高黏度介質(zhì)注水泵設(shè)計與應(yīng)用

王別好，湯文捷，王　超，李　偉

(1.寶雞航天動力泵業(yè)有限公司，陜西 寶雞721001；2.長慶油田公司 采油四廠，西安 710000)①

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高黏度介質(zhì)注水泵設(shè)計與應(yīng)用

王別好1，湯文捷1，王超1，李偉2

(1.寶雞航天動力泵業(yè)有限公司，陜西 寶雞721001；2.長慶油田公司 采油四廠，西安 710000)①

根據(jù)油田注水工藝將高黏度的井場作業(yè)廢水回注的要求，以及常規(guī)注水泵在油田實際應(yīng)用中出現(xiàn)的閥組件壽命短，維修頻繁，無法完成正常注水的要求等問題，設(shè)計了高黏度介質(zhì)注水泵。對注水泵液力端的閥腔流速、閥隙流速等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的控制，改進(jìn)了液力端結(jié)構(gòu)，避免氣蝕現(xiàn)象，最終滿足注水工藝條件，注水泵各項性指標(biāo)能達(dá)到了預(yù)期效果。

注水泵；高黏度；氣蝕；閥隙流速

注水是油田為了提高采收率普遍采用的工藝，注水介質(zhì)一般為清水和采出水。近幾年來，為了節(jié)約水資源，從環(huán)境保護(hù)優(yōu)先的理念出發(fā)，避免井場作業(yè)廢水，包括生活廢水對當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成污染，長慶油田采用有機(jī)廢水處理，對某些工藝用水的限制指標(biāo)進(jìn)行簡單處理就可以回注，這樣不但簡化了水處理工藝，還降低了水處理成本。經(jīng)過處理的井場作業(yè)廢水，水質(zhì)符合回注的要求，其物理特性表現(xiàn)為黏度高，懸浮物含量高，有一定的腐蝕性。由于井場分散，井場作業(yè)廢水量不宜采取集中處理和回注，一般采用罐車運輸?shù)姆绞綄⑻幚磉^的井場作業(yè)廢水送至回注井口直接回注。由于井場廢水回注流量小，注水壓力高，適合選用柱塞式往復(fù)泵撬作為注水設(shè)備。

針對井場作業(yè)廢水含有高黏度物質(zhì)、液體流動性差，近似于泥漿的特性，設(shè)計了3NB型柱塞式泥漿注水泵。該型號注水泵的柱塞、閥組件的使用壽命超過了2 500 h，密封填料的使用壽命超過了1 500 h，完全滿足了長期、連續(xù)穩(wěn)定運行的要求。

1　結(jié)構(gòu)

3NB型柱塞式泥漿注水泵主要由動力端、液力端、柱塞組合、傳動部件、底座組成，如圖1所示。液力端由液缸體、閥組件組成，根據(jù)介質(zhì)黏度高、含有雜質(zhì)的特性，閥組件選定通流能力較好的錐閥結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

1—啟動柜；2—電機(jī)；3—皮帶傳動副；4—底座；5—動力端；6—液力端。

1—柱塞；2—填料箱；3—定位套；4—液缸體；5—閥組件；6—閥座；7—吸入管。

2　工作原理

電動機(jī)驅(qū)動曲軸運轉(zhuǎn)，通過連桿、中間桿使曲軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶑?fù)運動。在柱塞向左運動時，介質(zhì)經(jīng)過吸入閥組件進(jìn)入吸入腔，當(dāng)柱塞運行至左端終點時，進(jìn)液過程完成。在柱塞向右運動時經(jīng)過排出閥組件進(jìn)入排出腔，柱塞運動至右止點時，排液過程完成。如此連續(xù)往復(fù)循環(huán)，介質(zhì)被連續(xù)排出。

3　技術(shù)分析

長慶油田使用的一臺3NB-5/16型柱塞式泥漿注水泵的設(shè)計參數(shù)為：額定流量5 m3/h，排出壓力16 MPa，沖次220 min-1，沖程90 mm，柱塞直徑?40 mm，電機(jī)功率30 kW。

該泵在現(xiàn)場使用后，閥組件使用壽命短，只能達(dá)到40 h左右，無法完成正常工作，給油田的注水和采油效率造成了很大的影響，經(jīng)拆檢后發(fā)現(xiàn)，閥座、閥板密封面完全被損壞，其失效形式表現(xiàn)為閥面沖蝕，初期判定為介質(zhì)腐蝕性造成的材料腐蝕，遂將閥組件材料由2Cr13更換為1Cr18NiTi，實際使用后，閥組件失效狀況沒有任何改善。后經(jīng)過技術(shù)人員現(xiàn)場調(diào)查，主要情況有：①泵的排出流量達(dá)不到泵的額定流量；②泵的吸入壓力為3 m高度的水罐，符合最小0.015 MPa的要求；③對介質(zhì)抽樣檢查后，發(fā)現(xiàn)介質(zhì)的流動性非常差，甚至含有一定比例的絮狀物。經(jīng)過分析認(rèn)為，由于介質(zhì)的原因，造成吸入條件不能滿足泵的需要，致使在泵的工作過程中產(chǎn)生嚴(yán)重的氣蝕現(xiàn)象，從而造成閥組件的汽蝕損壞，導(dǎo)致泵不能正常工作，泵的實際排出流量沒有達(dá)到設(shè)計的額定流量。

經(jīng)過仔細(xì)對泵吸入腔流速、閥隙流速重新計算核對，原設(shè)計泵吸入腔流速為1 m/s；閥隙流速為0.7 m/s。實際上由于介質(zhì)流動性差，且含有較大顆粒物及絮狀物，泵腔流速雖然符合設(shè)計規(guī)范1～2 m/s，但對具體的介質(zhì)而言仍然顯得太高，造成泵吸入不足，致使泵腔內(nèi)的壓力小于介質(zhì)的飽和蒸汽壓力導(dǎo)致產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象；同時，閥隙流速偏高(0.7 m/s)，閥的通流能力差，不能保證閥的正常開啟和關(guān)閉，不僅不能保證泵的流量達(dá)到設(shè)計要求，還進(jìn)一步加劇了汽蝕的發(fā)生，使閥組件在極短的時間內(nèi)失效。

找到了問題癥結(jié)所在，重新設(shè)計生產(chǎn)了液缸體及閥組件。泵吸入腔直徑D由原來的?42 mm 加大到?60 mm，泵吸入腔流速由1 m/s降至0.49 m/s，同時將閥座孔直徑Dk由?35 mm 加大到 ?50 mm，開啟高度仍為6 mm，使閥隙流速由0.7 m/s降至0.51 m/s，如圖3。按改進(jìn)后的尺寸加工并重新安裝使用后，泵排出流量達(dá)到了5.1 m3/h，閥組件再也沒有發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，其使用壽命超過了2 500 h，泵組運行正常。液力端改進(jìn)前后數(shù)據(jù)對比如表1。

圖3　吸入閥結(jié)構(gòu)

泵吸入腔流速/(m·s-1)閥隙流速/(m·s-1)閥組件壽命/h改進(jìn)前1．000．740改進(jìn)后0．490．512500

通過以上分析可以看出，泵腔流速、閥隙流速合適與否對泵的正常運行有極其重要的影響。

4　結(jié)論

1)充分了解介質(zhì)特性，以便為結(jié)構(gòu)設(shè)計，特別是液力端設(shè)計提供準(zhǔn)確的條件。

2)對于黏度大，流動性差的介質(zhì)，應(yīng)采用通流能力強(qiáng)的錐閥結(jié)構(gòu)。

3)為了避免汽蝕現(xiàn)象發(fā)生，保證泵有足夠的吸入能力，盡可能地降低泵腔內(nèi)液體流速，而不能局限于以前的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

4)盡可能降低閥隙流速，保證閥組件有足夠的通流能力，并保證閥板的正常啟閉和密封。

[1]往復(fù)泵設(shè)計編寫組.往復(fù)泵設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

[2]關(guān)醒凡.泵的理論與設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

[3]劉維震，廖成銳.勝利油田注水泵的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展[J].石油礦場機(jī)械，1999,28(2)：41-43.

[4]吉效科，平郁才，劉豐寧，等.5DS系列注水泵結(jié)構(gòu)改進(jìn)與應(yīng)用[J].石油礦場機(jī)械，2014，43(12)：67-70.

[5]石油部科學(xué)技術(shù)情報所.三缸泥漿泵的特性和使用[M].北京：石油工業(yè)出版社，1985.

[6]劉清友，鐘青，黃本生.7NB直軸柱塞式泥漿泵及工作機(jī)理[J].天然氣工業(yè)，2001(2)：64-65.

Design and Application of High Viscosity Medium Injection Pumps

WANG Biehao1，TANG Wenjie1，WANG Chao1，LI Wei2

(1.Baoji Aerospace Power Punmp Co.，Ltd.，Baoji 721001，China；2.No.4OilProductionPlant，ChangqingOilfieldCompany，Xi’an710000，China)

According to the requirement of waste water reinjection process in oil field and the problems of use of conventional injection pump，such as short working life and frequent maintenance，causing not implement of normal injection requirement，a new injection pump was designed.Aiming at the control of flow rate of valve cavity and valve gap，and the structure of hydraulic end was improved to avoid air corrosion to meet injection process.The injection pump meets the expected efficiency.

injection pump；high viscosity；cavitation erosion；valve gap erosion

1001-3482(2016)10-0082-03

2016-03-24

王別好(1963-)，男，陜西眉縣人，工程師，主要從事油田用往復(fù)泵的設(shè)計工作。

TE934.1

Bdoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.10.020