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摘 要：注水是油田增产普遍采用的措施之一。高压注水泵作为注水工程主要设备，在作业过程中所处工况较其它常见机械设备更恶劣，文章通过对东河油田注水泵进行结构分析，提出优化设计，为油田解决类似问题提供一些值得借鉴的经验。
关键词：往复泵；注水泵；振动剧烈；优化设计
中图分类号：TH38 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）35-0011-02
油田注水是保持油层压力、降低原油递减率的主要措施，注水泵机组是油田注水的关键设备。动一联承担着动河1油区和压哈1油区的污水处理和回注任务，水处理能力3 000 m3/d，目前现有柱塞式注水泵10台（具体参数见表1）。近年来，由于一直不能在额定排量和压力条件下正常平稳运行，使得注水系统压力达不到原设计条件，造成部分井口因为压力不足出现欠注问题，影响注水生产，同时，泵体的老化和磨损的加剧，泵的可靠性和性能也呈下降趋势，其维护成本及工作量也在逐年增加。
动一联高压注水泵使用过程中的问题表现有性能参数达不到额定值、易损件寿命低、振动剧烈、辅助配件刺漏及开裂。
1 高压注水泵问题原因分析
1.1 注水泵性能参数达不到额定值
动一联注水系统主力注水泵TD-8060设计出口压力40 MPa，流量38.75 m3/h，目前实际运行出口压力30 MPa，实际流量30 m3/h，由于不能在额定排量和压力条件下正常平稳运行，导致注水井欠注明显，同时注水泵填料泄漏量大，流量波动大且小于额定值（根据2012年4月9日数据详细欠注参数见表2）。
实际上往复泵所排出液体的体积要比理论上计算的体积要小，往复泵在单位时间内所排出液体的量称为实际流量，用Q表示。
Q=αQth
式中a为流量系数。流量系数a的变化范围很大，实际流量和理论流量差别的原因包括以下几个方面：
①由于排出阀和吸入阀开闭的迟缓所引起的。当柱塞在吸入行程终了时，吸入阀处于开启状态，排出阀处于关闭状态，而当柱塞开始作排出行程时，液缸体内的压力增加，但这时吸入阀并末及时关闭，有部分液体从液缸回到吸入管中。同样，在排出行程终了和吸入行程开始时，排出阀没有及时关闭，有部分液体从排出管路经排出阀漏回液缸体中。
②排出阀（吸入阀）、柱塞和拉杆和填料箱的不严密引起的泄漏。随着所输送压力增加，在各相对运动的间隙处和不严密处的泄漏增加，从而引起实际流量的减少。
③在吸入管路中压力降低时，从吸入液体中分离出溶解在液体中的气体，以及少量空气通过吸入管路、填料箱等不严密处进入液缸体内，形成空气囊在吸入行程中膨胀，在排出行程时被压缩，因而减少了流量。
④当往复泵的工作压力较高时，就不能忽略液体的压缩性。当工作压力过高，液缸内进入气体或在吸入过程中从液体中析出的气体，这些气体在排出过程中被压缩，在吸入过程中膨胀，从而减小了吸入液体的体积，使流量系数减小，减少了流量
1.2 注水泵易损件寿命低
动一联注水泵易损件主要包括柱塞、填料和阀组等。寿命低主要表现为对高矿化度的污水适应性差，易损件腐蚀严重，降低了密封效果，使注水泵的泄漏增加，使用寿命周期较短，在东一联实际应用中易损件的使用寿命在1 000 h以下。由于动一联所注污水具有矿化度高、Cl-高、PH值低（详细数据见表3）的特点，对材质腐蚀影响比较大。因此，泵的性能参数不能持续满足额定性能，除了受泵本身加工装配精度和结构上的原因影响外，污水水质是易损件寿命低的主要原因。原因大致归结为以下三个方面：
①溶解氧在高矿化度的水中，溶解氧在腐蚀过程中起着阴极去极化作用，激化污水对钢铁的腐蚀。
②可能存在的硫酸盐还原菌和硫化氢污水中含有大量的硫酸盐还原菌，其对钢铁的局部腐蚀产生较大的影响。
③高浓度氯离子的存在会造成过流部件的腐蚀，氯离子的腐蚀主要表现为点蚀、电化学腐蚀和应力腐蚀，在介质温度超过60℃的工况下，腐蚀更为明显。尤其是对于Cr钢（包括奥氏体不锈钢），一般不具备耐氯离子腐蚀的能力。
1.3 注水泵振动剧烈
对于多缸柱塞泵，振动的问题难以避免，其振动必须控制在一定的范围内，否则，由于排出管路和管径较小、管路较长、系统中没有足够大的背压时，可能因惯性水头过大而冲开泵阀造成实际流量大于理论流量的所谓“过流量现象”，对人员健康、设备安全、环境质量都会产生不利影响。东一联注水泵出口压力高达30 MPa，剧烈振动往往容易导致注水泵辅助配件损坏、管线焊缝刺漏。根据最新振动测验结果显示，注水泵最高振幅数值达
64.696 um。
往复泵由于结构及工作特点必然产生流量和压力的脉动，而压力脉动是无法避免的振动源，在振动源影响下造成的注水泵振动问题，总结起来主要有以下几点原因：
①泵基厚度达不到减振要求，导致泵体与泵基的振动都超标。
②注水泵泵出口减振空气室（氮气包）减振效果差，但因泵出口弯头斜度太大，高压流体冲击产生振动；泵进出口管线支撑件结构设计不合理，只限制了管线的下振幅，对管线上振幅和轴向振动约束不够，并且支撑件强度不够，导致泵进出口管线随支撑件振动而做受迫振动。
③由于往复泵的流量不均匀，尤其是当排出压力的变化频率与排出管路的自振频率相等或成整数倍时，将会引起共振。往复泵的流量、压力波动会使原动机的负载不均匀，缩短往复泵的管路的使用寿命，同样因流量和压力的波动会使吸入条件变坏。
2 注水泵优化方案及措施
①缸体设计。缸体除了承受高的内压外，还要承受工作压力交变引起的结构上应力集中区的应力交变，由疲劳而产生裂纹，最终导致缸体开裂。因此，缸体在选择合适材质及满足强度的前提下，可以对结构进行改进，减少缸体内部结构及开孔在形状上的突变，采用圆滑的过渡结构，减少应力集中的存在风险。 ②进出口阀设计。在实际运行中，进出口阀，尤其是出口阀是柱塞泵上更换最频繁的易损件之一。出口排液阀的损坏，主要是阀体开启时，高压液体流过上阀体与阀座形成的流道时，上阀体的锥形密封面使高压液体改变流动方向，对液体形成一定阻力。由于结构的限制，上阀体锥形密封面形成的阻力，导致高压液体对锥形密封面进行冲刷，造成密封面材料的磨损和脱落，沿水流方向形成许多有规则的沟槽，导致密封面失效。另外加上污水的腐蚀性影响，加剧了出口阀的损坏。针对引起损坏的原因，在选择耐腐蚀和耐磨阀体材质的基础上，可以对阀密封结构进行改进，设计更加合理的流道，减少流体对密封面的冲刷。
③柱塞及柱塞密封方面。柱塞及柱塞密封面是形成工作压力的关键部件，其性能的好坏直接影响着泵整体的性能。柱塞的损坏主要是由磨损和介质的腐蚀引起的，为提高柱塞的使用寿命，选择耐腐蚀材料的同时，采取措施提高柱塞表面的硬度，通常采用渗镀或冷作滚压硬化处理，辅以高精度磨削加工。同时还要选择合适的密封填料材料和结构，减小密封面摩擦系数，还可通过加入高效润滑剂的措施。另外，偏磨也是引起柱塞磨损和损坏的主要因素，需要在结构上采取措施增加导向支撑点或对中结构，减少柱塞在运行过程中的悬臂运动，使偏磨程度减轻。适当降低泵速，减小柱塞的线速度，也可以在一定程度上减少柱塞的磨损，提高使用寿命。
④机架方面。机架虽然不是柱塞泵的核心部件，但是机架的稳固性对减小泵的振动和确保泵的长期稳定运行起着至关重要的作用。选择合适的液缸数，作用数或采用空气室等方法，可以减少流量和压力的脉动。对于高压工况，可以采取措施在选材和结构上进行机架稳固性的加强，减小泵体的振动，可以降低运动副间的磨损和冲击载荷，提高易损件的使用寿命。
⑤辅助部件方面。辅助部件包括进口过滤器、缓冲器，进出口管等，在技术上没有太大的难度，主要问题往往是由于原材料和加工制造质量不过关引起的。因此，在选择合理的材质和满足设计强度的基础上，要严格控制原材料质量和加工制造精度，并进行完善的检验和试验。
3 结 语
虽然目前注水泵问题还没有得到完全解决，但是经过不断研究、探讨，已经找出了一些主要原因，并通过制定一系列的相应措施来避免将来再出现同样的问题，这对整个油田的平稳注水起到了非常重要的作用，也为其他油田提供了借鉴经验。
参考文献：
[1] 王宗森.浅谈发展增压注水泵的意见[J].石油矿场机械，1988，
17（3）.
[2] 朱俊华，战长松合编.往复泵[M].北京：机械工业出版社，1991.
[3] 关醒凡.泵零件强度设计[M].北京：机械工业出版社，1981.
关键词：往复泵；注水泵；振动剧烈；优化设计
中图分类号：TH38 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）35-0011-02
油田注水是保持油层压力、降低原油递减率的主要措施，注水泵机组是油田注水的关键设备。动一联承担着动河1油区和压哈1油区的污水处理和回注任务，水处理能力3 000 m3/d，目前现有柱塞式注水泵10台（具体参数见表1）。近年来，由于一直不能在额定排量和压力条件下正常平稳运行，使得注水系统压力达不到原设计条件，造成部分井口因为压力不足出现欠注问题，影响注水生产，同时，泵体的老化和磨损的加剧，泵的可靠性和性能也呈下降趋势，其维护成本及工作量也在逐年增加。
动一联高压注水泵使用过程中的问题表现有性能参数达不到额定值、易损件寿命低、振动剧烈、辅助配件刺漏及开裂。
1 高压注水泵问题原因分析
1.1 注水泵性能参数达不到额定值
动一联注水系统主力注水泵TD-8060设计出口压力40 MPa，流量38.75 m3/h，目前实际运行出口压力30 MPa，实际流量30 m3/h，由于不能在额定排量和压力条件下正常平稳运行，导致注水井欠注明显，同时注水泵填料泄漏量大，流量波动大且小于额定值（根据2012年4月9日数据详细欠注参数见表2）。
实际上往复泵所排出液体的体积要比理论上计算的体积要小，往复泵在单位时间内所排出液体的量称为实际流量，用Q表示。
Q=αQth
式中a为流量系数。流量系数a的变化范围很大，实际流量和理论流量差别的原因包括以下几个方面：
①由于排出阀和吸入阀开闭的迟缓所引起的。当柱塞在吸入行程终了时，吸入阀处于开启状态，排出阀处于关闭状态，而当柱塞开始作排出行程时，液缸体内的压力增加，但这时吸入阀并末及时关闭，有部分液体从液缸回到吸入管中。同样，在排出行程终了和吸入行程开始时，排出阀没有及时关闭，有部分液体从排出管路经排出阀漏回液缸体中。
②排出阀（吸入阀）、柱塞和拉杆和填料箱的不严密引起的泄漏。随着所输送压力增加，在各相对运动的间隙处和不严密处的泄漏增加，从而引起实际流量的减少。
③在吸入管路中压力降低时，从吸入液体中分离出溶解在液体中的气体，以及少量空气通过吸入管路、填料箱等不严密处进入液缸体内，形成空气囊在吸入行程中膨胀，在排出行程时被压缩，因而减少了流量。
④当往复泵的工作压力较高时，就不能忽略液体的压缩性。当工作压力过高，液缸内进入气体或在吸入过程中从液体中析出的气体，这些气体在排出过程中被压缩，在吸入过程中膨胀，从而减小了吸入液体的体积，使流量系数减小，减少了流量
1.2 注水泵易损件寿命低
动一联注水泵易损件主要包括柱塞、填料和阀组等。寿命低主要表现为对高矿化度的污水适应性差，易损件腐蚀严重，降低了密封效果，使注水泵的泄漏增加，使用寿命周期较短，在东一联实际应用中易损件的使用寿命在1 000 h以下。由于动一联所注污水具有矿化度高、Cl-高、PH值低（详细数据见表3）的特点，对材质腐蚀影响比较大。因此，泵的性能参数不能持续满足额定性能，除了受泵本身加工装配精度和结构上的原因影响外，污水水质是易损件寿命低的主要原因。原因大致归结为以下三个方面：
①溶解氧在高矿化度的水中，溶解氧在腐蚀过程中起着阴极去极化作用，激化污水对钢铁的腐蚀。
②可能存在的硫酸盐还原菌和硫化氢污水中含有大量的硫酸盐还原菌，其对钢铁的局部腐蚀产生较大的影响。
③高浓度氯离子的存在会造成过流部件的腐蚀，氯离子的腐蚀主要表现为点蚀、电化学腐蚀和应力腐蚀，在介质温度超过60℃的工况下，腐蚀更为明显。尤其是对于Cr钢（包括奥氏体不锈钢），一般不具备耐氯离子腐蚀的能力。
1.3 注水泵振动剧烈
对于多缸柱塞泵，振动的问题难以避免，其振动必须控制在一定的范围内，否则，由于排出管路和管径较小、管路较长、系统中没有足够大的背压时，可能因惯性水头过大而冲开泵阀造成实际流量大于理论流量的所谓“过流量现象”，对人员健康、设备安全、环境质量都会产生不利影响。东一联注水泵出口压力高达30 MPa，剧烈振动往往容易导致注水泵辅助配件损坏、管线焊缝刺漏。根据最新振动测验结果显示，注水泵最高振幅数值达
64.696 um。
往复泵由于结构及工作特点必然产生流量和压力的脉动，而压力脉动是无法避免的振动源，在振动源影响下造成的注水泵振动问题，总结起来主要有以下几点原因：
①泵基厚度达不到减振要求，导致泵体与泵基的振动都超标。
②注水泵泵出口减振空气室（氮气包）减振效果差，但因泵出口弯头斜度太大，高压流体冲击产生振动；泵进出口管线支撑件结构设计不合理，只限制了管线的下振幅，对管线上振幅和轴向振动约束不够，并且支撑件强度不够，导致泵进出口管线随支撑件振动而做受迫振动。
③由于往复泵的流量不均匀，尤其是当排出压力的变化频率与排出管路的自振频率相等或成整数倍时，将会引起共振。往复泵的流量、压力波动会使原动机的负载不均匀，缩短往复泵的管路的使用寿命，同样因流量和压力的波动会使吸入条件变坏。
2 注水泵优化方案及措施
①缸体设计。缸体除了承受高的内压外，还要承受工作压力交变引起的结构上应力集中区的应力交变，由疲劳而产生裂纹，最终导致缸体开裂。因此，缸体在选择合适材质及满足强度的前提下，可以对结构进行改进，减少缸体内部结构及开孔在形状上的突变，采用圆滑的过渡结构，减少应力集中的存在风险。 ②进出口阀设计。在实际运行中，进出口阀，尤其是出口阀是柱塞泵上更换最频繁的易损件之一。出口排液阀的损坏，主要是阀体开启时，高压液体流过上阀体与阀座形成的流道时，上阀体的锥形密封面使高压液体改变流动方向，对液体形成一定阻力。由于结构的限制，上阀体锥形密封面形成的阻力，导致高压液体对锥形密封面进行冲刷，造成密封面材料的磨损和脱落，沿水流方向形成许多有规则的沟槽，导致密封面失效。另外加上污水的腐蚀性影响，加剧了出口阀的损坏。针对引起损坏的原因，在选择耐腐蚀和耐磨阀体材质的基础上，可以对阀密封结构进行改进，设计更加合理的流道，减少流体对密封面的冲刷。
③柱塞及柱塞密封方面。柱塞及柱塞密封面是形成工作压力的关键部件，其性能的好坏直接影响着泵整体的性能。柱塞的损坏主要是由磨损和介质的腐蚀引起的，为提高柱塞的使用寿命，选择耐腐蚀材料的同时，采取措施提高柱塞表面的硬度，通常采用渗镀或冷作滚压硬化处理，辅以高精度磨削加工。同时还要选择合适的密封填料材料和结构，减小密封面摩擦系数，还可通过加入高效润滑剂的措施。另外，偏磨也是引起柱塞磨损和损坏的主要因素，需要在结构上采取措施增加导向支撑点或对中结构，减少柱塞在运行过程中的悬臂运动，使偏磨程度减轻。适当降低泵速，减小柱塞的线速度，也可以在一定程度上减少柱塞的磨损，提高使用寿命。
④机架方面。机架虽然不是柱塞泵的核心部件，但是机架的稳固性对减小泵的振动和确保泵的长期稳定运行起着至关重要的作用。选择合适的液缸数，作用数或采用空气室等方法，可以减少流量和压力的脉动。对于高压工况，可以采取措施在选材和结构上进行机架稳固性的加强，减小泵体的振动，可以降低运动副间的磨损和冲击载荷，提高易损件的使用寿命。
⑤辅助部件方面。辅助部件包括进口过滤器、缓冲器，进出口管等，在技术上没有太大的难度，主要问题往往是由于原材料和加工制造质量不过关引起的。因此，在选择合理的材质和满足设计强度的基础上，要严格控制原材料质量和加工制造精度，并进行完善的检验和试验。
3 结 语
虽然目前注水泵问题还没有得到完全解决，但是经过不断研究、探讨，已经找出了一些主要原因，并通过制定一系列的相应措施来避免将来再出现同样的问题，这对整个油田的平稳注水起到了非常重要的作用，也为其他油田提供了借鉴经验。
参考文献：
[1] 王宗森.浅谈发展增压注水泵的意见[J].石油矿场机械，1988，
17（3）.
[2] 朱俊华，战长松合编.往复泵[M].北京：机械工业出版社，1991.
[3] 关醒凡.泵零件强度设计[M].北京：机械工业出版社，1981.