5DS系列注水泵結構改進與應用

吉效科，平郁才，劉豐寧，許 麗，李 穎

（1.西南石油大學機電工程學院，成都610500；2.長慶油田公司設備管理處，西安710018；3.長慶油田公司第三采油廠，銀川750005）

5DS系列注水泵結構改進與應用

吉效科1，2，平郁才3，劉豐寧3，許 麗2，李 穎3

（1.西南石油大學機電工程學院，成都610500；2.長慶油田公司設備管理處，西安710018；3.長慶油田公司第三采油廠，銀川750005）

針對5DS系列注水泵關鍵部件故障多、易損件更換頻繁等問題，從液力端結構、泵閥結構、密封組件等方面進行改進，同時應用柱塞的自動調心和同步隔離技術。通過現場試驗證明，改進后的注水泵故障率大福降低，易損件壽命成倍延長，可靠性和安全性明顯提高，達到了高效節能的目的。

注水泵；結構；技術改造

近些年，隨著長慶油田注水泵數量逐年增多，注水壓力不斷升高，注水泵逐步暴露出一些問題，例如關鍵部件故障增多，易損件更換頻繁，過流部件耐腐蝕性能差，直接導致維修費用和管理成本增加，甚至影響油田注水生產。據統計，2009年以來投產的注水泵出現曲軸拉傷抱瓦、泵頭缸體開裂、曲軸斷裂、十字頭抱死、中間桿斷裂、連桿拉傷和機身損壞等嚴重故障，占新投注水泵的14.2%，柱塞最短使用時間為300 h，遠低于《機動往復泵》（GB／T 9234—2008）［1］規定的使用壽命3 000 h（壓力不大于20 MPa時），注水泵平均維修換件費用高。

長慶油田經過注水泵現狀調查研究，并結合油田注水生產與工藝實際，對問題突出的5DS型注水泵進行結構改造。經過2 a的現場試驗，該型注水泵的經濟指標顯著提高，可靠性和安全性明顯增強，達到了高效節能的目的。

1 問題分析

1.1 泵頭缸體開裂

5DS型注水泵主要采用立式泵頭，立式分體錐閥的吸入閥與排出閥之間為高壓和低壓交變載荷區域，如圖1a所示，其十字孔相貫線處存在應力集中，在較高壓力作用下易造成液力端泵頭開裂。采用美國卡拉西克著《泵手冊》的雙環筒泵體應力計算公式［2］，發現最大應力發生在水平與垂直孔內徑相貫處。該型注水泵泵頭缸體開裂故障時間最短24 h，

圖1 雙環筒泵體結構示意

合成應力計算公式：

式中：S為合成應力，MPa；p為承受壓力，MPa；b、d為孔內徑，mm；a、c為離內徑最近的非實體材料處直徑，mm。

在十字交叉立式泵頭中，假設：p＝25 MPa，a＝140 mm，b＝70 mm，c＝250 mm，d＝132 mm。

將數值代入上述公式，泵體受到的合成應力S＝86 MPa。

試驗和分析指出：在不當的吸入管，由汽蝕、閥開啟滯后或系統瞬時高壓等諸多意外因素引起的峰值壓力能達到設計壓力的4～5倍，即使按3倍計算：Smax＝86×3＝258 MPa，也接近2Cr13材料的疲勞極限σ－1＝277 MPa。所以絕大多數泵體開裂是疲勞破壞，主要因素是應力集中，交變載荷加劇了這種破壞趨勢。

1.2 維修換件頻繁

注水泵維修換件主要為盤根、柱塞、進排液閥組等，據統計，盤根和柱塞的最短壽命不足300 h，進排液閥組的最短壽命不足210 h，這與《機動往復泵》（GB／T 9234—2008）規定的易損件壽命指標有很大的差距。分析認為：

1） 由于中間桿與柱塞的同軸度存在誤差，造成柱塞在運行中與密封組件偏磨加重，加速了柱塞和盤根組件的磨損，使其壽命縮短。

2） 5DS型注水泵采用分體錐閥結構型式，在運行中受介質中固體顆粒和供液穩定性的影響，高壓運行時造成密封面早期失效。

3） 過流部件耐腐蝕性差，由于回注污水中含大量可對金屬造成腐蝕的離子（CL－1、HCO－3、Fe3＋）和氧氣，以及不溶性顆粒雜質等組份，當水流速度較低或形成積存區，會發生化學和電化學腐蝕，不溶性物質極易生成垢附著在過流部件表面；當水流速度高時，水中的懸浮物對金屬表面產生磨損腐蝕。密封函體內、進排液缸套表面、閥芯與閥座結合面因腐蝕形成豆斑狀坑點和垢片，造成過流部件失效。

4） 易損件使用廉價材料，材質不達標，防腐性能差，表面硬度和粗糙度處理不合格，造成部件早期失效。

1.3 機組效率較低

注水泵機組效率由機械效率和容積效率二部分構成，其中機械效率主要由電動機、膠帶輪、支承軸承、曲柄滑塊機構（由連桿、十字頭、十字頭銷、中間桿組成）、盤根盒、蓄能器等的效率組成，容積效率主要由進排液閥組和盤根盒漏失效率組成。機械效率在注水泵設計和配置完成后定型，在注水泵正常運行條件下不會有較大幅度變化和調整，而容積效率受進排液閥組和盤根盒的漏失密切相關。經節能監測分析，某站5DS型注水泵改造前的平均機組效率只有68.75%，低于72%的節能監測限定值，依據《油田生產系統節能監測規范》（SY／T 6275—2007）的規定，注水泵機組效率不合格。

2 結構改進

2.1 液力端結構

采用T字型液力端結構。從前面分析可知，絕大多數泵體開裂是疲勞破壞，主要因素是應力集中，交變載荷加劇了這種破壞趨勢，且最大應力發生在水平與垂直孔內徑相貫處。如圖2所示，T字型液力端主要由柱塞缸體與進排液腔垂直形成T型孔結構，T型孔結構較十字孔能大幅度緩解工作腔內倒角及其附近的應力集中現象，且降低了高低壓的交變差值。對于含固體顆粒較多的污水介質，這種結構更宜于閥的坐封。

圖2 “T”字型液力端的結構示意

2.2 泵閥結構

采用螺旋導向復合密封錐型組合閥組。進液閥和排液閥共同組合在同一閥體上，金屬閥板錐面上結合非金屬密封材料，閥芯導向翼從直線型過渡到帯一定角度型，可使閥芯在上下運動時360°稍有轉動，使閥結合面均勻磨損，這種結構型式，便于拆裝，密封性能較好，且提高了閥的使用壽命。

2.3 柱塞的自動調心結構

將柱塞與連接桿之間原來的螺紋硬連接結構改為復合外卡環彈性連接，當中間桿的運動軌跡在一定范圍內發生偏差時，該結構能夠自動調整推力的同軸度，使柱塞與密封函體、導向套保持同軸度，減小柱塞與密封件的偏磨，從而提高柱塞、填料、導向套的使用壽命。

2.4 柱塞的同步隔離結構

如圖3所示，在柱塞填料密封函體結構中增設了1個密封介質腔，使介質腔與輸送介質始終保持壓力平衡狀態，密封腔介質可對柱塞起到潤滑作用，降低柱塞與填料間摩擦損失，提高泵效及易損件壽命。

2.5 改進密封組件

密封采用U型形狀改性材料、矩形芳綸纖維盤根、金屬阻流環，加補償彈簧等組合的密封組件，增強了密封件的自調整、自補償性能，從而提高了密封件的使用壽命。

圖3 同步隔離柱塞泵密封函體結構示意

3 現場應用情況

3.1 實施改造

長慶油田公司采油三廠油二聯注水站于2009-09投產，4臺5DS-39.7／20型注水泵，投用不到1 a，更換液力端總成4套。泵實際排量28～32 m3／h，易損件壽命約240 h，2010-11實施改造。柳三轉二站于2006年投產，5DS-25.76／20型和5DSB-41.9／20型注水泵各2臺，由于所注污水含顆粒類雜質，導致注水泵液力端頻繁檢修，修泵周期在240 h左右，主要換件為排液閥、進液閥，2011-05實施改造。2個站的技術改造主要是將十字交叉泵體更換為T型泵體結構，相應地將上、下分體閥結構改造為立式組合閥結構，采用柱塞填料密封同步隔離技術和柱塞自動對中調心技術，并使用復合涂層柱塞。

3.2 效果評價

1） 易損件壽命明顯延長。以油二聯站和柳三轉二站改造為例，如表1。

表1 注水泵改造前后易損件壽命對比

從表1可以看出，油二聯和柳三轉2個站的注水泵柱塞、填料和閥組等易損件壽命較改造前有明顯延長，其中柱塞使用壽命是改造前的2～3倍，填料是改造前的2.7～4.2倍，閥組是改造前的2.2倍以上。

2） 材料消耗費用明顯下降。以柳三轉3＃注水泵維修換件材料消耗情況統計為例，如表2。

從表2可以看出，柳三轉3＃注水泵改造后較改造前維修材料消耗費用下降77.9%，效果明顯。

3） 提高了注水泵機組效率。2013-06和2013-10先后對柳三轉、油二聯實施改造的泵機組進行了能耗監測，監測結果如表3。

通過表3的監測結果表明，節能改造后注水泵機組平均機組效率78.5%，全部高于72%的節能監測限定值，比節能改造前提高10.3個百分數。

4） 節能降耗效果明顯。表4為柳三轉、盤二注、南二注三個站點注水泵改造前后有功節電率計算結果。

表2 柳三轉3＃注水泵材料消耗費用明細

表3 節能改造前后注水泵節能監測數據

表4 注水泵改造前后有功節電率計算結果

從表4可以看出，改造后單臺注水泵機組最小節電率為7.2%，最大節電率為14.9%，平均節電率11.9%。

4 結論

1） 5DS系列注水泵的液力端改為T型結構型式，消除了缸體高壓交變載荷下的工作腔內十字交孔，解決了泵頭應力集中造成的泵體開裂問題。對于含固體顆粒較多的污水介質，T型結構更宜于閥的坐封，與十字孔比較，能大幅度緩解工作腔內倒角及其附近的應力集中現象，且降低高低壓的交變差值。

2） 采用柱塞自動調心技術和柱塞同步隔離技術，有效提高柱塞、填料、導向套的使用壽命，減少摩擦功耗，維修材料消耗費用下降77.9%，效果明顯。

3） 改造后注水泵機組平均機組效率78.5%，全部高于72%的節能監測限定值，比改造前提高了10.3%。

4） 改造后的注水泵節能降耗效果明顯，與改造前相比，單臺注水泵機組最小節電率為7.2%，最大節電率為14.9%，平均節電率11.9%。

［1］ GB／T 9234—2008，機動往復泵［S］.

［2］ 卡拉西克I J.泵手冊［M］.北京：機械工業出版社，1984.

［3］ 史改芳，張立舉，陳喜平，等.3H-8／450型增壓注水泵液力端改造［J］.石油礦場機械，1999，28（4）：24-26.

Structure Improvement and Application of 5DSSeries Water Injection Pumps

JI Xiao-ke1，2，PING Yu-cai3，LIU Feng-ning3，XU Li2，LI Ying3
（1.College of Mechanical and Electronic Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China；2.Equipment Department，Changqing Oilfield Company，Xi’an 710018，China；3.No.3 Oil Production Plant，Changqing Oilfield Company，Yinchuan 750005，China）

At the same time，the sync separate and the automatically adjusting-center technology of the plunger were used.The field trials shows that the improved water-injection pumps can greatly reduce the failure rate，exponentially prolong the life of wearing parts，improve the reliability and security，also realize the purpose of high efficiency and energy saving.

water injection pump；structure；technical reform

TE934.103

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.12.017

2014-07-13

吉效科（1976-），男，甘肅臨洮人，高級工程師，博士研究生，2008年畢業于西安石油大學石油與天然氣工程專業，現從事油田設備管理與技術研究，E-mail：jxk_cq＠petrochina.com.cn。最長14 000 h，故障壓力為16～19 MPa。由此可見，注水泵采用立式泵頭在16 MPa以上使用有明顯缺陷。

1001-3482（2014）12-0067-04