海上油氣田大功率注水泵設(shè)計(jì)及示范應(yīng)用策略

李經(jīng)緯，史云龍，許光偉

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津300450)

0 引言

注水泵是幫助實(shí)現(xiàn)海上油田注水、采油的關(guān)鍵性設(shè)備。海上油氣田與現(xiàn)有油田開(kāi)發(fā)方式在不斷的調(diào)整，中心平臺(tái)注水量的增加使大功率注水泵便成為其中的關(guān)鍵設(shè)備，需求量在極速增加。目前海上油田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的油氣產(chǎn)量有91%為注水開(kāi)發(fā)，該種開(kāi)發(fā)形式讓石油開(kāi)采量穩(wěn)定且持續(xù)。大功率注水泵制造工藝較為細(xì)致、技術(shù)含量極高、制造難度較大，所以長(zhǎng)期被外國(guó)廠(chǎng)商壟斷式生產(chǎn)，進(jìn)口價(jià)高達(dá)千萬(wàn)元。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)某海上油田項(xiàng)目對(duì)國(guó)產(chǎn)化大功率注水泵的水力模型、性能、使用風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對(duì)措施等進(jìn)行詳細(xì)的可行性分析，并對(duì)國(guó)產(chǎn)化大功率注水泵的示范應(yīng)用策略進(jìn)行相應(yīng)的探討[1]。

1 注水泵總體方案

1.1 泵型和結(jié)構(gòu)的確定

文章所講述的注水泵結(jié)構(gòu)形式以BB3型為主。該種泵型主要運(yùn)用在石油化工和天然氣工業(yè)領(lǐng)域，泵殼體采用了水平中開(kāi)軸向剖分的設(shè)計(jì)形式，泵體下方為水管道。該種設(shè)計(jì)方式能夠在維修更換部件過(guò)程中不對(duì)管線(xiàn)和驅(qū)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆卸便可完成，在海上平臺(tái)應(yīng)用極為便捷，其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)有：(1)注水泵整體結(jié)構(gòu)所采用的是6級(jí)轉(zhuǎn)子，首級(jí)葉輪為雙吸葉輪，該種設(shè)計(jì)可以降低泵體汽蝕的余量，讓整體結(jié)構(gòu)的汽蝕性能得到有效的提升；(2)雙渦殼流道能夠讓徑向力通過(guò)雙吐出流道實(shí)現(xiàn)平衡狀態(tài)，葉輪使用背靠背的布置形式可以讓其實(shí)現(xiàn)自平衡；(3)葉輪與軸的配合可以對(duì)卡環(huán)進(jìn)行單獨(dú)的定位處理，殼體級(jí)間使用螺旋短流道完成過(guò)渡，可減小泵體軸向的整體尺寸，讓整體結(jié)構(gòu)更加的緊湊，從而讓泵軸承的跨距能夠有效減小，提升泵運(yùn)行穩(wěn)定性；(4)徑向使用滑動(dòng)軸承，并以平面止推力軸承對(duì)軸向進(jìn)行有效控制，再使用強(qiáng)制潤(rùn)滑來(lái)提升軸承的使用年限；(5)高壓端通過(guò)設(shè)置平衡室與低壓端用平衡管進(jìn)行有效連接，可以使高壓端密封腔壓力實(shí)現(xiàn)有效的降低；(6)機(jī)械密封所使用的管式為用集裝波紋，通過(guò)選擇PLAN 11自沖洗的潤(rùn)滑冷卻方案來(lái)實(shí)現(xiàn)首級(jí)葉輪渦室取水[2]。

1.2 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)流場(chǎng)分析

結(jié)合雙精度計(jì)算方法及有限體積法離散控制方程，并選擇使用分離式的求解器對(duì)流動(dòng)定常進(jìn)行假定處理，然后選擇PNGK-ε的湍流模型。同時(shí)，需要分析彎曲壁面對(duì)流動(dòng)所產(chǎn)生的具體影響，然后通過(guò)選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)對(duì)近壁區(qū)域發(fā)展非充分的湍流流動(dòng)情況進(jìn)行有效處理，使用SIMPLEC算法對(duì)壓力和速度的耦合進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。二階中心差分格式可以對(duì)擴(kuò)散項(xiàng)離散進(jìn)行計(jì)算。二階迎風(fēng)格式可用于流頂、湍動(dòng)能、耗散率運(yùn)輸方程的計(jì)算?？刂品匠掏ㄟ^(guò)使用二階離散格式能夠有效地降低數(shù)值計(jì)算截?cái)嗾`差對(duì)實(shí)際數(shù)額所產(chǎn)生的影響，讓計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的結(jié)果更加精確。

1.3 有限元強(qiáng)度分析

為了加強(qiáng)注水泵應(yīng)變分析的有效性，可以通過(guò)使用靜態(tài)有限元分析方式進(jìn)行強(qiáng)度分析，并以此為基礎(chǔ)對(duì)泵體和泵蓋進(jìn)行建模處理。通過(guò)使用ANSYS軟件對(duì)模型網(wǎng)格進(jìn)行自動(dòng)劃分，并對(duì)泵體螺栓孔等部分進(jìn)行有效的簡(jiǎn)化處理，但前提是不能對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分過(guò)程中，單元類(lèi)型作屬于中節(jié)點(diǎn)的四面體，其中整個(gè)模型中所包含的單元四面體有50.5萬(wàn)個(gè)，節(jié)點(diǎn)有78.6萬(wàn)個(gè)。通過(guò)使用ANSYS軟件對(duì)注水泵的泵體應(yīng)力形變情況進(jìn)行具體的校核分析，然后通過(guò)對(duì)工況加載壓力載荷和管口載荷進(jìn)行計(jì)算，對(duì)三種工況進(jìn)行了考慮：正常工作時(shí)，泵體最大應(yīng)力應(yīng)當(dāng)處于134.2 MPa，泵體最大總變形應(yīng)當(dāng)保持在0.114 mm，法蘭最大軸向變形需要保持在0.024 mm；若是疊加三倍標(biāo)準(zhǔn)管口荷載之后的泵體最大應(yīng)力需要保持在不變的狀態(tài)，其最大形變保持在0.2 mm，法蘭最大軸向變形需要保持在0.11 mm以?xún)?nèi)；根據(jù)最大允許工作壓力校核泵體強(qiáng)度是需要保持在12.5 MPa，此時(shí)泵體的總形變最大需要保持在0.4 mm，各級(jí)口環(huán)徑的變形程度為0.008～0.065 mm，此時(shí)泵體最大應(yīng)力可以保持在276.7 MPa，此時(shí)泵體強(qiáng)度為材料屈服強(qiáng)度的23倍之內(nèi)。本文所介紹的大功率注水泵在工作過(guò)程中可以達(dá)到的最大工作壓力為12.5 MPa，在該壓力下其運(yùn)行能夠保持安全穩(wěn)定[3]。

1.4 水力性能分析及驗(yàn)證

文章所研究的注水泵定型參數(shù)經(jīng)過(guò)出廠(chǎng)集成測(cè)試，并對(duì)水力性能的達(dá)標(biāo)程度進(jìn)行了相應(yīng)的驗(yàn)證，能夠滿(mǎn)足大功率注水泵的使用要求。其中，額定工況點(diǎn)泵效保持在80%以?xún)?nèi)，其中震動(dòng)、噪音、軸承溫度等經(jīng)過(guò)檢測(cè)之后都能夠完全滿(mǎn)足具體使用要求。對(duì)關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比之后證明，國(guó)產(chǎn)化大功率注水泵的運(yùn)行水平已經(jīng)可以完全和進(jìn)口品牌大功率注水泵的運(yùn)行效率相比擬[4]。

2 注水泵設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 注水泵材質(zhì)優(yōu)選

該項(xiàng)目中所選用的注水介質(zhì)為生產(chǎn)水。生產(chǎn)水是通過(guò)生產(chǎn)分離器所產(chǎn)生的，然后根據(jù)比例進(jìn)行海水的添加。對(duì)該水質(zhì)進(jìn)行分析之后，水質(zhì)中的Cl-含量達(dá)到了12935.11 mg/L。以往周邊平臺(tái)所使用的都是C-6材質(zhì)的進(jìn)口注水泵，為確保國(guó)產(chǎn)注水泵在使用過(guò)程中材質(zhì)達(dá)到規(guī)定要求，A海上平臺(tái)項(xiàng)目所使用的是具有更高性能的D-1防腐等級(jí)材質(zhì)。文章所提出的大功率注水泵需要配置相應(yīng)的故障檢測(cè)系統(tǒng)，能夠在注水泵運(yùn)行過(guò)程中對(duì)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行有效采集，并進(jìn)行故障分析，讓國(guó)產(chǎn)注水泵能夠在項(xiàng)目運(yùn)行過(guò)程中更好的發(fā)揮其實(shí)際功能。本文提出的大功率注水泵監(jiān)測(cè)點(diǎn)冗余設(shè)計(jì)比之前的注水泵項(xiàng)目增加30%以上，對(duì)箱體震動(dòng)及油箱滑油液位、軸承溫度等都設(shè)置了相應(yīng)的檢測(cè)點(diǎn)，能夠?qū)φ麄€(gè)泵體以圖形方式統(tǒng)計(jì)運(yùn)行數(shù)據(jù)。信號(hào)界面可以通過(guò)LCP控制盤(pán)直接顯示，然后結(jié)合DCS系統(tǒng)通訊對(duì)注水泵的實(shí)際工作過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送接口的有效預(yù)留來(lái)實(shí)現(xiàn)提升注水泵的工作能力。

2.2 液力耦合器調(diào)速

為了讓大功率注水泵能夠在海上平臺(tái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)行，需要通過(guò)對(duì)液力耦合器進(jìn)行調(diào)速，然后讓泵和電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中共用滑油和滑油冷卻器，有效地節(jié)約泵體占據(jù)的空間。注水泵則需要選擇使用強(qiáng)制潤(rùn)滑的形式，并將液力耦合器底殼直接當(dāng)做油箱來(lái)為注水泵進(jìn)行加油工作[5]。

3 大功率注水泵的示范應(yīng)用策略探討

3.1 推進(jìn)路線(xiàn)需要循序漸進(jìn)

在使用國(guó)產(chǎn)化大功率注水泵的過(guò)程中需要合理控制風(fēng)險(xiǎn)。在運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)逐步推進(jìn)的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)完全替換進(jìn)口大功率注水泵，讓國(guó)產(chǎn)注水泵能夠有足夠的時(shí)間在實(shí)際工作中完全勝任自身工作，并通過(guò)對(duì)其使用過(guò)程中存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，比如對(duì)輸送介質(zhì)、泄漏、震動(dòng)、腐蝕、布置區(qū)域等存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行逐步分析。本文所舉例的項(xiàng)目主要的輸送介質(zhì)為海水、生產(chǎn)水，危險(xiǎn)性較小，所以能夠保持一定的安全性。安全防護(hù)也準(zhǔn)備的較為充分，左側(cè)設(shè)置了防火墻，右側(cè)設(shè)置了電氣間，不需要設(shè)置相應(yīng)的防爆電機(jī)，所以存在的風(fēng)險(xiǎn)也相對(duì)較低。輸送介質(zhì)泄漏風(fēng)險(xiǎn)需主要對(duì)中分面刺漏的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行控制，但該風(fēng)險(xiǎn)不存在爆裂現(xiàn)象。通過(guò)在設(shè)計(jì)階段對(duì)泵殼流體和基座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能夠減少振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 核心部件使用國(guó)產(chǎn)制造

在注水泵設(shè)計(jì)中使用國(guó)產(chǎn)核心部件能夠降低產(chǎn)品研制風(fēng)險(xiǎn)。本文所提出的注水泵設(shè)計(jì)要求必須要以API610最新版作為參照，嚴(yán)格根據(jù)該要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，所研制的產(chǎn)品在投入使用之前必須要通過(guò)第三方對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，確保其在實(shí)際使用過(guò)程中的不會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。通過(guò)對(duì)國(guó)外以及國(guó)內(nèi)所生產(chǎn)的陸上BB3型離心泵進(jìn)行對(duì)比分析，可經(jīng)看到國(guó)內(nèi)在大功率注水泵的研制上已經(jīng)基本成熟，且能夠完全適應(yīng)海上環(huán)境需要，在海上油氣田開(kāi)采中完全可以達(dá)到相應(yīng)的要求和標(biāo)準(zhǔn)。為了讓注水泵系統(tǒng)能夠在運(yùn)用過(guò)程中更加可靠，需要將泵體的核心部分逐漸實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，對(duì)于部分較為精細(xì)的零配件可以使用進(jìn)口品牌，提升注水泵在實(shí)際工作中的有效性。液力耦合器、探測(cè)元器件等關(guān)鍵零部件需要實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，以逐步擺脫核心部件對(duì)進(jìn)口產(chǎn)品的依賴(lài)[6]。

3.3 重視集成測(cè)試方案，對(duì)售后維護(hù)策略進(jìn)行明確

本文所提出的大功率注水泵所采取的技術(shù)為新技術(shù)，即力耦合調(diào)速。該技術(shù)比成橇注水泵集成測(cè)試能力的要求更高，不僅需要對(duì)其全速性能進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試，還需要對(duì)液力耦合器調(diào)速聯(lián)調(diào)，進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)工作。在售后保修方面需要與廠(chǎng)家進(jìn)行協(xié)商，取得最低三年的保修服務(wù)。且需要在投入使用前對(duì)注水泵的具體能力進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)，確保注水泵在使用過(guò)程中能夠充分發(fā)揮自身的能力。

4 結(jié)語(yǔ)

國(guó)產(chǎn)化大功率注水泵已逐漸應(yīng)用于海上工程項(xiàng)目中，且已經(jīng)取得了較為優(yōu)異的成績(jī)。國(guó)產(chǎn)化大功率注水泵的使用有效地降低了注水泵設(shè)備購(gòu)買(mǎi)的成本，打破了外國(guó)長(zhǎng)期的壟斷式銷(xiāo)售，隨著維護(hù)后期本土化的跟進(jìn)，未來(lái)國(guó)產(chǎn)化大功率注水泵有極大的發(fā)展空間，且能夠在我國(guó)今后的海上油田開(kāi)采過(guò)程中持續(xù)地發(fā)揮其降本增效的能力。