油田高壓往復注水泵泵閥故障及其改進技術

蔣偉，閻磊，劉鵬，宋健，生文博

（中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司鉆井裝備公司工業泵制造廠，天津 300280）

0 引言

油田開采后，油層壓力逐漸下降，要向地層注水維持油層壓力，是提高采收率的重要方法，注水泵機組是油田注水系統的主要設備，我國油田普遍采用注水采油技術。通常采用的往復式注水泵，是采油廠重要生產設備。目前國內對注水泵機組運行故障診斷處于起步階段，現場往復泵設備管理處于經驗管理水平，采用事后維修方法。有必要開展往復泵故障診斷技術研究，提高設備制造維修質量，避免生產事故發生。中石油公司多次立項對往復式注水泵開展研究，對往復式注水泵進行狀態監測，取得顯著經濟社會效益。體現在可早期發現注水泵故障征兆，保證注水安全進行；按注水泵狀態延長大修周期，減少不必要維修量，提高設備利用率；避免注水泵過分維修，避免人為隱患等不必要失誤。

1 往復注水泵故障診斷技術

故障診斷技術是測取機械在運行中的狀態信息，對測得信號進行分析處理，定量識別機械設備技術狀態，預知有關異常故障的技術狀態，確定必要對策技術。故障診斷實質是狀態識別，診斷過程包括選擇參數、檢測設備狀態特征信號，從檢測到的特征信號中提取征兆，將參考模型與現有征兆按不同方式組成待檢模式，確定將待檢模式劃為哪類參考模式。往復式注水泵故障診斷是測取泵的信號、提取特征分量、利用數學方法推理、分析是否有故障并確定故障類型部位。

故障診斷是對機械設備工作狀態正常程度進行判斷，在事發前查明采取相應決策、機械故障診斷是高度綜合交叉學科，現代故障診斷理論技術研究起源于20世紀60年代末，是研究設備運行狀態信息變化的科學[1]。故障診斷始于設備故障診斷，以可靠性理論、控制論為理論基礎，以計算機為技術手段，逐步形成的新興學科。20世紀70年代美國飛機診斷技術、瑞典軸承診斷技術取得顯著社會經濟效益。20世紀80年代，日本在民用工業部門診斷技術方面發展較快。我國在冶金化工等領域研究取得卓越成效。大量研究表明，大型機械設備狀態監測是綜合性高新技術學科，可預防減少惡性事故的發生，保障人身及設備安全。故障診斷技術隨著設備技術歷史發展，設備維修科學化經歷設備事后維修、定期點檢階段與預制維修階段。

往復式注水泵主要由動力端與液力端系統等部分組成，有旋轉運動與往復運動振源。其工作元件為柱塞，流量不均勻，往復式注水泵吸入排出分段進行，閥的開關產生對閥座的撞擊。柱塞泵常見易損件為密封件與金屬件，密封件主要損壞形式有磨損、橡膠件老化等。金屬件損壞形式有沖蝕、疲勞破壞等[2]。由于慣性力矩干擾或軸承缺陷引起載荷波動等。根據往復式注水泵結構特點，國內外學者進行大量研究，常用診斷手段包括振動分析法、油液分析法、溫度監測法等。

振動測試分析是診斷往復式注水泵的基本手段，往復式注水泵各種運動幅的磨損、配合精度變化等通過振動信號得到反映，對振動信號分析可獲得反映往復式注水泵振動速度等信息。注水泵信號分析方法有頻域功率譜估計、時域特征分析。往復式注水泵許多零部件在摩擦條件下工作，溫度是反映某些部位狀態變化的敏感因子，對活塞等部位潤滑情況、反映泵閥等部件工作狀態有效。油液分析是從潤滑油中提取信息，對注水泵曲軸箱運動副的磨損情況進行監測，是理想的輔助手段。包括油品老化性能分析技術、潤滑油料中磨粒成分光譜分析技術。有多種材質摩擦副存在磨損故障，采用油液分析不能準確區分故障部位。

2 往復泵結構及工作原理

往復泵工作在泵缸中有活塞，泵缸上有閥室，泵缸中活塞與閥之間空間為工作室。活塞由泵缸左端向右移動，泵缸工作室容積加大，壓力降到大氣壓以下時，液池中液體進入吸入管，頂開吸入閥進入工作室，排出閥由于排出管中液體壓力壓住關閉[3]。活塞移至右端，工作室容積最大，活塞向左移動，推開排出閥進入排入管，吸入閥被缸內液體壓住，活塞移至左端，完成工作循環，活塞向右移動，往復泵重復地不斷工作。

活塞在泵缸兩端間往復移動，活塞在死點間移動距離為活塞沖程，每個工作循環有一個吸入排出沖程。往復泵是容積式水力機械，依靠在泵缸內往復運動活塞改變工作室容積，由于泵主要工作部件在泵缸內運動為往復式運動稱為往復泵。往復式注水泵為柱塞泵，將原動機能量傳給柱塞傳動部分，通常分為動力端與液力端。動力端由減速機構、曲軸主軸承、連桿大頭軸瓦、十字頭銷、支架等組成，作用是將動力機旋轉運動變成往復直線運動。液力端由泵頭體、進液閥、浮動套等組成，作用是將動力端提供的機械能轉化為液壓能。

往復泵瞬時流量為脈沖，液體介質吸入排出過程交替進行，速度在不斷變化，工作腔泵中泵瞬時流量隨時間變化，瞬時流量脈動幅度減小[4]。平均流量理論上是恒定的，泵的流量取決于主要結構參數，與排出壓力無關，與輸送介質理化性質無關。泵的壓力取決于管道特性，往復泵排出壓力不能由泵限定，如果輸送液體不可壓縮，理論上認為往復泵排出壓力不受限制。所有往復泵有泵排出壓力規定，不允許超出排出壓力使用。往復泵由于液力端材料限制會遇到不能適應的情況。往復泵有良好的吸入性能，啟動前不需灌泵。

柱塞泵工作通過電動機提供泵的動力，聯軸器帶動曲軸旋轉。曲柄逆時針旋轉，液缸內容積增大，吸水池液體在壓力差下克服吸入管路等助力損失進入液缸，曲柄轉過180°角后柱塞向左移動，液缸內壓力增加，吸入閥關閉，排出閥打開，液體被排送到管路中，柱塞不斷吸入排出液體。柱塞泵是進行能量傳遞的機械，把動力機械能傳遞給抽送液體。柱塞泵是泵站中的主要設備，柱塞泵的設計制造、安裝運行對工程投資影響很大，與降低成本有密切關系。

3 往復泵故障診斷方法

由于柱塞泵通常需要將回轉運動轉換為往復運動，運動形式多樣化。其特點體現在振動隨負荷變化，同時發生多種振動。柱塞撞擊缸體引起振動等同時發生，運動部件出現機械故障，難以從振動信號中檢查激勵力變化情況。從敏感點選擇確定比較困難。柱塞泵故障類型主要分為結構性故障與性能故障。結構性故障包括零件磨損、油路堵塞等；性能故障表現為力學性能指標達不到要求，如轉速波動較大等。

對柱塞式注水泵進行故障診斷前應對其結構有全面了解，為掌握注水泵運行中的癥狀，必須對分離部件進行故障機理研究，對系統進行故障機理研究。柱塞泵故障主要原因是缸體與十字頭磨損嚴重、盤根總成損壞、軸瓦損壞等。設備故障使設備運行功能失常，從診斷對象出發是設備輸入與預期輸出不相容。相應故障診斷是對系統運行狀態進行判斷，包括狀態監測、故障預測等方面。

注水泵故障診斷過程包括信號采集、處理與特征提取。設備運行中產生振動、聲音等量的變化，從不同方面反映注水泵系統運行狀態。選擇充分表征設備工作狀態的測試量非常必要。信號采集是后續工作的基礎，信號采集建立在對測點選取基礎上實現。通常利用現場采集信號判斷設備運行情況，查明隱含故障困難，需要對采集的信號分類處理，如對振動信號進行濾波等。隨著計算機技術的發展，信號處理手段日新月異，如何選取合適的處理方法成為故障診斷工作的重點。

特征提取階段是將信號處理特征參數與規定參數進行比較，以確定設備所處狀態，合理分析模型，清晰表示復雜故障特征。分析診斷階段主要工作是根據信號特征提取結果，對設備狀態進行判斷，判斷故障程度，決定采取的對策措施，預測設備將來發生的故障趨勢。柱塞式注水泵故障診斷是揭示故障存在部位，預知故障發展趨勢。柱塞式注水泵是大型旋轉機械部件，在石油工業生產領域得到廣泛應用。由于往復泵種類繁瑣、零部件多、發生故障多樣，難以找到綜合性監測指標對注水泵性能進行監測，需對不同部件故障模式進行詳細分析，選擇合適的手段完成部件狀態監測診斷。

圖1 往復式注水泵外形圖

圖2 往復式柱塞泵示意圖

4 高壓往復泵泵閥故障改進

3H-8/450II型高壓往復式注水泵為油田注水泵工程主力設備，隨著油田后期注水開發持續進行，部分區塊因注水泵設備故障導致欠注嚴重。注水泵工作中泵閥工況惡劣，據統計，80%的故障由于閥桿斷裂引起。根據泵閥故障特征，對國產3H-8/450II型高壓往復注水泵結構進行分析，改進國產3H-8/450II型高壓往復注水泵技術參數包括揚程H為4500 m,閥孔直徑dk=25 mm,流量Qtf=8 m3/h,柱塞沖次n=416 min-1。

分析泵閥故障問題包括：閥桿頻繁斷裂、閥的導向無法保證閥桿同軸度要求。斷裂部位主要是閥桿頸部退刀槽處，易引起應力集中，導致閥桿頸部斷裂。同軸度靠缸體內孔形位公差保證，閥座與閥桿零件加工難度大，同心度不易達到要求，閥桿斷裂后易破壞缸體內側表面，為拆裝帶來困難。對出現的問題進行分析，閥導向套兼有升程限制器作用，閥材質為9Cr18，設計硬度為55～60 HRC，泵閥升程限位受力處有退刀槽，熱處理受熱不均產生應力集中。閥桿間隙小，閥桿受側向力大，最初改進考慮增加閥桿強度。閥桿頸部退刀槽改為圓弧角過渡，加大閥桿導向間隙。改進后閥壽命增加，但問題未得到根本解決，需要對泵閥設計進行核算。

圖3 改進前后泵閥導向定位結構對比

根據往復泵單向閥設計庫克列夫斯基條件，單向閥關系hmax=（700～500）÷416=1.683～1.803 mm，閥升程設計偏大，使閥不能平穩工作。閥孔面積Ac=（π/4）d2k,閥孔最大流速Ccmax=Qmax/Ac=3.556 m/s。為保證通用性，將吸入設計成相同尺寸。分析表明泵設計升程過高，密封面壽命降低，影響閥座同軸度。閥孔最大流速過高，閥桿直徑較小，熱處理受熱不均易產生應力集中。

根據計算分析，對泵閥進行改進。將泵閥打開時升程限位點改到閥盤密封面背面，閥桿根部圓弧過渡，避免應力集中，提高產品使用壽命；將缸體閥座腔孔定位改為閥座閥套一體定位，加工精度與同心度易滿足使用要求。閥升程降到4 mm，閥孔直徑增大到32 mm。Ccmax=2.17 m/s,泵吸入狀況改善。通過改進泵的故障停運率降低80%，泵閥使用壽命延長至4個月，減輕注水泵設備維修勞動強度。為確保注水量不受影響，對閥內部局部改造，由于流道尺寸限制，更好的整改方案未實施，有待在新泵制造中完成。