往復(fù)式柱塞泵管線振動分析及解決措施

謝光偉，張 哲，段宏偉，王 冠，李園園，桑科中

（渤海石油裝備制造有限公司，天津 300457）

0 引言

當(dāng)前國內(nèi)各大油田均采用配注技術(shù)實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)，輸入介質(zhì)有水、聚合物、二氧化碳等，且一般壓力在10 MPa 以上。往復(fù)式柱塞泵具有壓力高、泵效高的優(yōu)點(diǎn)，而且壓力不受流量影響，能提供比較穩(wěn)定的流量輸出。根據(jù)輸入介質(zhì)的特性，往復(fù)式柱塞泵配備不同結(jié)構(gòu)、材料的液缸體，廣泛用于國內(nèi)油田各區(qū)塊的增壓采油系統(tǒng)中。往復(fù)式柱塞泵為曲柄連桿機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動特征致使柱塞運(yùn)行具有一定的加速度以及輸送介質(zhì)的間斷性，導(dǎo)致輸送介質(zhì)會產(chǎn)生一定的能量波動，從而對輸送管線產(chǎn)生沖擊，造成管線振動。由于往復(fù)式柱塞泵是長期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，如果輸送管線的振動得不到緩解，可能會造成進(jìn)、出口管線的疲勞損壞，同時會產(chǎn)生較大的噪聲，對工作人員的身心健康造成影響。破損管線的維修工作量較大，不僅增加日常維護(hù)費(fèi)用，也影響油田的正常生產(chǎn)。

本次研究以某油田所屬往復(fù)式柱塞泵為對象，該油田往復(fù)式柱塞泵數(shù)量多，柱塞泵出口管線均存在不同程度的振動現(xiàn)象，個別泵站的柱塞泵進(jìn)口管線也有振動現(xiàn)象。振動導(dǎo)致焊接部位開裂可能致使高壓水泄露，存在很大的安全隱患。同時因?yàn)檎駝釉斐傻碾娮釉А⒐芫W(wǎng)段滲水等現(xiàn)象，給現(xiàn)場人員的日常巡檢工作帶來額外的負(fù)擔(dān)。

1 振動原因分析

管線振動的主要原因是對外部干擾的響應(yīng)和管線內(nèi)流體的不規(guī)則運(yùn)動[1]。

1.1 機(jī)械振動引起管線振動

往復(fù)式柱塞泵不是一個獨(dú)立的設(shè)備，而是管線、閥門、儀器儀表等設(shè)備與之組成的一個剛度較大的機(jī)械系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)在外力的作用下產(chǎn)生振動現(xiàn)象，此振動必然會傳遞到與之相連的管線上，從而引起管線振動。連接柱塞泵的管線一般會配置相應(yīng)的支撐裝置，由于管線內(nèi)存在周期性的脈沖，所以管線的振動不是處于自由狀態(tài)，而是由管線內(nèi)的周期性脈沖引起的外力振動。由于往復(fù)式柱塞泵的固有特性導(dǎo)致其動力源在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時所產(chǎn)生的不平衡慣性力以及液缸內(nèi)壓力波動性的變化構(gòu)成了往復(fù)式柱塞泵自身振動的原因。

1.2 流體脈動引起管線振動

當(dāng)管線內(nèi)的流體遇到外部干擾時，比如遇到彎頭轉(zhuǎn)變流向、閥門調(diào)節(jié)、管徑變化造成流速突變，流體就會對管線產(chǎn)生激振力，激振力作用在管線內(nèi)部引發(fā)管線振動，當(dāng)此激振力頻率與管線系統(tǒng)上的某一設(shè)備或者裝置的固有頻率相同時，就會產(chǎn)生共振，加劇管線的振動。

往復(fù)式柱塞泵的曲柄連桿機(jī)構(gòu)決定了其吸入和排出流體的工作具有周期性的波動，而且一般油田作業(yè)區(qū)的配注間有多臺柱塞泵同時工作，導(dǎo)致吸入和排出的介質(zhì)具有一定的間歇性，并形成了一種不穩(wěn)定的流體狀態(tài)，產(chǎn)生一種脈動力[2]。此脈動力在遇到彎頭、變徑、閥門等管線元件時，會產(chǎn)生管線激振力，引發(fā)管線振動。同時，振動的管線也會反作用于管線內(nèi)流體介質(zhì)，從而產(chǎn)生更加復(fù)雜的流固耦合振動。其次，當(dāng)管線對于此脈動力產(chǎn)生的激勵響應(yīng)頻率與其自身的固有頻率相重合的時候，管線系統(tǒng)與此脈沖力就會產(chǎn)生共振，破壞管線的安全運(yùn)行。

2 管線振動實(shí)際分析

管線振動的主要來源是往復(fù)式柱塞泵本體振動的傳遞、輸送管線的布置因素以及輸送介質(zhì)產(chǎn)生的流體脈動。

2.1 往復(fù)式柱塞泵本體振動原因分析

柱塞泵內(nèi)部的激振源主要包括泵的旋轉(zhuǎn)件的偏心、不平衡引起的振動以及液缸內(nèi)壓力變化造成的振動。

（1）大皮帶輪的動平衡不合格會造成往復(fù)式柱塞泵存在高頻振動。柱塞（注水）泵的轉(zhuǎn)速一般在200 r/min 以上，轉(zhuǎn)速比較高，如大皮帶輪的動平衡在出廠時未達(dá)到規(guī)定要求，那么往復(fù)式柱塞泵在高速旋轉(zhuǎn)時，會造成往復(fù)式柱塞泵本體振動。

（2）地基平面度不合格，造成往復(fù)式柱塞泵存在高低不平現(xiàn)象。柱塞泵在安裝時，需將水平儀曲軸箱已加工的面上，調(diào)整楔鐵，使橫向縱向水平達(dá)0.1/1000。第二次澆注混凝土需經(jīng)15 d 的養(yǎng)護(hù)期，再次檢查調(diào)整泵機(jī)組的縱向、橫向水平達(dá)要求并固定。

（3）閥組密封不嚴(yán)造成高低壓水串壓。柱塞泵在運(yùn)行一段時間后，吸、排閥組經(jīng)過介質(zhì)或雜質(zhì)的沖刷，會對密封面造成損傷，無法密封，引發(fā)介質(zhì)從高壓區(qū)竄向低壓區(qū)，導(dǎo)致振動。

2.2 進(jìn)口管線振動原因分析

管線受到外力的激振頻率與管線本身的固有頻率接近時，極易引發(fā)共振現(xiàn)象，但其并不是引起柱塞泵進(jìn)口管線振動的根本原因，進(jìn)口管線的振動主要是由管線內(nèi)的流體介質(zhì)的脈動引起的[3-4]。

（1）來水壓力不足或水中含有氣體。往復(fù)式柱塞泵在運(yùn)行時，由于是過流件均有密閉性能，柱塞泵帶有一定的自吸功能，但如果來水壓力不足，柱塞泵會發(fā)生抽空現(xiàn)象，大量空氣進(jìn)入泵腔內(nèi)，產(chǎn)生氣蝕、氣擊，同樣會造成閥組空打而形成沖擊載荷，除影響閥組的壽命外，還會產(chǎn)生噪聲和振動。

（2）進(jìn)口管線規(guī)格過小。由于柱塞泵具備一定的自吸功能，當(dāng)進(jìn)口管線的規(guī)格過小不足以滿足柱塞泵的排出流量時，管線內(nèi)的介質(zhì)流速會增加，從而對柱塞泵液缸體吸入口產(chǎn)生一定的沖擊力，引發(fā)柱塞泵的輕微振動，此振動反過來會加劇進(jìn)口管線的振動。

2.3 出口管線振動原因分析

出口管線輸送的介質(zhì)是從柱塞泵出口輸出，一般壓力比較高，對管線的沖擊力較大，所以出口管線的振動現(xiàn)象比較普遍，主要原因集中在以下4 個方面：①出口蓄能器失效。蓄能器有吸收脈沖，減少壓力波動的功能，如若檢查不及時，蓄能器里的皮囊損壞或者氮?dú)鈮毫Σ蛔?，則起不到吸收脈沖的功能；②出口管線缺乏支撐或支撐采取剛性連接；③出口閥門密封不嚴(yán)。柱塞泵的出口一般采取閘閥和止回閥配套使用，如若閥門密封失效或者異物卡閥等現(xiàn)象，會造成管線的壓力變化而產(chǎn)生劇烈振動；④出口管線過細(xì)。有的注水站由于后期調(diào)參的原因，將柱塞的規(guī)格加大，而沒有相應(yīng)的增加介質(zhì)的過流通道，造成流速過高。

3 治理措施

3.1 進(jìn)口管線振動解決措施

以某油田第二油礦注水間為例，該注水間共5 臺柱塞泵，需同時運(yùn)行3 臺泵才能滿足井口注入。其中1 臺柱塞泵的進(jìn)口振動較大，造成管線上安裝的進(jìn)口傳感器部分零件松動失效，存在安全隱患。

柱塞泵基礎(chǔ)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其高度根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)工況來確定，剛性較大，混凝土基礎(chǔ)與柱塞泵底座通過埋地螺栓再次澆筑后連接。通過對柱塞泵運(yùn)行情況的反復(fù)勘察，發(fā)現(xiàn)地腳螺栓的螺母有松動現(xiàn)象，通過增加墊圈以及在底座空隙處澆灌混凝土等方式加固后，進(jìn)口管線仍然有振動現(xiàn)象，說明地腳螺栓松動是由管線振動引起的，而不是柱塞泵振動引起的管線振動。

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)頻試驗(yàn)，當(dāng)把柱塞泵的變頻由25 Hz 逐漸調(diào)至40 Hz 時，進(jìn)口管線振動無異常，當(dāng)頻率調(diào)至41 Hz，進(jìn)口管線振動明顯加大，說明造成進(jìn)口管線振動的主要原因?yàn)橹玫母咚龠\(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動與管線內(nèi)的介質(zhì)的流動頻率產(chǎn)生共振造成，初步判斷吸入口管徑過小造成流速過高是進(jìn)口管線振動的主要因素。

在現(xiàn)有條件下，盡量減少改造成本和工作量的前提下，將柱塞泵的吸入口規(guī)格由DN150 增加至DN200（圖1、圖2），同時將液缸體的吸入口規(guī)格由Φ50 mm 擴(kuò)至Φ55 mm，增大了進(jìn)口管線和液缸體吸入口的過流面積，降低了流速，避免介質(zhì)流速過高造成的高頻沖擊，同時在地下進(jìn)口匯管上加裝支墩。經(jīng)過改造后，流動沖擊和渦流流動狀況明顯改善。

圖1 改造前（DN150）

圖2 改造后（DN200）

3.2 出口管線振動的解決措施。

以某油田第三油礦注水間為例，該站前期有3 臺柱塞泵，運(yùn)2 備1，其中一臺轉(zhuǎn)速為350 r/min 的柱塞泵自運(yùn)行起出口管線就存在輕微振動。后期由于產(chǎn)能擴(kuò)建，加裝了2 臺柱塞泵。之前有輕微振動的那臺柱塞泵隨著運(yùn)行時間延長，出口管線振動越來越劇烈，造成出口閥門的旋轉(zhuǎn)手柄脫落，具有嚴(yán)重的安全隱患。為避免劇烈振動造成管線焊接部位的出現(xiàn)疲勞損傷，導(dǎo)致焊口開裂，經(jīng)過現(xiàn)場勘察，站在出口管線附近，明顯能感覺地面振動比較劇烈。

首先在排除柱塞泵本體振動因素后，通過在出口管線上加裝支撐后，振動有所減輕，但無法根除。初步懷疑是柱塞泵的高轉(zhuǎn)速與管線產(chǎn)生共振而造成的振動，但該泵無法進(jìn)行變頻調(diào)速試驗(yàn)，無法確定是否由共振導(dǎo)致的管線振動。后期通過同種泵型的應(yīng)用現(xiàn)場現(xiàn)場考察，說明高轉(zhuǎn)速不是造成出口管線振動的因素，從而判定是埋地出口匯管的振動引起了地面出口管線振動。經(jīng)過現(xiàn)場施工改造，發(fā)現(xiàn)是因?yàn)槭┕挝皇┕げ灰?guī)范，未按要求安裝支墩和澆灌，管線施工后用渣土進(jìn)行填充，致使埋地匯管未進(jìn)行固定，通過高壓水流沖擊未固定的埋地管匯造成的管線振動。后期經(jīng)過重新安裝支墩和填充，該泵的出口管線振動現(xiàn)象得到了明顯改善。

其余泵站的柱塞泵管線振動比較具有共性，均是出口有振動現(xiàn)象。首先是出口管線缺少支撐，而出口安裝的壓力傳輸管線和回流管線會加劇管線振動（圖3）；其次出口用于穩(wěn)壓的蓄能器未按要求進(jìn)行保養(yǎng)，不具備吸收脈沖的功能（圖4）。按蓄能器的保養(yǎng)要求，每年應(yīng)進(jìn)行檢測并及時充入氮?dú)猓钅芷魇褂? 年后應(yīng)及時更換。相應(yīng)的解決措施主要是增加出口管線上的支撐以及檢修或更換出口穩(wěn)壓裝置。

圖3 柱塞泵出口工藝

圖4 蓄能器（2003 年生產(chǎn)）

4 應(yīng)用效果及結(jié)論

由于往復(fù)式柱塞泵的固有特性，與之連接的管線上必然會存在振動現(xiàn)象，管線振動引發(fā)的疲勞損傷造成管線焊接部位開裂事故是不可忽視的安全隱患，可以通過設(shè)計、施工等手段可以極大地降低進(jìn)、出口管線振動，消除安全隱患。①降低柱塞泵沖次，減少液體脈沖的頻率；②擴(kuò)管降速，減少水錘沖擊[5]。增大管線的過流面積，減低流速，減輕脈沖液流造成高頻沖擊；③優(yōu)化減振措施，在地面上管線增加支撐加以約束，并在管卡與管線之間墊橡膠板；地下匯管澆筑支墩固定管線，減少地下匯管的自由振動；④連接部位采用彈性連接，尤其是進(jìn)口低壓部位，可避免從液缸體的流體脈沖造成進(jìn)口管線的振動。