往復式柱塞泵管線振動分析及解決措施

謝光偉，張 哲，段宏偉，王 冠，李園園，桑科中

（渤海石油裝備制造有限公司，天津 300457）

0 引言

當前國內各大油田均采用配注技術實現增產，輸入介質有水、聚合物、二氧化碳等，且一般壓力在10 MPa 以上。往復式柱塞泵具有壓力高、泵效高的優點，而且壓力不受流量影響，能提供比較穩定的流量輸出。根據輸入介質的特性，往復式柱塞泵配備不同結構、材料的液缸體，廣泛用于國內油田各區塊的增壓采油系統中。往復式柱塞泵為曲柄連桿機構，其運動特征致使柱塞運行具有一定的加速度以及輸送介質的間斷性，導致輸送介質會產生一定的能量波動，從而對輸送管線產生沖擊，造成管線振動。由于往復式柱塞泵是長期連續運轉，如果輸送管線的振動得不到緩解，可能會造成進、出口管線的疲勞損壞，同時會產生較大的噪聲，對工作人員的身心健康造成影響。破損管線的維修工作量較大，不僅增加日常維護費用，也影響油田的正常生產。

本次研究以某油田所屬往復式柱塞泵為對象，該油田往復式柱塞泵數量多，柱塞泵出口管線均存在不同程度的振動現象，個別泵站的柱塞泵進口管線也有振動現象。振動導致焊接部位開裂可能致使高壓水泄露，存在很大的安全隱患。同時因為振動造成的電子元件失效、管網段滲水等現象，給現場人員的日常巡檢工作帶來額外的負擔。

1 振動原因分析

管線振動的主要原因是對外部干擾的響應和管線內流體的不規則運動[1]。

1.1 機械振動引起管線振動

往復式柱塞泵不是一個獨立的設備，而是管線、閥門、儀器儀表等設備與之組成的一個剛度較大的機械系統。機械系統在外力的作用下產生振動現象，此振動必然會傳遞到與之相連的管線上，從而引起管線振動。連接柱塞泵的管線一般會配置相應的支撐裝置，由于管線內存在周期性的脈沖，所以管線的振動不是處于自由狀態，而是由管線內的周期性脈沖引起的外力振動。由于往復式柱塞泵的固有特性導致其動力源在旋轉運動時所產生的不平衡慣性力以及液缸內壓力波動性的變化構成了往復式柱塞泵自身振動的原因。

1.2 流體脈動引起管線振動

當管線內的流體遇到外部干擾時，比如遇到彎頭轉變流向、閥門調節、管徑變化造成流速突變，流體就會對管線產生激振力，激振力作用在管線內部引發管線振動，當此激振力頻率與管線系統上的某一設備或者裝置的固有頻率相同時，就會產生共振，加劇管線的振動。

往復式柱塞泵的曲柄連桿機構決定了其吸入和排出流體的工作具有周期性的波動，而且一般油田作業區的配注間有多臺柱塞泵同時工作，導致吸入和排出的介質具有一定的間歇性，并形成了一種不穩定的流體狀態，產生一種脈動力[2]。此脈動力在遇到彎頭、變徑、閥門等管線元件時，會產生管線激振力，引發管線振動。同時，振動的管線也會反作用于管線內流體介質，從而產生更加復雜的流固耦合振動。其次，當管線對于此脈動力產生的激勵響應頻率與其自身的固有頻率相重合的時候，管線系統與此脈沖力就會產生共振，破壞管線的安全運行。

2 管線振動實際分析

管線振動的主要來源是往復式柱塞泵本體振動的傳遞、輸送管線的布置因素以及輸送介質產生的流體脈動。

2.1 往復式柱塞泵本體振動原因分析

柱塞泵內部的激振源主要包括泵的旋轉件的偏心、不平衡引起的振動以及液缸內壓力變化造成的振動。

（1）大皮帶輪的動平衡不合格會造成往復式柱塞泵存在高頻振動。柱塞（注水）泵的轉速一般在200 r/min 以上，轉速比較高，如大皮帶輪的動平衡在出廠時未達到規定要求，那么往復式柱塞泵在高速旋轉時，會造成往復式柱塞泵本體振動。

（2）地基平面度不合格，造成往復式柱塞泵存在高低不平現象。柱塞泵在安裝時，需將水平儀曲軸箱已加工的面上，調整楔鐵，使橫向縱向水平達0.1/1000。第二次澆注混凝土需經15 d 的養護期，再次檢查調整泵機組的縱向、橫向水平達要求并固定。

（3）閥組密封不嚴造成高低壓水串壓。柱塞泵在運行一段時間后，吸、排閥組經過介質或雜質的沖刷，會對密封面造成損傷，無法密封，引發介質從高壓區竄向低壓區，導致振動。

2.2 進口管線振動原因分析

管線受到外力的激振頻率與管線本身的固有頻率接近時，極易引發共振現象，但其并不是引起柱塞泵進口管線振動的根本原因，進口管線的振動主要是由管線內的流體介質的脈動引起的[3-4]。

（1）來水壓力不足或水中含有氣體。往復式柱塞泵在運行時，由于是過流件均有密閉性能，柱塞泵帶有一定的自吸功能，但如果來水壓力不足，柱塞泵會發生抽空現象，大量空氣進入泵腔內，產生氣蝕、氣擊，同樣會造成閥組空打而形成沖擊載荷，除影響閥組的壽命外，還會產生噪聲和振動。

（2）進口管線規格過小。由于柱塞泵具備一定的自吸功能，當進口管線的規格過小不足以滿足柱塞泵的排出流量時，管線內的介質流速會增加，從而對柱塞泵液缸體吸入口產生一定的沖擊力，引發柱塞泵的輕微振動，此振動反過來會加劇進口管線的振動。

2.3 出口管線振動原因分析

出口管線輸送的介質是從柱塞泵出口輸出，一般壓力比較高，對管線的沖擊力較大，所以出口管線的振動現象比較普遍，主要原因集中在以下4 個方面：①出口蓄能器失效。蓄能器有吸收脈沖，減少壓力波動的功能，如若檢查不及時，蓄能器里的皮囊損壞或者氮氣壓力不足，則起不到吸收脈沖的功能；②出口管線缺乏支撐或支撐采取剛性連接；③出口閥門密封不嚴。柱塞泵的出口一般采取閘閥和止回閥配套使用，如若閥門密封失效或者異物卡閥等現象，會造成管線的壓力變化而產生劇烈振動；④出口管線過細。有的注水站由于后期調參的原因，將柱塞的規格加大，而沒有相應的增加介質的過流通道，造成流速過高。

3 治理措施

3.1 進口管線振動解決措施

以某油田第二油礦注水間為例，該注水間共5 臺柱塞泵，需同時運行3 臺泵才能滿足井口注入。其中1 臺柱塞泵的進口振動較大，造成管線上安裝的進口傳感器部分零件松動失效，存在安全隱患。

柱塞泵基礎為鋼筋混凝土結構，其高度根據現場地質工況來確定，剛性較大，混凝土基礎與柱塞泵底座通過埋地螺栓再次澆筑后連接。通過對柱塞泵運行情況的反復勘察，發現地腳螺栓的螺母有松動現象，通過增加墊圈以及在底座空隙處澆灌混凝土等方式加固后，進口管線仍然有振動現象，說明地腳螺栓松動是由管線振動引起的，而不是柱塞泵振動引起的管線振動。

經過現場調頻試驗，當把柱塞泵的變頻由25 Hz 逐漸調至40 Hz 時，進口管線振動無異常，當頻率調至41 Hz，進口管線振動明顯加大，說明造成進口管線振動的主要原因為柱塞泵的高速運轉產生的振動與管線內的介質的流動頻率產生共振造成，初步判斷吸入口管徑過小造成流速過高是進口管線振動的主要因素。

在現有條件下，盡量減少改造成本和工作量的前提下，將柱塞泵的吸入口規格由DN150 增加至DN200（圖1、圖2），同時將液缸體的吸入口規格由Φ50 mm 擴至Φ55 mm，增大了進口管線和液缸體吸入口的過流面積，降低了流速，避免介質流速過高造成的高頻沖擊，同時在地下進口匯管上加裝支墩。經過改造后，流動沖擊和渦流流動狀況明顯改善。

圖1 改造前（DN150）

圖2 改造后（DN200）

3.2 出口管線振動的解決措施。

以某油田第三油礦注水間為例，該站前期有3 臺柱塞泵，運2 備1，其中一臺轉速為350 r/min 的柱塞泵自運行起出口管線就存在輕微振動。后期由于產能擴建，加裝了2 臺柱塞泵。之前有輕微振動的那臺柱塞泵隨著運行時間延長，出口管線振動越來越劇烈，造成出口閥門的旋轉手柄脫落，具有嚴重的安全隱患。為避免劇烈振動造成管線焊接部位的出現疲勞損傷，導致焊口開裂，經過現場勘察，站在出口管線附近，明顯能感覺地面振動比較劇烈。

首先在排除柱塞泵本體振動因素后，通過在出口管線上加裝支撐后，振動有所減輕，但無法根除。初步懷疑是柱塞泵的高轉速與管線產生共振而造成的振動，但該泵無法進行變頻調速試驗，無法確定是否由共振導致的管線振動。后期通過同種泵型的應用現場現場考察，說明高轉速不是造成出口管線振動的因素，從而判定是埋地出口匯管的振動引起了地面出口管線振動。經過現場施工改造，發現是因為施工單位施工不規范，未按要求安裝支墩和澆灌，管線施工后用渣土進行填充，致使埋地匯管未進行固定，通過高壓水流沖擊未固定的埋地管匯造成的管線振動。后期經過重新安裝支墩和填充，該泵的出口管線振動現象得到了明顯改善。

其余泵站的柱塞泵管線振動比較具有共性，均是出口有振動現象。首先是出口管線缺少支撐，而出口安裝的壓力傳輸管線和回流管線會加劇管線振動（圖3）；其次出口用于穩壓的蓄能器未按要求進行保養，不具備吸收脈沖的功能（圖4）。按蓄能器的保養要求，每年應進行檢測并及時充入氮氣，蓄能器使用2 年后應及時更換。相應的解決措施主要是增加出口管線上的支撐以及檢修或更換出口穩壓裝置。

圖3 柱塞泵出口工藝

圖4 蓄能器（2003 年生產）

4 應用效果及結論

由于往復式柱塞泵的固有特性，與之連接的管線上必然會存在振動現象，管線振動引發的疲勞損傷造成管線焊接部位開裂事故是不可忽視的安全隱患，可以通過設計、施工等手段可以極大地降低進、出口管線振動，消除安全隱患。①降低柱塞泵沖次，減少液體脈沖的頻率；②擴管降速，減少水錘沖擊[5]。增大管線的過流面積，減低流速，減輕脈沖液流造成高頻沖擊；③優化減振措施，在地面上管線增加支撐加以約束，并在管卡與管線之間墊橡膠板；地下匯管澆筑支墩固定管線，減少地下匯管的自由振動；④連接部位采用彈性連接，尤其是進口低壓部位，可避免從液缸體的流體脈沖造成進口管線的振動。