高黏度介質注水泵設計與應用

王別好，湯文捷，王　超，李　偉

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

?

高黏度介質注水泵設計與應用

王別好1，湯文捷1，王超1，李偉2

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

根據油田注水工藝將高黏度的井場作業廢水回注的要求，以及常規注水泵在油田實際應用中出現的閥組件壽命短，維修頻繁，無法完成正常注水的要求等問題，設計了高黏度介質注水泵。對注水泵液力端的閥腔流速、閥隙流速等關鍵數據的控制，改進了液力端結構，避免氣蝕現象，最終滿足注水工藝條件，注水泵各項性指標能達到了預期效果。

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，注水介質一般為清水和采出水。近幾年來，為了節約水資源，從環境保護優先的理念出發，避免井場作業廢水，包括生活廢水對當地環境造成污染，長慶油田采用有機廢水處理，對某些工藝用水的限制指標進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。經過處理的井場作業廢水，水質符合回注的要求，其物理特性表現為黏度高，懸浮物含量高，有一定的腐蝕性。由于井場分散，井場作業廢水量不宜采取集中處理和回注，一般采用罐車運輸的方式將處理過的井場作業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泵撬作為注水設備。

針對井場作業廢水含有高黏度物質、液體流動性差，近似于泥漿的特性，設計了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、連續穩定運行的要求。

1　結構

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，根據介質黏度高、含有雜質的特性，閥組件選定通流能力較好的錐閥結構，如圖2所示。

1—啟動柜；2—電機；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

電動機驅動曲軸運轉，通過連桿、中間桿使曲軸的旋轉運動轉變為柱塞往復運動。在柱塞向左運動時，介質經過吸入閥組件進入吸入腔，當柱塞運行至左端終點時，進液過程完成。在柱塞向右運動時經過排出閥組件進入排出腔，柱塞運動至右止點時，排液過程完成。如此連續往復循環，介質被連續排出。

3　技術分析

長慶油田使用的一臺3NB-5/16型柱塞式泥漿注水泵的設計參數為：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，電機功率30 kW。

該泵在現場使用后，閥組件使用壽命短，只能達到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，經拆檢后發現，閥座、閥板密封面完全被損壞，其失效形式表現為閥面沖蝕，初期判定為介質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。后經過技術人員現場調查，主要情況有：①泵的排出流量達不到泵的額定流量；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對介質抽樣檢查后，發現介質的流動性非常差，甚至含有一定比例的絮狀物。經過分析認為，由于介質的原因，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生嚴重的氣蝕現象，從而造成閥組件的汽蝕損壞，導致泵不能正常工作，泵的實際排出流量沒有達到設計的額定流量。

經過仔細對泵吸入腔流速、閥隙流速重新計算核對，原設計泵吸入腔流速為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計規范1～2 m/s，但對具體的介質而言仍然顯得太高，造成泵吸入不足，致使泵腔內的壓力小于介質的飽和蒸汽壓力導致產生汽蝕現象；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閉，不僅不能保證泵的流量達到設計要求，還進一步加劇了汽蝕的發生，使閥組件在極短的時間內失效。

找到了問題癥結所在，重新設計生產了液缸體及閥組件。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。按改進后的尺寸加工并重新安裝使用后，泵排出流量達到了5.1 m3/h，閥組件再也沒有發生汽蝕現象，其使用壽命超過了2 500 h，泵組運行正常。液力端改進前后數據對比如表1。

圖3　吸入閥結構

泵吸入腔流速/(m·s-1)閥隙流速/(m·s-1)閥組件壽命/h改進前1．000．740改進后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　結論

1)充分了解介質特性，以便為結構設計，特別是液力端設計提供準確的條件。

2)對于黏度大，流動性差的介質，應采用通流能力強的錐閥結構。

3)為了避免汽蝕現象發生，保證泵有足夠的吸入能力，盡可能地降低泵腔內液體流速，而不能局限于以前的經驗數據。

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]往復泵設計編寫組.往復泵設計[M].北京：機械工業出版社，1987.

[2]關醒凡.泵的理論與設計[M].北京：機械工業出版社，1987.

[3]劉維震，廖成銳.勝利油田注水泵的應用現狀及發展[J].石油礦場機械，1999,28(2)：41-43.

[4]吉效科，平郁才，劉豐寧，等.5DS系列注水泵結構改進與應用[J].石油礦場機械，2014，43(12)：67-70.

[5]石油部科學技術情報所.三缸泥漿泵的特性和使用[M].北京：石油工業出版社，1985.

[6]劉清友，鐘青，黃本生.7NB直軸柱塞式泥漿泵及工作機理[J].天然氣工業，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泵的設計工作。

TE934.1

Bdoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.10.020