)行分析，柱塞組件在密封處理的過程中，可通過盤根提供的定位點(diǎn)，對(duì)導(dǎo)向套與盤根之間的組合進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高盤根的使用壽命與應(yīng)用水平。

4.4 正確選擇柱塞的材料與結(jié)構(gòu)

結(jié)合柱塞式注水泵柱塞結(jié)構(gòu)處理，在柱塞材料分析與處理中，可以利用陶瓷燒結(jié)工藝以及離子噴涂的方式，提高柱塞的韌性，滿足柱塞式注水泵運(yùn)行控制需求。在含有顆粒污水介質(zhì)中，可通過復(fù)合金屬涂層的方式，提高柱塞材料的應(yīng)用水平。從柱塞聯(lián)接結(jié)構(gòu)的角度分析，可在硬聯(lián)接處理的基礎(chǔ)上，提高柱塞與十字頭之間的同心度，并提高柱塞聯(lián)接水平。

4.5 泵總體結(jié)構(gòu)的裝配與運(yùn)行

結(jié)合柱塞式注水泵的總體應(yīng)用方式，對(duì)柱塞與導(dǎo)向套、柱體、十字頭缸孔裝配間隙進(jìn)行處理，可提高柱塞式注水泵易損件的使用壽命。根據(jù)泵總體的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行方式，優(yōu)化泵的運(yùn)行特性，并對(duì)柱塞直徑、行程長(zhǎng)度、往復(fù)次數(shù)、液缸數(shù)等角度進(jìn)行控制，合理選擇泵柱塞的線速度，并對(duì)柱塞、填料的磨損進(jìn)行控制，對(duì)提高柱塞式注水泵總體的裝配水平與運(yùn)行穩(wěn)定性等方面有積極作用。結(jié)合注水泵的實(shí)際運(yùn)行情況，可對(duì)柱塞線速度、壓力、黏度、進(jìn)口供液條件、介質(zhì)選擇等進(jìn)行調(diào)整，提高柱塞式注水泵的綜合運(yùn)行水平。與此同時(shí)，還需要結(jié)合柱塞式注水泵的運(yùn)行情況，對(duì)泵體的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，在更換潤(rùn)滑油的過程中，可通過動(dòng)力控制，提高柱塞式注水泵的應(yīng)用水平。最后，柱塞式注水泵的十字頭在運(yùn)動(dòng)的過程中，考慮支撐力、摩擦力、慣性力、推力對(duì)十字頭質(zhì)量所產(chǎn)生的影響，所以，柱塞式注水泵易損件的應(yīng)用維護(hù)，則需要針對(duì)十字頭的實(shí)際應(yīng)用情況，對(duì)散熱裝置以及摩擦處理等進(jìn)行優(yōu)化，在減少十字頭摩擦力的基礎(chǔ)上，通過十字頭的潤(rùn)滑以及熱量控制，可提高柱塞式注水泵易損件的應(yīng)用安全性與穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

結(jié)合柱塞式注水泵的運(yùn)行原理，在對(duì)柱塞式注水泵的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行研究與分析，分析柱塞式注水泵易損件的失效原因，并通過對(duì)易損件材料的選擇與質(zhì)量控制，可以延長(zhǎng)柱塞、導(dǎo)向套等易損件的使用壽命。在對(duì)柱塞式注水泵易損件的處理過程進(jìn)行分析中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)介質(zhì)情況，選擇不同材質(zhì)填料與工藝的柱塞、閥組，能夠提高易損件壽命。通過密封結(jié)構(gòu)型式與優(yōu)化盤根組合方式，提高柱塞、盤根的使用壽命。柱塞可通過軟連接的方式，提高柱塞、盤根使用壽命。根據(jù)柱塞式注水泵的不同工況，合理選擇閥板材料，提高易損件的應(yīng)用水平。