高壓立式注水泵開裂原因分析及改進

田新民，許 麗，李 穎

（中國石油長慶油田分公司第三采油廠生產運行科，寧夏 銀川 750006）

近年來，隨著油田的開發，為了提高注水效率，減少注水網點的初期建設成本投入，一般采用集中注水的模式。集中注水工藝要求注水泵具備高揚程、大排量的特點。我廠的注水泵參數從小到大都一直沿用傳統的立式注水泵結構，在高壓的工作環境下注水泵缸體的密封函體孔和塞頭孔位置易出現裂縫，形成了高壓水漏失。由于開裂部位無法進行補焊修復，必須換新注水泵。更換注水泵期間不僅影響正常注水，還大大增加了運行費用。為了解決頻繁出現的缸體開裂現象，必須對其進行改造。

一、柱塞式高壓立式注水泵結構特點及工作原理

1.柱塞式高壓立式注水泵結構

長慶油田第三采油廠有大排量柱塞式結構往復注水泵30余臺，其動力端的結構如圖1所示，主要由六部分組成。

通過對全廠14臺此結構的注水泵參數和使用情況進行統計分析發現，當注水壓力在15MPa以上時，注水泵缸體就有開裂現象出現，使用壽命最短的缸體僅2天，注水壓力越高，出現問題的幾率也越高。注水泵的缸體是泵的主要部件，作為泵的一個主要部件，屬于非易損件，頻繁發生開裂是不正常的。

2.注水泵工作原理

立式注水泵工作是利用進液閥和排液閥，將注水泵分割為上部的高壓腔體，進液閥和排液閥之間形成的過渡腔體，以及下部的低壓腔體。利用進液閥和排液閥交替開啟，將低壓液體加壓后，輸送到外部管道。其工作原理是，柱塞向前運動時，壓縮注水泵內的液體，進液閥關閉，排液閥的上閥體被推開，高壓液體沿著上閥體密封面和閥座上密封面直接形成的流道，進入注水泵的高壓腔體，并流入外部管道。柱塞向后運動，注水泵內壓力下降，排液閥關閉，注水泵內壓力下降，進液閥上閥體克服外部進液管線液體壓力和注水泵內的壓力差的作用，向上移動，液體流入注水泵中間腔體，完成一個工作循環。

二、注水泵開裂原因分析

柱塞從動力端向液力端運行時，對注水泵過渡腔體內液體進行加壓，由于液體對壓力的傳遞各方向相同，安裝密封函體的孔也受到高壓液體作用；柱塞從液力端向動力端運行時是液體吸入階段，此時腔體呈低壓吸入液體，在吸液和排液的過程中函體安裝孔受到低壓和高壓液體的交替周期作用，作用力在孔的周圍產生交變應力。注水泵安裝函體的孔是缸體最薄的地方，受到高壓和低壓液體產生的交變應力作用一段時間后，孔壁周圍材料發生疲勞，在孔的軸向方向發生微小裂紋，繼續受力后，裂紋迅速擴大直至裂通到缸體外表面，高壓水滲出。同樣的原理，安裝塞頭的孔和塞頭由于檢修時需要拆卸，屬大間隙配合，在受到高壓液體作用后，和函體孔發生同樣的開裂。圖2是改進前的密封函體結構圖。

三、注水泵開裂解決方案

上面分析了注水泵開裂的主要原因是過渡腔里液體形成的高壓和低壓交變作用力。圖3是改進后的密封函體結構，通過改變密封函體的結構尺寸，利用密封函體作為過渡腔受壓腔，避免高壓交變液體直接作用到函體孔，從而避免發生注水泵開裂的現象。

在塞頭孔的位置，將塞頭孔內徑加大，安裝一個過盈配合的軸套，軸套材料為高強度合金鋼制作。

其結構改進特點是：將密封函體定位臺階加長加厚，長度和注水泵側壁一致，定位臺階與孔配合采用過盈配合。利用函體的定位臺階，將高壓液體隔離，避免了高壓液體直接作用到函體孔內壁，高壓液體只對函體內腔產生作用，由于函體尺寸長，加工采用合金鋼鍛造加工，具有耐腐蝕，強度高的特點。內壁加厚以后，其在受到高壓液體產生的交變應力作用，壽命也大大提高。即便函體開裂，發生漏水，由于函體價格低，且也方便更換。塞頭孔位置安裝一個軸套，利用軸套在受力后，發生破壞，代替原來的孔直接受力產生裂紋，可以避免因孔開裂而報廢注水泵的現象發生。

四、效果及結論分析

2009年在長慶油田第三采油廠新寨作業區一臺注水泵上，安裝了改進后的注水泵和密封函體，在泵壓是16MPa壓力下，使用1年后檢查新結構的注水泵和函體以及塞頭軸套，沒有發生開裂的現象。

[1]劉和平.柱塞泵使用與維護[M].2006.