海上平臺(tái)臥式柱塞泵降低故障率的改造與應(yīng)用

張澤京

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300450）

0 引言

海上采油平臺(tái)注水工作對(duì)穩(wěn)定產(chǎn)量有著十分重要的意義，注足水、注好水尤為重要。某海上平臺(tái)為提升注水質(zhì)量，設(shè)計(jì)時(shí)增加了精細(xì)注水系統(tǒng)，精細(xì)注水系統(tǒng)采用臥式五柱塞泵進(jìn)行精細(xì)注水工作。由于海上平臺(tái)的特殊環(huán)境、輸送介質(zhì)、原始設(shè)計(jì)等諸多因素，該柱塞泵投用后故障率較高。鑒于該情況，平臺(tái)人員展開(kāi)了對(duì)故障的分類統(tǒng)計(jì)、分析研究，從介質(zhì)溫度、密封件材質(zhì)、備件結(jié)構(gòu)等多方面進(jìn)行多次升級(jí)改進(jìn)，目前該設(shè)備運(yùn)行情況較為穩(wěn)定，故障率大幅降低，為平臺(tái)穩(wěn)定注水提供了有力保證。

1 改造前設(shè)備的運(yùn)行情況

該海上采油平臺(tái)共有3 臺(tái)臥式多級(jí)柱塞泵，泵設(shè)計(jì)排出壓力：17.2 MPa、流量：47.5 m3/h、往復(fù)次數(shù)：260 次/min、柱塞行程：180 mm。臥式柱塞泵結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 臥式柱塞泵結(jié)構(gòu)

正常情況下，精細(xì)水源通過(guò)該泵壓入地層。自該泵投入使用后，由于各方面的原因，該泵故障率一直處于較高水平，備件更換頻繁，檢修耗時(shí)耗力，增大檢修人員工作負(fù)擔(dān)。泵在運(yùn)行過(guò)程中主要高發(fā)故障大部分為液力端故障以及油封問(wèn)題，常見(jiàn)故障具體現(xiàn)象如下：

（1）柱塞填料密封不嚴(yán)導(dǎo)致漏液?jiǎn)栴}。泵在使用過(guò)程中存在填料密封失效問(wèn)題。更換新備件后，初期運(yùn)行過(guò)程中輕微滴漏或者滲漏，后期泄漏增大甚至噴發(fā)。通常初期采用壓緊盤根壓帽的方式進(jìn)行處理，后期只能進(jìn)行更換，更換頻率約5～15 d。

（2）柱塞磨損、涂層脫落問(wèn)題。泵在使用過(guò)程中，填料泄漏檢修時(shí)通常會(huì)發(fā)現(xiàn)柱塞本體上也存在涂層磨損甚至脫落的問(wèn)題，輕微磨損的尚可繼續(xù)使用，嚴(yán)重磨損甚至涂層脫落的則需對(duì)其進(jìn)行更換，柱塞更換頻率約15～60 d。

（3）接桿、柱塞接頭斷裂及卡箍脫扣問(wèn)題。泵體動(dòng)力端的接桿與液力端的柱塞是由卡箍連接的，卡箍分為上下兩部分，使用兩個(gè)螺栓進(jìn)行緊固。泵在運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)卡箍松動(dòng)脫落的問(wèn)題，有時(shí)還會(huì)存在接桿頭以及柱塞頭斷裂的問(wèn)題。

（4）動(dòng)力端連桿密封漏油、曲軸箱油品乳化問(wèn)題。柱塞泵曲軸箱接桿做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其油封設(shè)計(jì)為油封盒內(nèi)置兩道骨架油封進(jìn)行滑油的密封，在泵體運(yùn)行過(guò)程中，存在滑油從油封處滲漏的情況，滑油日消耗量約為10～30 L，同時(shí)液力端漏液時(shí)竄至曲軸箱導(dǎo)致曲軸箱內(nèi)滑油乳化。

2 柱塞泵故障分析

通過(guò)對(duì)該泵運(yùn)行期間的故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)梳理，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行排查、故障備件破損情況分析，對(duì)不同故障原因分析如下：

（1）關(guān)于填料失效及柱塞磨損問(wèn)題：對(duì)泵體進(jìn)行填料更換作業(yè)時(shí)，拆檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)相接零件損壞、腐蝕情況比較嚴(yán)重。主要原因除填料材質(zhì)耐磨性較差外，滲漏介質(zhì)結(jié)鹽也對(duì)柱塞和填料造成磨損。現(xiàn)場(chǎng)拆檢中發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)盤根成分為石棉、石墨內(nèi)加金屬絲，檢查中發(fā)現(xiàn)，填料以破損形式從柱塞與盤根函縫隙中擠壓出來(lái)，這種情況導(dǎo)致密封失效，同時(shí)對(duì)柱塞表面進(jìn)一步磨損。同時(shí)輸送介質(zhì)溫度約為90 ℃，高溫會(huì)加速泄漏介質(zhì)的結(jié)鹽以及備件腐蝕程度。

（2）關(guān)于接桿、柱塞接頭斷裂及卡箍脫扣問(wèn)題。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所拆卸的卡箍發(fā)現(xiàn)卡箍連接螺栓有松動(dòng)現(xiàn)象，這使其與柱塞、接桿固定處產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，造成撞擊、磨損、變形等問(wèn)題。在運(yùn)行過(guò)程中卡箍緊固螺栓松動(dòng)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)的接桿及柱塞在撞擊的過(guò)程中，導(dǎo)致螺栓進(jìn)一步松動(dòng)，有時(shí)候會(huì)導(dǎo)致螺栓直接脫開(kāi)，嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致螺栓拉斷。同時(shí)接桿以及柱塞頭部連續(xù)撞擊受力導(dǎo)致斷裂。根本原因在于卡箍螺栓連接不夠緊固，同時(shí)接桿柱塞頭部、頸部較細(xì)，強(qiáng)度不足。

（3）動(dòng)力端接桿密封漏油、曲軸箱油品乳化問(wèn)題。油封漏油主要是油封密封不嚴(yán)問(wèn)題導(dǎo)致的，同時(shí)由于后端液力端的故障也對(duì)其有一定影響，水汽泄漏過(guò)大加之油封密封失效導(dǎo)致滑油乳化。但主要原因在于油封，原設(shè)計(jì)油封盒端面與曲軸箱之間采用密封條密封，油封盒內(nèi)置兩道骨架油封，兩道骨架油封很容易失效，失效后會(huì)導(dǎo)致滑油泄漏，同時(shí)水汽過(guò)多時(shí)水汽從端面處以及骨架油封處進(jìn)入曲軸箱，導(dǎo)致滑油乳化。

3 改造方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)各類故障問(wèn)題分析，首先從設(shè)備運(yùn)行環(huán)境入手解決介質(zhì)溫度偏高的問(wèn)題，隨后根據(jù)漏油、漏水的密封失效情況從材質(zhì)、密封形式上進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)。最后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備備件損壞的情況總結(jié)后對(duì)高發(fā)故障的連接件進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)。

（1）首先輸送介質(zhì)溫度過(guò)高，導(dǎo)致磨損加速同時(shí)結(jié)鹽較快，經(jīng)過(guò)研究對(duì)介質(zhì)采取降溫措施，對(duì)其前端流程進(jìn)行改造，將介質(zhì)同海水進(jìn)行換熱降溫。降溫后介質(zhì)溫度保持在50～60 ℃。

（2）填料密封失效問(wèn)題。需要選擇合適材質(zhì)的填料，要求具有一定耐磨性、耐腐蝕性、以及一定的彈性及自潤(rùn)滑性能。同時(shí)要求其一旦失效不能夠?qū)χ斐奢^大的磨損。通過(guò)對(duì)幾種常見(jiàn)填料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)后，決定使用成型芳綸碳纖維角的成型盤根填料。

（3）曲軸箱的油封漏油問(wèn)題。其原始設(shè)計(jì)為兩道骨架油封的密封盒，兩道油封既要密封住內(nèi)部滑油的滲漏，還要防止外部水汽竄入，這樣一旦一道骨架油封失效，就會(huì)造成滲漏及水汽進(jìn)入的風(fēng)險(xiǎn)。密封盒徑向無(wú)密封裝置，軸向使用耐油橡膠進(jìn)行簡(jiǎn)單的密封，這樣一旦液力端液體泄漏，介質(zhì)及水汽很容易進(jìn)入曲軸箱內(nèi)部造成滑油乳化。為解決該問(wèn)題，檢修人員通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)：首先將油封盒徑向增設(shè)一道密封O 形圈，保證介質(zhì)泄漏噴出后不會(huì)通過(guò)油封盒徑向進(jìn)入曲軸箱體。同時(shí)進(jìn)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，將原油封盒進(jìn)行加長(zhǎng)，將原來(lái)的2 道油封增設(shè)為4 道，加設(shè)2 道回油及回水環(huán)。

（4）連接部件破損改進(jìn)，接桿以及柱塞，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，判斷其接頭處強(qiáng)度需要提升，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪以及模擬計(jì)算后對(duì)接桿及柱塞頭部頸部?jī)蓚€(gè)部位進(jìn)行改進(jìn)。

卡箍：通過(guò)焊接等方式將卡箍進(jìn)行改進(jìn)，使用更粗的螺栓。后續(xù)對(duì)其進(jìn)行繪圖設(shè)計(jì)重新制作，將卡箍進(jìn)行加強(qiáng)、加厚設(shè)計(jì)，同時(shí)將原來(lái)M8 的螺栓及螺母改進(jìn)為M12 的螺栓及螺母，并增加一組鎖緊螺母。

原設(shè)計(jì)中的接桿、卡箍、柱塞實(shí)物如圖2 所示。

圖2 原設(shè)計(jì)中的接桿、卡箍、柱塞實(shí)物

改進(jìn)后的接桿、卡箍、柱塞實(shí)物如圖3 所示。

圖3 改進(jìn)后的接桿、卡箍、柱塞實(shí)物

檢修過(guò)程中，檢修人員總結(jié)一套填料更換的方法：由于接桿以及柱塞的同心度對(duì)填料及柱塞接桿本體的使用壽命影響較大，因此安裝的順序過(guò)程中需要保證其同心度。更換密封填料順序如下：柱塞放入填料函內(nèi)后→裝填導(dǎo)向套→裝填隔環(huán)、填料（各7 道為最佳）→填料壓套（不壓緊）→帶孔圓螺母→安裝卡箍使得接桿及柱塞固定，對(duì)填料進(jìn)行預(yù)緊。這樣安裝后減少由于填料的預(yù)緊力等造成的柱塞及接桿不同心問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)輸送介質(zhì)進(jìn)行降溫處理、對(duì)填料材質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)更新、以及對(duì)部分零部件的升級(jí)改進(jìn)。目前該泵運(yùn)行較為穩(wěn)定，故障率穩(wěn)步下降，維修周期大幅延長(zhǎng)，總體情況改善明顯。