注水泵震動過大的原因分析及改造措施

陳陽，周維洪，張方海

(1.中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司，天津 300452；2.中海油中聯公司神府分公司，陜西 神木 719300；3.中海油能源發展股份有限公司湛江采油服務文昌分公司，廣東 湛江 524000)

0 引言

在海上某油田區域的移動式采油平臺，號稱可移動式的“石油天然氣的海上加工廠”，它處于產業鏈的上游，是石油天然氣的源頭。該平臺的生產工藝系統分為原油處理系統、天然氣處理系統、生產污水處理系統、注水系統、開閉排系統、火炬系統等工藝處理系統。其中，注水系統是海上油田生產污水經污水處理系統處理合格之后，實現生產污水回注的關鍵系統，注水泵一旦發生損壞無法運轉，將導致注水系統癱瘓，進而導致油田停產。

該平臺自投產運營以來，注水系統的核心設備—注水泵常常出現震動過大的現象，不僅引起了平臺其他設備及附屬管線的震動，而且給平臺生產工藝操作人員及設備維修人員帶來了較多的工作量，注水泵隨著震動加大，泄漏量也逐漸加大，需要生產操作人員頻繁轉移泄漏的廢液；同時，震動過大引起注水泵的氣囊等部件頻繁損壞。為此，針對震動過大的問題，進行仔細觀察，經過全面剖析，找到了問題的根本原因，并從根本上解決，實現降本提質增效。

1 生產概況與存在問題

在油田投產初期，由于生產工藝系統分離出的生產污水較少，平臺為滿足配注指標，通過摻入大量的水源井的地層水進行注水，注水泵運行基本穩定。生產污水處理及回注工藝流程如圖1所示。但是隨著開采時間的推移，油田綜合含水率逐漸上升，生產污水量逐步由一天幾十立方米上升至一千立方米左右，注水泵運轉過程中一系列故障現象開始頻繁出現，對油田持續穩定注水造成了很大影響。其主要故障現象表現如下：

圖1 生產污水處理及回注工藝流程簡圖

(1)運轉時噪音增大；

(2)震動加劇，造成泵的出口管線及管線上的附屬儀表設備異常震動；

(3)兩臺注水泵儲能器需要經常充氮氣，且均出現了氣囊破裂現象；

(4)兩臺注水泵泵閥彈簧都出現斷裂現象。

2 探究分析，確定要因

針對以上出現的現象，通過機械維修人員和廠家的技術支持，現場進行了一系列分析，并開展了相關檢修作業如下。

2.1 現場確認注水泵泵體對中有無問題

平臺的施工改造作業以及吊裝貨物等其他作業，會引起甲板的承重發生變化，進而引起泵撬或者注水泵艙甲板結構發生變形，是否導致泵的對中有問題。經過現場對三臺泵(兩臺注水泵及一臺壓裂泵)進行了逐一對中檢測，發現各項數據均滿足安裝要求。

2.2 現場確認注水增壓泵是否排量不足

針對可能是因為注水泵上游的注水增壓泵排量不足，導致注水泵高震動。現場通過清洗注水增壓泵進口濾器，并啟動了兩臺注水增壓泵(均為離心泵)做試驗。油田單臺注水增壓泵的排量為64 m3/h，而注水泵排量為32 m3/h。啟動兩臺注水增壓泵后發現注水泵運行時狀態仍無明顯好轉，說明注水泵入口的流量由單臺注水增壓泵就已經滿足其供液要求。

2.3 現場確認是否蓄能器氣囊壓力設定不合適

經過現場運行期間觀察，發現每次震動高或者噪音大時，進行拆卸蓄能器氣囊檢測均發現其氣囊壓力降低了，或出現破裂了。油田現場按照廠家技術規格書要求先后進行了多次壓力充裝試驗，但是仍未根本解決高震動高噪音問題，反而出現氣囊多次破損現象。因此分析氣囊不是導致前述故障現象發生的根本原因，而是有其他因素導致蓄能器氣囊損壞和高震動的產生。

2.4 現場確認是否新采購的相關備件質量問題

油田對兩臺注水泵均更換了新采辦的彈簧，彈簧材質為1Cr18Ni9Ti，經過試驗發現兩臺注水泵均是運轉4天后運轉聲音就加劇，出口管線震動也加劇。機械維修人員在拆檢注水泵過程中，對泵體解體后發現彈簧均出現不同數量的斷裂和損壞。發現新更換的第二批1Cr18Ni9Ti閥彈簧有6件，其中損壞了5件，其中一個吸入閥的導向爪斷裂，由此判斷廠家新提供的彈簧可能存在材質問題導致斷裂。同時發現閥和閥座上出現不同程度的麻點，初步判斷可能是輸送的生產水有一定的腐蝕性，或者是由于泵內產生汽蝕造成的。另外，出口蓄能器皮囊損壞。

經過重新更換4Cr13材質的閥彈簧和出口蓄能器，并充氣達到合適壓力。再次重新啟動注水泵運行，入口0.36～0.4 MPa，出口壓力表為1.8 MPa較穩定。運轉5小時后入口壓力表為0.32～0.4 MPa，與啟泵初期入口壓力表波動和入口管線震動均有所加大，繼續運行觀察，大約10 h后注水泵出現異常，每隔3～5 s異常聲音響一次，同時進出口壓力表指針劇烈擺動一次，通過液缸體上放氣螺栓放氣約10 min，現象沒有消除。該現象可能是由于泵內集氣太多，造成個別缸的閥門不能正常工作。停泵后通過拆檢檢查閥及閥彈簧等零部件均完好后重新組裝，蓄能器壓力均正常。由此排除了由于備件材質質量問題引起的損壞故障。

2.5 現場確認是否注水泵泵腔有大量氣體導致震動加劇、噪音增大

在發現問題進行分析原因后，現場在注水泵出口放氣管線上多次排氣試驗，均發現有大量氣體，且多次長時間排放后，重新啟動注水泵運轉發現狀態有較為明顯的好轉。因為需進一步全面分析產生大量氣體的根本原因。

在該油田投產初期，注水泵運行基本保持平穩，因為在油田開發初期，油田的生產工藝處理系統分離出來的生產污水較少，因而進入生產水艙的高溫生產污水也很少。平臺為了滿足配注的需要，在注水泵上游的凈水艙中摻入了大量的水源井的水源。由于水源井水源的溫度只有45～50 ℃，而生產工藝處理系統分離出來的水基本上接近90 ℃(主要是二級分離器分離脫出的水，且該流程無海水冷卻器而直接進入生產水艙)；兩者混合之后的注水水源溫度相對較低，在50 ℃左右。

隨著油田開發時間的推移，各口油井的含水率逐步上漲，生產污水由初期的幾十立方米、幾百立方米逐步上升到接近一千立方米；這就導致注水水源溫度上升到接近70 ℃。以前50 ℃的水源經過注水增壓泵(離心泵)后基本不會產生氣體，再供給給注水泵，注水泵能夠基本正常工作。然而，但當注水水源溫度上升到70 ℃甚至有時更高后，再經過離心泵后可能產生了部分的氣體。

再加上由于注水增壓泵出口(即注水泵入口)管線至注水泵吸入口，設計有一段倒U形管，易造成注水泵入口管線易于集氣。當氣體達到一定容積時，就會引起注水泵的吸入狀態變差，隨著運行時間延長，最終造成注水泵氣蝕，引起注水泵進出口管線震動過大。最終體現在閥及閥彈簧經常損壞，注水泵進出口管線劇烈震動，嚴重影響平臺的正常生產。

3 主要技術對策與實施效果

注水泵通常是柱塞泵或多級離心泵，利用電力向電動機輸送，從而使泵用設備通過電動機高速旋轉。曲柄連桿機構是高速旋轉電機動力端的主要機械單元裝置。在此機械單元，實現將電動機的轉動轉化為往復活塞運動。在此基礎上，往復泵缸容積會發生不同程度的變化。液體不斷吸入和排出，只有當注入壓力達到預定目標時，才能完成注水[1]。

柱塞泵是屬于液態系統的一個重要裝置，它通過柱塞在缸套中的反復運動，從而使密閉的缸體容器密度發生變化來實現吸油、壓油等一系列實用性功能[2]。

通過利用柱塞泵的工作原理分析得知，柱塞泵的震動是由于供液不平穩，柱塞泵的壓力變化所引起的，通常表現為進出口管線的震動。而管線的震動是由壓力的波動引起的，壓力的波動又是由流量波動引起的。其關系表現為：流量波動→壓力波動→管線震動。

當泵的吸液和排液交替進行時，各個零部件的振動信號會依次反映在往復泵的表面。為了區分油田往復泵產生的故障是否應該維修，需要對油田往復泵常見故障進行分析和總結[3]。經過前面一系列相關原因的全面分析排查，結合注水泵的工作原理，綜上所述提出以下幾點整改解決措施。

(1)對注水泵的入口管線進行改進，在倒U形管的最頂端增設放氣閥和放氣管線，操作人員巡檢時每2 h進行定期排放一次頂部集聚的氣體。

(2)合理控制蓄能器預設壓力。

(3)選取合適的閥彈簧材質，以避免閥彈簧過快損壞。

(4)設備正常運行時，注水增壓泵出口旁通閥門保持全關，以保證注水泵的入口供水量，如因注水泵排量較配注量大則采用注水泵回流方式控制。

(5)定期倒泵清洗注水增壓泵濾器，以免造成注水增壓泵的供液不足，從而導致注水泵的入口供水量不足。

平臺根據以上整改措施，進行落實完成整改之后，噪音過大問題、震動過大問題均極大地降低，有效解決了注水泵及管線頻繁震動過大的問題，規避了導致發生油田關斷和跑冒滴漏事故的風險。保障了油田持續穩定注水，還減少了設備檢修工作量和更換成本。

另外，結合注水泵的工作原理，進行合理確定蓄能器氣囊中的預壓力，它亦是消除柱塞泵震動的根源。當蓄能器預壓力過低或過大時，蓄能器基本上起不到降低壓力波動的作用。在預壓力的選取上，除考慮消波效果外，還應顧及到氣囊的壽命，預壓力過高，氣囊壽命相對較短。排出蓄能器的預壓力不超過極限壓力的60%；吸入蓄能器的預壓力是進口平均壓力的80%。

目前兩臺注水泵運轉一直非常穩定。注水泵出口管線未出現震動現象，注水泵各輔助配件均未再出現損壞事件，儲能器氣囊也未進行過氮氣補充。不僅充分地保障了油田注水持續穩定，還大大減少了設備檢修工作量和設備更換成本。

通過對柱塞泵故障現象進行分析，提出改善柱塞泵震動的幾個方案，結合現場實際運行狀態，在不影響正常生產的前提下，利用一些可行性措施解決了柱塞泵震動問題，經改造后，取得了很好效果，為今后解決柱塞泵震動提供了可借鑒的經驗。結合現場實際，根據解決柱塞泵震動的對策，進一步優化工藝操作，通過加裝放氣閥、優化蓄能器壓力等措施后，泵一直運行平穩，故障率明顯降低，滿足工藝流程需要，提高了設備的運行周期，從而穩定設備運轉，降低設備檢修費用以及備件更換成本，提高了企業經濟效益，達到降本增效的目的。

4 結語

在發現生產工藝流程的關鍵設備注水泵存在震動較大的現象后，能夠及時組織機械維修人員對故障泵進行檢修，更換損壞備件，總結目前設備運轉狀態，結合以前豐富的現場流程管理實際經驗，運用自身專業知識和扎實的工作能力，從設備工作原理入手，解決了這一困擾影響正常生產的棘手問題。

雖然這一技改項目的處理解決方法不是很復雜，但是此項目對自身專業基礎知識要求比較高，需要在掌握設備工作原理的同時，融會貫通，靈活運用，通過從現象看本質存在的問題來分析從而找到解決辦法，充分展現了現場工作人員發現問題、分析問題、處理問題的能力。通過設備故障的表象和設備運轉狀態的現場細致觀察分析，注水泵入口倒U形彎加裝放氣閥、根據注水壓力合理調整蓄能器壓力等措施之后，正常工況下沒有再次出現注水泵頻繁震動等故障的現象，從而使設備能夠穩定運轉，提高了企業經濟效益，達到降本增效的目的。

柱塞泵在石油化工生產裝置中有著廣泛的應用，解決柱塞泵使用中遇到的故障、問題非常重要，對石油化工生產裝置的正常運行起著至關重要的作用，能夠給生產裝置提供足夠的動力。但是，在柱塞泵的使用和維護中，有很多問題需要引起注意，其中包括流程狀態發生變化、蓄能器壓力控制、流程設計缺陷等等，通過對柱塞泵震動原因的分析處理，以及加強工作中的預防性維修，不僅能夠使裝置運行得更穩定，而且能夠延長柱塞泵的使用壽命，降低生產作業成本以及維修工作量。