高黏度介质注水泵设计与应用

王别好，汤文捷，王　超，李　伟

(1.宝鸡航天动力泵业有限公司，陕西 宝鸡721001；2.长庆油田公司 采油四厂，西安 710000)①



高黏度介质注水泵设计与应用

王别好1，汤文捷1，王超1，李伟2

(1.宝鸡航天动力泵业有限公司，陕西 宝鸡721001；2.长庆油田公司 采油四厂，西安 710000)①

根据油田注水工艺将高黏度的井场作业废水回注的要求，以及常规注水泵在油田实际应用中出现的阀组件寿命短，维修频繁，无法完成正常注水的要求等问题，设计了高黏度介质注水泵。对注水泵液力端的阀腔流速、阀隙流速等关键数据的控制，改进了液力端结构，避免气蚀现象，最终满足注水工艺条件，注水泵各项性指标能达到了预期效果。

注水泵；高黏度；气蚀；阀隙流速

注水是油田为了提高采收率普遍采用的工艺，注水介质一般为清水和采出水。近几年来，为了节约水资源，从环境保护优先的理念出发，避免井场作业废水，包括生活废水对当地环境造成污染，长庆油田采用有机废水处理，对某些工艺用水的限制指标进行简单处理就可以回注，这样不但简化了水处理工艺，还降低了水处理成本。经过处理的井场作业废水，水质符合回注的要求，其物理特性表现为黏度高，悬浮物含量高，有一定的腐蚀性。由于井场分散，井场作业废水量不宜采取集中处理和回注，一般采用罐车运输的方式将处理过的井场作业废水送至回注井口直接回注。由于井场废水回注流量小，注水压力高，适合选用柱塞式往复泵撬作为注水设备。

针对井场作业废水含有高黏度物质、液体流动性差，近似于泥浆的特性，设计了3NB型柱塞式泥浆注水泵。该型号注水泵的柱塞、阀组件的使用寿命超过了2 500 h，密封填料的使用寿命超过了1 500 h，完全满足了长期、连续稳定运行的要求。

1　结构

3NB型柱塞式泥浆注水泵主要由动力端、液力端、柱塞组合、传动部件、底座组成，如图1所示。液力端由液缸体、阀组件组成，根据介质黏度高、含有杂质的特性，阀组件选定通流能力较好的锥阀结构，如图2所示。

1—启动柜；2—电机；3—皮带传动副；4—底座；5—动力端；6—液力端。

1—柱塞；2—填料箱；3—定位套；4—液缸体；5—阀组件；6—阀座；7—吸入管。

2　工作原理

电动机驱动曲轴运转，通过连杆、中间杆使曲轴的旋转运动转变为柱塞往复运动。在柱塞向左运动时，介质经过吸入阀组件进入吸入腔，当柱塞运行至左端终点时，进液过程完成。在柱塞向右运动时经过排出阀组件进入排出腔，柱塞运动至右止点时，排液过程完成。如此连续往复循环，介质被连续排出。

3　技术分析

长庆油田使用的一台3NB-5/16型柱塞式泥浆注水泵的设计参数为：额定流量5 m3/h，排出压力16 MPa，冲次220 min-1，冲程90 mm，柱塞直径ø40 mm，电机功率30 kW。

该泵在现场使用后，阀组件使用寿命短，只能达到40 h左右，无法完成正常工作，给油田的注水和采油效率造成了很大的影响，经拆检后发现，阀座、阀板密封面完全被损坏，其失效形式表现为阀面冲蚀，初期判定为介质腐蚀性造成的材料腐蚀，遂将阀组件材料由2Cr13更换为1Cr18NiTi，实际使用后，阀组件失效状况没有任何改善。后经过技术人员现场调查，主要情况有：①泵的排出流量达不到泵的额定流量；②泵的吸入压力为3 m高度的水罐，符合最小0.015 MPa的要求；③对介质抽样检查后，发现介质的流动性非常差，甚至含有一定比例的絮状物。经过分析认为，由于介质的原因，造成吸入条件不能满足泵的需要，致使在泵的工作过程中产生严重的气蚀现象，从而造成阀组件的汽蚀损坏，导致泵不能正常工作，泵的实际排出流量没有达到设计的额定流量。

经过仔细对泵吸入腔流速、阀隙流速重新计算核对，原设计泵吸入腔流速为1 m/s；阀隙流速为0.7 m/s。实际上由于介质流动性差，且含有较大颗粒物及絮状物，泵腔流速虽然符合设计规范1～2 m/s，但对具体的介质而言仍然显得太高，造成泵吸入不足，致使泵腔内的压力小于介质的饱和蒸汽压力导致产生汽蚀现象；同时，阀隙流速偏高(0.7 m/s)，阀的通流能力差，不能保证阀的正常开启和关闭，不仅不能保证泵的流量达到设计要求，还进一步加剧了汽蚀的发生，使阀组件在极短的时间内失效。

找到了问题症结所在，重新设计生产了液缸体及阀组件。泵吸入腔直径D由原来的ø42 mm 加大到ø60 mm，泵吸入腔流速由1 m/s降至0.49 m/s，同时将阀座孔直径Dk由ø35 mm 加大到 ø50 mm，开启高度仍为6 mm，使阀隙流速由0.7 m/s降至0.51 m/s，如图3。按改进后的尺寸加工并重新安装使用后，泵排出流量达到了5.1 m3/h，阀组件再也没有发生汽蚀现象，其使用寿命超过了2 500 h，泵组运行正常。液力端改进前后数据对比如表1。

图3　吸入阀结构

泵吸入腔流速/(m·s-1)阀隙流速/(m·s-1)阀组件寿命/h改进前1．000．740改进后0．490．512500

通过以上分析可以看出，泵腔流速、阀隙流速合适与否对泵的正常运行有极其重要的影响。

4　结论

1)充分了解介质特性，以便为结构设计，特别是液力端设计提供准确的条件。

2)对于黏度大，流动性差的介质，应采用通流能力强的锥阀结构。

3)为了避免汽蚀现象发生，保证泵有足够的吸入能力，尽可能地降低泵腔内液体流速，而不能局限于以前的经验数据。

4)尽可能降低阀隙流速，保证阀组件有足够的通流能力，并保证阀板的正常启闭和密封。

[1]往复泵设计编写组.往复泵设计[M].北京：机械工业出版社，1987.

[2]关醒凡.泵的理论与设计[M].北京：机械工业出版社，1987.

[3]刘维震，廖成锐.胜利油田注水泵的应用现状及发展[J].石油矿场机械，1999,28(2)：41-43.

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[6]刘清友，钟青，黄本生.7NB直轴柱塞式泥浆泵及工作机理[J].天然气工业，2001(2)：64-65.

Design and Application of High Viscosity Medium Injection Pumps

WANG Biehao1，TANG Wenjie1，WANG Chao1，LI Wei2

(1.Baoji Aerospace Power Punmp Co.，Ltd.，Baoji 721001，China；2.No.4OilProductionPlant，ChangqingOilfieldCompany，Xi’an710000，China)

According to the requirement of waste water reinjection process in oil field and the problems of use of conventional injection pump，such as short working life and frequent maintenance，causing not implement of normal injection requirement，a new injection pump was designed.Aiming at the control of flow rate of valve cavity and valve gap，and the structure of hydraulic end was improved to avoid air corrosion to meet injection process.The injection pump meets the expected efficiency.

injection pump；high viscosity；cavitation erosion；valve gap erosion

1001-3482(2016)10-0082-03

2016-03-24

王别好(1963-)，男，陕西眉县人，工程师，主要从事油田用往复泵的设计工作。

TE934.1

Bdoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.10.020