海上平台注水泵技术探究

张文杰，魏玉莲

（沈阳鼓风机集团石化泵有限公司，辽宁沈阳 100869）

1 前言

油田注水的目的是为了保持油田能量，保持油层压力，提高供液能力，降低原油递减率。人工来调节注水量的控制精度差，注水量调节难度大，工作量大，同时由于注水井位于野外，需要注水设备具有较高的智能化运行水平。国际上很多国家正积极投入开发油田注水系统，以俄罗斯、美国、澳大利亚等国为代表已全面推广注水驱油技术。注水泵需求会越来越大，市场前景非常广阔，注水泵属于装置中关键设备之一，目前我国市场完全由进口（Sulzer、 Flowserve等公司）设备所垄断，因此替代进口，实现产品国产化是当务之急，具有长远战略发展意义。

2 国内外技术差距

我国海上油田注水泵的生产研制虽起步较早，但由于各种原因导致近20年来技术发展相当缓慢，基本处于停滞不前的状态，因此该领域长期被国外几家公司所垄断，国外注水泵结构大都采用多级节段式离心泵（API BB4）。国产泵在水力模型开发上以借鉴国外优秀的水力模型为依据，配合国内先进的Numeca、Nrec、Proe等软件进行水力分析与优化，使国产泵的性能与国外泵的性能不相上下，以国外某项目注水泵为例，技术参数对比见表1。国内生产的注水泵种类较少，性能不能完全满足用户的要求。目前沈阳鼓风机集团石化泵有限公司正在研制完全适应市场需求的高性能注水泵，性能要求达到或超过国外产品性能。

表1 国产注水泵与国外注水泵技术参数对比

3 结构设计要求

注水泵一般都安装在海洋平台或陆地平台上，位置偏僻、条件恶劣、缺水少油（可利用的），因此泵的结构设计相当重要，重量、润滑方式、泵组检测仪表、水源、电源等都是非常重要的设计依据。

3.1 轴封

泵轴两端密封采用集装式机械密封（见图1），尽可能地减小密封泄漏量，对机组的平稳安全运行也起到至关重要的作用；机械密封完全按照API682标准执行，冲洗方案按API682标准PLAN32执行（见图2）。

图1 集装式机械密封结构

图2 机械密封系统示意

3.2 壳体口环和叶轮口环设计

壳体口环和叶轮口环采用以下2种方案进行设计。

（1）采用双向不锈钢00Cr17Ni14Mo2材质，在其表面做激光等离子熔覆处理（激光熔层缺陷率低，成品率高，其组织细密均匀，晶粒细小，成分稀释率更小，对基体热影响小，熔层硬度与强韧性更高；性能试验证明，激光熔层具有更高的耐腐蚀性能），使口环具有良好的硬度和耐腐蚀能力，采用激光、等离子表面强化技术，研发具有自润滑特性的梯度材料密封环，缩小密封间隙，提高效率。

（2）采用高分子（非金属）复合材料WR-300。WR-300是一种长碳纤维添加到PEEK（Poly-ether-ether-ketone）中强化压模所制成的，PEEK添加了长碳纤维加强了材料的强度、稳定性及散热性，且超越了其他种类的热塑性工程塑料；WR-300的低摩擦系数及低热膨胀特性，使其使用于轴承、衬套及离心式泵的口环设计，还可用于润滑性差的锅炉给水、冷凝液、轻质烃、芳香烃、丁二烯及其他低比重的介质。

以上2种方案的目的是完全一致的，就是保证口环具有一定的硬度，能在最安全可靠的情况下尽可能减小间隙，以便提高泵的效率；并保证材料具有优越的化学抗蚀性、较低的热膨胀系数、较低的摩擦系数、良好的耐磨性、抗咬合、抗疲劳、耐热冲击性等特性；在正常情况下，壳体口环和叶轮口环具有一定的硬度差，一般应大于或等于50HRC，确保泵在运转过程中转子与壳体不会发生咬合［1，2］。

3.3 轴承体的设计

由于现场环境所限（无足够的冷却水源、润滑油，泵组位置偏僻等原因），必须要求泵组轴承具有自润滑特性（不能用外供润滑油站），为此设计2种轴承型式。

3.3.1 磁力轴承型式

磁力轴承结构如图3所示，其是靠磁场力支承载荷或悬浮转子的一种支承形式，近年来，这种轴承发展很快，特别在高速、低摩阻、高（低）温及真空环境下的应用较广泛。

图3 磁力轴承结构示意

3.3.2 不预润滑轴承型式

与第一种（磁力轴承）型式相比，这种型式性价比更高（价格便宜、安全稳定性高、技术更为成熟），是一种可以快速启动，无需预润滑的轴承装置［3，4］。

不预润滑轴承能够很好承受残余轴向力、使泵组安全可靠工作，无需预润滑就可以快速启动的轴承装置。具体通过以下技术方案来实现的：

（1）轴承装置分为2个独立的单元（驱动端轴承部件单元和非驱动端轴承部件单元见图4，5），2个单元之间靠油管道相连接。泵旋转时非驱动端单元能产生足够压力和流量的润滑油去润滑两个单元的所有轴承，而不需要额外的润滑油系统。

图4 驱动侧轴承体部件结构示意

图5 非驱动侧轴承体部件1.轴承体盖2.推力轴承体；3.推力轴承；4.推力盘；5.调节环结合部；6.窗盖；7.封油环；8.起吊螺栓；9.放气塞；10.调整垫；11.测振孔；12.定位销；13.调心径向轴承；14.油挡丙；15.非驱动端轴承出油孔；16.非驱动端轴承回油孔；17.底盖

（2）泵轴一旋转，轴承装置的调节环就能把润滑油从油槽中吸起，并且通过特定通道去润滑相应的轴承，无需预先润滑。

（3）轴承装置被设置为双向，无论泵组是顺时针还是逆时针旋转都能实现其功能。

3.4 注水泵监测项目控制点（不预润滑轴承）

监测系统的使用直接关系到设备的安全及系统的正常运行。该泵组的部分检测系统和流程见图6。

图6 泵组测点流程图

4 预期成果以及社会经济效益

油田注水泵市场空间巨大，国内外海上平台新建项目每年都在增加，国内以胜利油田为代表的多家油田注水项目每个项目的产值都在千万元左右；国外俄罗斯石油公司需要更换注水泵3000多台套，俄罗斯卢克国际石油公司需更换1000多台套，其产值将会在数十亿元左右。

注水泵的研制成功不仅填补了国内空白、替代进口、打破国外垄断，更开拓了石油化工用泵的新领域、新市场，在泵行业国产化系列中起着举足轻重的作用。其口环及轴承的设计完全可以应用到其它类似泵上，具有很大的推广价值。

［1］ 沈阳水泵研究所，中国农业机械化科学研究院.叶片泵设计手册［M］.北京：机械工业出版社，1983.

［2］ 关醒凡.现代泵理论与设计.北京：中国宇航出版社，2011：241-360

［3］ 庞志梅，李猛，邱化青.不预润滑启动的轴承体结构研制［J］.水泵技术，2011（1）：23-24.

［4］ Igor J Karassik，编.陈允中，曹占友，郑国强，等，译.泵手册［M］.北京：中国石化出版社，2003：268-323.