雙作用大排量柱塞式往復高壓泵的設計和應用

蔣 偉，劉 鵬，孫曉松，張峰源，徐金亮

（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

注水泵機組是油田注水的關鍵設備，為提高油田采油速度和采收率，注水開發是主要方法。油田油藏類型多樣，采取不同的注水系統，根據注水能力有大站系統和小站系統。大站系統主要是大排量的離心注水泵，用于高滲透、整裝大油田，壓力達到16 MPa 以上；采用調速運行注水泵機組，適應配注量變化較大的區塊；采用增壓注水泵，適應高于系統壓力的注水井。國內油田油井大約60 余萬口，其中注水井10 余萬口，有超過5 萬臺的注水泵，平均單臺功率≥55 kW。注水泵效率與環境污染、能源消耗、采油成本等密切相關。據統計，55%以上注水量使用低轉速離心式、低效率、大排量注水泵，傳統的離心泵需要用大排量往復式高壓泵來替代。增壓注水泵用于高于系統壓力的注水井點，可以提高系統效率，促進注水井增注。柱塞泵是應用最多的增壓泵，有高進高出型和低進高出型，均有成熟的應用技術；近年來，還出現倒置式增壓注水電動潛油泵、管道式電機多級增壓離心注水泵等。選取某油田為研究對象，分析設計雙作用大排量柱塞式往復高壓泵。

1 往復高壓泵的結構及工作原理

1.1 往復高壓泵的結構

往復高壓泵有活塞泵、柱塞泵，柱塞泵的密封元件裝在靜止部件上，活塞泵的密封元件裝在活塞體上。根據所輸送介質的要求，合理選擇材料，設置柱塞密封的填料箱，柱塞泵開關簡單，柱塞直徑不宜過小，通常為3～150 mm。液力端上裝有隔膜，隔膜泵是隔開柱塞工作缸與輸送介質的過流部件。隔膜類型有膜筒形隔膜、膜片等，應用最多的為膜片。液壓隔膜泵利用柱塞工作缸中液體壓力的周期變化工作[1]。隔膜泵輸送介質不會外漏。在柱塞的吸入過程中，液壓隔膜泵需要消耗一定的能量。隔膜泵的余隙容積較大。要限制隔膜泵的往復次數，保證隔膜有足夠的疲勞壽命[2]。通常隔膜泵每缸流量范圍是1～10 m3/h。借助油與工作腔內被輸送介質的密度差，形成周期波，輸送流體的油隔離泵，流量可以較大，排出壓力不宜太高。往復次數較高時，會失去油隔離作用，往復次數通常＞60 次/min。為保證安全性，直接作用泵不易過載。裝置特性決定手動泵的揚程。人力在單位時間內的操作均勻程度、操作次數，決定手動泵的流量和均勻程度[3]。計量泵也稱為比例泵、可變排量泵、調量泵，按照指示值，對輸送流體精確調節。計量泵具有計量儀器和泵的雙重作用。

1.2 往復高壓泵的工作原理

往復高壓泵分為兩部分，傳動端與液力端。傳動端將原動機的能量傳給液力端；液力端把機械能轉換為液體壓力能，直接輸送液體。傳動端主要有十字頭、連桿、曲柄等，液力端主要有吸入閥、柱塞、液缸體、排出閥等[4]。液缸體上有排出閥、吸入閥，液缸中有活塞桿和活塞，通過排出閥、吸入閥，與排出管路、吸入管路連接。當曲柄以角速度ω 逆時針旋轉，從左極限位置開始，活塞向右移動，壓力降低，工作腔容積增大，液體進入液缸中；到右極限位置時，吸入閥關閉[5]；轉過180°后，開始向左運動，液體壓力急驟增加；打開排出閥，液體被排送到管路中。以角速度ω 不停旋轉，往復高壓泵就會不斷排出液體、吸入液體。

2 雙作用大排量柱塞式往復高壓泵設計

2.1 設計方案

雙作用大排量柱塞式往復高壓泵包括液力端、動力端油缸及其附件、液壓站、閥組等，液壓站向動力端油缸提供動力，如圖1 所示。本方案的動力端采用液壓站直接驅動的方式，優選缸體材料和柱塞。液力端活塞由動力端油缸活塞往復運動帶動，實現升壓注入。開關裝于液力端、動力端缸體間，使柱塞能夠及時準確地換向。

圖1 設計方案

2.2 受力分析

升壓注入泵的柱塞運動時，受力包括往復運動時的慣性力和液體壓力。提高泵的沖次，才能減小柱塞上的液體壓力，減少柱塞面積，保持一定的排量。但產生的慣性力就會增加，提高到一定程度，超過活塞壓力的減小值[6]。排量維持不變的條件下，慣性力和曲柄半徑、沖次的平方呈正相關，活塞面積和沖次呈反相關。往復高壓泵工作時，曲柄連桿機構上的力包括運動副中的摩擦力、運轉構件的慣性力、活塞上的液體壓力等。

2.3 雙作用往復高壓泵設計

如圖2 所示，雙作用往復高壓泵主要包括液力端、油缸、驅動裝置及其附件、電器控制柜、閥組等，液壓驅動裝置主要包括齒輪油泵、手動變量泵、油箱、壓力表、電液換向閥、濾油器等，動力端油缸的動力主要由液壓站提供[7]。液力端活塞由動力端活塞往復運動實現升壓注入，自動控制時自動實現往復運動，手動控制能夠實現單向動作。只要改變泵的沖次，即可調節升壓泵的流量。調節手動變量泵輸送的液壓油量，實現無級調節升壓泵排量。當黏度降解率＜3%，容積效率＞90%，排出壓力為16 MPa。

圖2 無級調速升壓泵液路原理

2.3.1 液力端結構

如圖3 所示，液力端結構包括泵閥、活塞、缸體等。優化閥組的結構，簡化閥組的整體結構，提高泵閥的可靠性。閥罩與導向架進行一體化設計，減少故障點。優化設計彈簧，合理匹配進、出口彈簧的剛度。決定閥工作可靠性的關鍵參數，是閥組的開啟高度。優化閥組開啟高度，保證過流面積，同時保證閥的響應效率[8]。選擇滿足抗腐蝕要求的機體材料，以不銹鋼為主，耐腐蝕材料如38CrMoAl、6Cr18Mo、9Cr18Mo、2Cr13、1Cr18Ni9Ti 等。提高活塞和進出口閥組的使用壽命，增加材料表面硬度和耐磨性，篩選耐腐蝕能力強、使用壽命長的機體材料。減少閥芯和閥座密封面寬度，降低閥組的啟閉阻力。閥門關閉時，快速切斷介質的高分子鏈，增大介質黏度降解率，避免抽絲現象。

圖3 液力端結構

表面壓注的柱塞使用新型高強度工程塑料。柱塞骨架為1Cr18Ni9Ti，保證注層與芯體的結合力，注層厚度平均為2 mm，前端壓注新型高強度增強塑料，避免注層的脫落。注層材料自修復、自潤滑、耐磨性能良好，防腐防垢能力顯著，可以提升使用壽命。

2.3.2 動力端與控制系統

普通柱塞泵由電機直接帶動，噪聲高，振動大，泵換向沖擊大。為解決這一問題，采取液壓驅動代替電機驅動，如圖4 所示，為動力端結構。動力端油缸的動力來自液壓站，液力端活塞由動力端油缸活塞往復運動帶動[9]。柱塞能夠及時準確地換向，可以解決噪音高、振動大、結構變形嚴重等問題，同時提升系統的穩定性和可靠性。在泵的出口，匹配緩沖補償裝置。改進系統換向閥，并增加泵的剛度，改善泵的工作狀況。過去8 MPa的壓力波動幅值，下降到0.7 MPa；1.2 m3/h的流量波動幅值，下降到0.4 m3/h。大幅度降低泵換向時的噪聲與振動。

圖4 動力端結構

相比普通三缸泵，雙作用大排量柱塞式往復高壓泵的安裝方便，重量輕，體積小，結構簡單緊湊。雙作用大排量柱塞式往復高壓泵沖次低，沖程長，缸徑大，運轉非常平穩，進出口閥門的開關次數減少，容積效率高，可實現流量的無級調節。運轉時噪音非常低，液壓站可以單獨隔離。泵本身沒有電源，靠液壓站提供動力，對危險的作業場所尤其適用[10]。采用非接觸式限位換向開關，可以避免撞缸現象，準確及時地進行柱塞換向。

3 雙作用大排量柱塞式往復高壓泵的應用

對于雙作用大排量柱塞式往復高壓泵，充分考慮泵換向時的沖擊問題，應用液壓驅動的動力端。通過匹配合理的補償裝置，改進換向閥結構，改進動力端的結構，解決換向沖擊問題。試驗結果顯示，增加泵的剛度，匹配合理的緩沖補償裝置在泵的出口，改進系統換向閥，明顯改善了泵的工作狀況，流量波動幅值降低到0.4 m3/h，壓力波動幅值降低到0.7 MPa，大幅度降低了泵換向時的振動和噪聲。

如圖5 所示，改進前的液力驅動動力端輸出曲線在柱塞換向瞬間，鋸齒型波紋明顯，表示有較大的換向沖擊。其他工作時間，泵的工作比較穩定，曲線接近一條直線，相對平滑。泵換向過程為最大峰值，改善措施是壓力補償。

圖5 改進前動力端輸出曲線

如圖6 所示，改進后的液力驅動動力端輸出曲線在柱塞換向瞬間，大幅度降低了鋸齒型波紋幅值，顯示降低了泵的換向沖擊。其他工作時間泵的工作比較穩定，曲線接近一條直線。補償裝置合理匹配后，可解決換向沖擊問題。泵在工作過程中，泵座變形的主要原因是受力不均勻。工作中的運動部件最高受力80 kN，向泵座傳遞，導致泵座變形。為使力對稱分布，可以改進泵座的結構，增加剛度，避免泵體的變形。

圖6 改進后動力端輸出曲線

相比三缸柱塞泵，工業現場應用雙作用大排量柱塞式往復高壓泵的性能見表1。該泵降低了輸送介質的黏度降解率，容積效率高，流量大，滿足應用要求，技術指標達到設計要求。

表1 應用性能數據

4 總結

根據生產實際，設計雙作用大排量柱塞式往復高壓泵，能夠有效增加流量，并且振動小，運轉平穩，容積效率高，解決了其工作中存在的問題。