柱塞泵進口管道振動原因與減振對策研究

楊露，王俊濤，劉叢，李俊成，韓濤

1.長慶油田第三采油廠，寧夏銀川750006

2.長慶油田油氣工藝研究院，陜西西安710018

柱塞泵進口管道振動原因與減振對策研究

楊露1，王俊濤2，劉叢1，李俊成1，韓濤1

1.長慶油田第三采油廠，寧夏銀川750006

2.長慶油田油氣工藝研究院，陜西西安710018

柱塞泵進口管道的振動，造成泵進口管道的頻繁破裂，維修工作量大，影響了油田的正常注水。文章對引起注水泵進口管道振動的原因進行了分析，計算了流體脈動作用于管道彎頭的壓力，同時建立了喂水匯管平衡管模擬計算模型，探討了降低管道流體脈動壓力的治理措施。現場應用表明治理措施的應用效果良好，達到了減小管道振動的目的。

柱塞泵；進口管道；振動原因；減振對策；脈動壓力；平衡管

0 引言

柱塞泵由于其排量小、揚程高的特點，可以很好地適應超低滲透油藏注水要求，近年來在長慶油田得到了廣泛使用。但是柱塞泵為往復式容積泵，其容積的周期性變化產生了流量脈動，造成了排出流量的不均衡，加上管道內流體對管壁產生沖擊力，導致注水泵進出口管道因振動而破裂，嚴重影響了注水系統的平穩運行及注水時效。本文結合柱塞泵現場運行實際，對產生振動的原因進行了分析，并通過理論計算，提出了樁塞泵進口管道減振對策。

1 振動的危害

如果管道的振動得不到有效吸收和化解，就有可能造成注水泵進出口管道的破損，破損管道的維修工作量大，增加日常維護費用，影響日常注水。

近年來通過對長慶油田采油三廠部分注水站的注水管道進行現場調研，統計了部分注水泵進出口管道振動破損的情況，見表1。

表1 采油三廠部分注水站注水泵進出口管道振動破損情況統計

從表1可知，注水站注水泵進出口管道平均破損次數為7.8次/月，平均影響注水時間為15.3 h/月，平均因振動造成管道破損維護費用為0.15萬元/月。而目前采油三廠現有各類注水站86座，注水泵226臺，因此減小注水泵進出口管道因振動而損壞的意義重大。

2 振動原因分析

根據振動理論[1]，只有當系統受到初始擾動（外力或位移）破壞了系統的平衡狀態時，才會發生振動。注水泵基礎為鋼筋混凝土基礎，剛性大，混凝土基礎與泵體牢固連接，通過對注水泵運行狀況的檢查，并沒有發現地腳螺栓松動等異常現象，這說明泵振動不是造成管道振動的原因。另外，有學者已證實[2]，管道激振頻率與其固有頻率接近易引起共振，但它并非是引起柱塞泵進口管道振動的根本原因，管道的振動主要是由管道內流體介質脈動引起的[2-3]。

圖1為目前油田廣泛使用的三柱塞泵排出曲線。從該曲線可以看出，出口瞬時流量曲線呈波紋形態，存在流量波動，因而注水泵運行時會造成管道內液體流量的不均勻，流量不均度也反映了壓力波動情況[4]。

圖1 三柱塞泵排出曲線

由于泵的往復吸入、排出，因而液流的壓力和速度就呈現出了周期性的變化，這種壓力的脈動變化是由管道和液體的彈性作用造成的。產生的壓力波在管內迅速傳遞，液體對管壁產生了水擊作用。水擊的脈動壓力ΔP可寫成以下計算式：

ΔP=ρCΔV

式中ρ——水的密度，取ρ=1 020 kN·s2/m4；

C——脈動壓力波速度/（m/s）；

ΔV——流體速度變化量/（m/s）；

C0——水中聲速/（m/s）；

D——鋼管內徑/mm；

e——鋼管壁厚/mm；

E——水的彈性模量，取2.1×109kN/m2；

E0——鋼管的彈性模量，取2.1×1011kN/m2。

對于3 D型注水泵，流量不均勻度可由泵特性曲線查得，波峰流量為理論流量的1.029倍，波谷流量為理論流量的0.757倍，則有：

式中F——流體對彎頭的沖擊力/N；

S——彎頭的橫截面積/m2。

脈動壓力導致彎頭、管件等周期性地受到推拉力的作用。泵進口的彎頭所受到的作用力大小不等，時間不同步，方向也不盡相同，這些力有的疊加增強，有的消弱衰減，導致進出口管道在軸向和徑向產生周期性位移，這就引起了泵入口管道的振動。以采油三廠常用的三柱塞泵理論排量Qt=16.6 m3/h進行計算，對于不同進口管徑的彎頭來說，脈動壓力引起的作用力差別并不明顯，見圖2。這說明在滿足喂水充足的前提下，增大進泵喂水管管徑并不能有效降低流體脈動壓力。

圖2 三柱塞泵脈動壓力對彎頭的作用力曲線（Qt=16.6 m3/h）

3 減振措施

從上述分析可知，要降低振動，須減弱或消除脈動壓力，這可以通過工藝流程的控制加以解決。

3.1 開啟喂水旁通

為了做到供注匹配，當喂水泵實際供水量低于或遠大于柱塞泵理論排量時，可以通過開啟喂水泵旁通閘門進行調節，以實現供需平衡，從而減小由于喂水量不足或過大而產生的脈動壓力，見圖3。

圖3 喂水泵流程改造示意

對振動較大的4個站點的注水泵進口管道振動進行現場測試[5]（見表2），結果表明：未開喂水泵回流閘門的，管道的振動位移較大，打開喂水泵旁通閘門后，管道的振動幅度有所降低。近年來對喂水泵的開度進行探索控制，在一定程度上也減輕了喂水系統管道的振動。

表2 注水泵進口管道振動測試記錄

3.2 改造工藝流程

改造工藝流程主要是給注水泵進口匯管配套平衡管，約束管道內流體流向，調節壓力分布區間。提取核心流程進行建模，見圖4，在理論計算過程中對模型進行了簡化。

圖4 注水泵進口匯管平衡管模型

模型中匯管規格為D 219 mm×7 mm，匯管長度為20 m，匯管進口邊界設定壓力0.3 MPa；注水泵進口（匯管出口）管道規格為D 159 mm×6 mm，邊界設定流速分別為0.5 m/s和0.48 m/s；回流平衡管規格為D 60 mm×4 mm。

對比無平衡管模型的壓力等值線和速度等值線（見圖5、6），可知有平衡管時匯管內壓力分布更均勻，喂注匹配度更好。

此外針對匯管上注水泵進口管道有無變徑必要的問題，將模型中變徑頭調整為垂直焊接，其他參數維持不變，重新進行模擬計算，結果見圖7、8。可以看到變徑后，流體速度矢量趨于平行管壁，作用于管壁的切向力明顯降低。

圖5 有平衡管模型的計算壓力等值線和速度等值線

圖6 無平衡管模型的計算壓力等值線和速度等值線

圖7 帶平衡管流程上注水泵匯管內速度矢量（變徑）

圖8 帶平衡管流程上注水泵匯管內速度矢量（無變徑）

基于此，在現場對旗五轉注水系統進行了優化改造。旗五轉注水量2 570 m3/d，設計能力3 350 m3/d。由于站內5#注水泵來水管道工藝流程問題，上注水泵匯管分岔，見圖9，導致泵房內管網整體振動大，管道破損頻繁，嚴重制約了正常注水。結合現場實際，對工藝流程進行了兩方面優化：

（1）整體連通5臺上注水泵匯管。

（2）匯管配套新增平衡管插接至凈化水罐，見圖10。

圖9 旗五轉改造前工藝流程

圖10 旗五轉改造后工藝流程

改造完成后，對站內5臺注水泵進口管道的振動進行了測試，見表4，可見管道振動幅度明顯下降；改造前泵進口管道平均破損頻次3次/月，改造后運行3個月未出現破損，效果顯著。

表4 旗五轉注水系統工藝改造前后注水泵進口管道振動測試記錄

4 結束語

（1）現場運行過程中，需根據注水量需求，摸索開啟喂水泵臺數與旁通閘門開啟程度，實現供注平衡。

（2）流程設計時需充分考慮現場施工環境，盡可能減少彎頭，縮短管道長度，以減小脈動壓力對管道附件的作用力，同時增加固定支撐，提高管道剛性。

（3）如果柱塞泵進口管道振動屬于機械共振，則需調整管道系統結構，通過采取增加或加密管道支撐、管卡固定、管道填埋夯實等措施，使管道自振頻率遠離激振力頻率，避免機械共振。

（4）對于多臺注水泵并聯運行的站點，前期流程設計及后期工藝改造過程中，盡可能共用一條上注水泵匯管，避免供水流程出現匯管套匯管現象；配套新增平衡管及大小頭等局部改造措施，在一定程度上也能有效降低注水泵進口管道的振動。

[1]吳福光，蔡承武，徐兆.振動理論[M].北京：高等教育出版社，1987.

[2]程木根.注水泵入口管振動分析與減振[J].石油化工設備技術，1995，16（2）：50-52.

[3]唐健，李繼志，齊明俠.往復式注水泵吸入管線振動試驗研究[J].石油大學學報（自然科學版），1995，19（2）：63-67.

[4]袁恩根.工程流體力學[M].北京：石油工業出版社，2000.

[5]汪家銘.管道振動及其測量方法[J].壓縮機技術，1993，（2）：6-7.

Vibration Analysis and Reduction for Inlet Pipeline of Reciprocating Water Injection Pump

Yang Lu1，Wang Juntao2，Liu Cong1，LiJuncheng1，Han Tao1
1.Third OilProduction Plant of Changqing Oilfield Company，Yinchuan 750006，China
2.Oiland Gas Technology Institute of Changqing Oilfield Company，Xi’an 710018，China

The vibration of the inlet pipeline of reciprocating water injection pump is a harmful problem，which leads to the frequent rupture of the inlet pipeline and the increase of repair work and running expenses.Some main factors affecting the vibration are analyzed and the pressure in elbow pipe on account of fluid pulsation is calculated.The simulative calculation model of the balance pipe at water-feed manifold is established and the countermeasures to reduce fluid pulsating pressure are researched.The test shows that the countermeasures are effective to reduce the pipeline vibration.

reciprocating pump；inlet pipeline；vibration reason；countermeasure to reduce vibration；pulsating pressure；balance pipe

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.06.012

楊露（1984-），男，湖北天門人，工程師，2009年畢業于成都理工大學油氣田開發專業，現在主要從事地面集輸管網的設計工作。

2014-02-07