5DS系列注水泵结构改进与应用

吉效科，平郁才，刘丰宁，许 丽，李 颖

（1.西南石油大学机电工程学院，成都610500；2.长庆油田公司设备管理处，西安710018；3.长庆油田公司第三采油厂，银川750005）

5DS系列注水泵结构改进与应用

吉效科1，2，平郁才3，刘丰宁3，许 丽2，李 颖3

（1.西南石油大学机电工程学院，成都610500；2.长庆油田公司设备管理处，西安710018；3.长庆油田公司第三采油厂，银川750005）

针对5DS系列注水泵关键部件故障多、易损件更换频繁等问题，从液力端结构、泵阀结构、密封组件等方面进行改进，同时应用柱塞的自动调心和同步隔离技术。通过现场试验证明，改进后的注水泵故障率大福降低，易损件寿命成倍延长，可靠性和安全性明显提高，达到了高效节能的目的。

注水泵；结构；技术改造

近些年，随着长庆油田注水泵数量逐年增多，注水压力不断升高，注水泵逐步暴露出一些问题，例如关键部件故障增多，易损件更换频繁，过流部件耐腐蚀性能差，直接导致维修费用和管理成本增加，甚至影响油田注水生产。据统计，2009年以来投产的注水泵出现曲轴拉伤抱瓦、泵头缸体开裂、曲轴断裂、十字头抱死、中间杆断裂、连杆拉伤和机身损坏等严重故障，占新投注水泵的14.2%，柱塞最短使用时间为300 h，远低于《机动往复泵》（GB／T 9234—2008）［1］规定的使用寿命3 000 h（压力不大于20 MPa时），注水泵平均维修换件费用高。

长庆油田经过注水泵现状调查研究，并结合油田注水生产与工艺实际，对问题突出的5DS型注水泵进行结构改造。经过2 a的现场试验，该型注水泵的经济指标显著提高，可靠性和安全性明显增强，达到了高效节能的目的。

1 问题分析

1.1 泵头缸体开裂

5DS型注水泵主要采用立式泵头，立式分体锥阀的吸入阀与排出阀之间为高压和低压交变载荷区域，如图1a所示，其十字孔相贯线处存在应力集中，在较高压力作用下易造成液力端泵头开裂。采用美国卡拉西克著《泵手册》的双环筒泵体应力计算公式［2］，发现最大应力发生在水平与垂直孔内径相贯处。该型注水泵泵头缸体开裂故障时间最短24 h，

图1 双环筒泵体结构示意

合成应力计算公式：

式中：S为合成应力，MPa；p为承受压力，MPa；b、d为孔内径，mm；a、c为离内径最近的非实体材料处直径，mm。

在十字交叉立式泵头中，假设：p＝25 MPa，a＝140 mm，b＝70 mm，c＝250 mm，d＝132 mm。

将数值代入上述公式，泵体受到的合成应力S＝86 MPa。

试验和分析指出：在不当的吸入管，由汽蚀、阀开启滞后或系统瞬时高压等诸多意外因素引起的峰值压力能达到设计压力的4～5倍，即使按3倍计算：Smax＝86×3＝258 MPa，也接近2Cr13材料的疲劳极限σ－1＝277 MPa。所以绝大多数泵体开裂是疲劳破坏，主要因素是应力集中，交变载荷加剧了这种破坏趋势。

1.2 维修换件频繁

注水泵维修换件主要为盘根、柱塞、进排液阀组等，据统计，盘根和柱塞的最短寿命不足300 h，进排液阀组的最短寿命不足210 h，这与《机动往复泵》（GB／T 9234—2008）规定的易损件寿命指标有很大的差距。分析认为：

1） 由于中间杆与柱塞的同轴度存在误差，造成柱塞在运行中与密封组件偏磨加重，加速了柱塞和盘根组件的磨损，使其寿命缩短。

2） 5DS型注水泵采用分体锥阀结构型式，在运行中受介质中固体颗粒和供液稳定性的影响，高压运行时造成密封面早期失效。

3） 过流部件耐腐蚀性差，由于回注污水中含大量可对金属造成腐蚀的离子（CL－1、HCO－3、Fe3＋）和氧气，以及不溶性颗粒杂质等组份，当水流速度较低或形成积存区，会发生化学和电化学腐蚀，不溶性物质极易生成垢附着在过流部件表面；当水流速度高时，水中的悬浮物对金属表面产生磨损腐蚀。密封函体内、进排液缸套表面、阀芯与阀座结合面因腐蚀形成豆斑状坑点和垢片，造成过流部件失效。

4） 易损件使用廉价材料，材质不达标，防腐性能差，表面硬度和粗糙度处理不合格，造成部件早期失效。

1.3 机组效率较低

注水泵机组效率由机械效率和容积效率二部分构成，其中机械效率主要由电动机、胶带轮、支承轴承、曲柄滑块机构（由连杆、十字头、十字头销、中间杆组成）、盘根盒、蓄能器等的效率组成，容积效率主要由进排液阀组和盘根盒漏失效率组成。机械效率在注水泵设计和配置完成后定型，在注水泵正常运行条件下不会有较大幅度变化和调整，而容积效率受进排液阀组和盘根盒的漏失密切相关。经节能监测分析，某站5DS型注水泵改造前的平均机组效率只有68.75%，低于72%的节能监测限定值，依据《油田生产系统节能监测规范》（SY／T 6275—2007）的规定，注水泵机组效率不合格。

2 结构改进

2.1 液力端结构

采用T字型液力端结构。从前面分析可知，绝大多数泵体开裂是疲劳破坏，主要因素是应力集中，交变载荷加剧了这种破坏趋势，且最大应力发生在水平与垂直孔内径相贯处。如图2所示，T字型液力端主要由柱塞缸体与进排液腔垂直形成T型孔结构，T型孔结构较十字孔能大幅度缓解工作腔内倒角及其附近的应力集中现象，且降低了高低压的交变差值。对于含固体颗粒较多的污水介质，这种结构更宜于阀的坐封。

图2 “T”字型液力端的结构示意

2.2 泵阀结构

采用螺旋导向复合密封锥型组合阀组。进液阀和排液阀共同组合在同一阀体上，金属阀板锥面上结合非金属密封材料，阀芯导向翼从直线型过渡到帯一定角度型，可使阀芯在上下运动时360°稍有转动，使阀结合面均匀磨损，这种结构型式，便于拆装，密封性能较好，且提高了阀的使用寿命。

2.3 柱塞的自动调心结构

将柱塞与连接杆之间原来的螺纹硬连接结构改为复合外卡环弹性连接，当中间杆的运动轨迹在一定范围内发生偏差时，该结构能够自动调整推力的同轴度，使柱塞与密封函体、导向套保持同轴度，减小柱塞与密封件的偏磨，从而提高柱塞、填料、导向套的使用寿命。

2.4 柱塞的同步隔离结构

如图3所示，在柱塞填料密封函体结构中增设了1个密封介质腔，使介质腔与输送介质始终保持压力平衡状态，密封腔介质可对柱塞起到润滑作用，降低柱塞与填料间摩擦损失，提高泵效及易损件寿命。

2.5 改进密封组件

密封采用U型形状改性材料、矩形芳纶纤维盘根、金属阻流环，加补偿弹簧等组合的密封组件，增强了密封件的自调整、自补偿性能，从而提高了密封件的使用寿命。

图3 同步隔离柱塞泵密封函体结构示意

3 现场应用情况

3.1 实施改造

长庆油田公司采油三厂油二联注水站于2009-09投产，4台5DS-39.7／20型注水泵，投用不到1 a，更换液力端总成4套。泵实际排量28～32 m3／h，易损件寿命约240 h，2010-11实施改造。柳三转二站于2006年投产，5DS-25.76／20型和5DSB-41.9／20型注水泵各2台，由于所注污水含颗粒类杂质，导致注水泵液力端频繁检修，修泵周期在240 h左右，主要换件为排液阀、进液阀，2011-05实施改造。2个站的技术改造主要是将十字交叉泵体更换为T型泵体结构，相应地将上、下分体阀结构改造为立式组合阀结构，采用柱塞填料密封同步隔离技术和柱塞自动对中调心技术，并使用复合涂层柱塞。

3.2 效果评价

1） 易损件寿命明显延长。以油二联站和柳三转二站改造为例，如表1。

表1 注水泵改造前后易损件寿命对比

从表1可以看出，油二联和柳三转2个站的注水泵柱塞、填料和阀组等易损件寿命较改造前有明显延长，其中柱塞使用寿命是改造前的2～3倍，填料是改造前的2.7～4.2倍，阀组是改造前的2.2倍以上。

2） 材料消耗费用明显下降。以柳三转3＃注水泵维修换件材料消耗情况统计为例，如表2。

从表2可以看出，柳三转3＃注水泵改造后较改造前维修材料消耗费用下降77.9%，效果明显。

3） 提高了注水泵机组效率。2013-06和2013-10先后对柳三转、油二联实施改造的泵机组进行了能耗监测，监测结果如表3。

通过表3的监测结果表明，节能改造后注水泵机组平均机组效率78.5%，全部高于72%的节能监测限定值，比节能改造前提高10.3个百分数。

4） 节能降耗效果明显。表4为柳三转、盘二注、南二注三个站点注水泵改造前后有功节电率计算结果。

表2 柳三转3＃注水泵材料消耗费用明细

表3 节能改造前后注水泵节能监测数据

表4 注水泵改造前后有功节电率计算结果

从表4可以看出，改造后单台注水泵机组最小节电率为7.2%，最大节电率为14.9%，平均节电率11.9%。

4 结论

1） 5DS系列注水泵的液力端改为T型结构型式，消除了缸体高压交变载荷下的工作腔内十字交孔，解决了泵头应力集中造成的泵体开裂问题。对于含固体颗粒较多的污水介质，T型结构更宜于阀的坐封，与十字孔比较，能大幅度缓解工作腔内倒角及其附近的应力集中现象，且降低高低压的交变差值。

2） 采用柱塞自动调心技术和柱塞同步隔离技术，有效提高柱塞、填料、导向套的使用寿命，减少摩擦功耗，维修材料消耗费用下降77.9%，效果明显。

3） 改造后注水泵机组平均机组效率78.5%，全部高于72%的节能监测限定值，比改造前提高了10.3%。

4） 改造后的注水泵节能降耗效果明显，与改造前相比，单台注水泵机组最小节电率为7.2%，最大节电率为14.9%，平均节电率11.9%。

［1］ GB／T 9234—2008，机动往复泵［S］.

［2］ 卡拉西克I J.泵手册［M］.北京：机械工业出版社，1984.

［3］ 史改芳，张立举，陈喜平，等.3H-8／450型增压注水泵液力端改造［J］.石油矿场机械，1999，28（4）：24-26.

Structure Improvement and Application of 5DSSeries Water Injection Pumps

JI Xiao-ke1，2，PING Yu-cai3，LIU Feng-ning3，XU Li2，LI Ying3
（1.College of Mechanical and Electronic Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China；2.Equipment Department，Changqing Oilfield Company，Xi’an 710018，China；3.No.3 Oil Production Plant，Changqing Oilfield Company，Yinchuan 750005，China）

At the same time，the sync separate and the automatically adjusting-center technology of the plunger were used.The field trials shows that the improved water-injection pumps can greatly reduce the failure rate，exponentially prolong the life of wearing parts，improve the reliability and security，also realize the purpose of high efficiency and energy saving.

water injection pump；structure；technical reform

TE934.103

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.12.017

2014-07-13

吉效科（1976-），男，甘肃临洮人，高级工程师，博士研究生，2008年毕业于西安石油大学石油与天然气工程专业，现从事油田设备管理与技术研究，E-mail：jxk_cq＠petrochina.com.cn。最长14 000 h，故障压力为16～19 MPa。由此可见，注水泵采用立式泵头在16 MPa以上使用有明显缺陷。

1001-3482（2014）12-0067-04