海上油气田大功率注水泵设计及示范应用策略

李经纬，史云龙，许光伟

(中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津300450)

0 引言

注水泵是帮助实现海上油田注水、采油的关键性设备。海上油气田与现有油田开发方式在不断的调整，中心平台注水量的增加使大功率注水泵便成为其中的关键设备，需求量在极速增加。目前海上油田开发项目的油气产量有91%为注水开发，该种开发形式让石油开采量稳定且持续。大功率注水泵制造工艺较为细致、技术含量极高、制造难度较大，所以长期被外国厂商垄断式生产，进口价高达千万元。本文通过对国内某海上油田项目对国产化大功率注水泵的水力模型、性能、使用风险及应对措施等进行详细的可行性分析，并对国产化大功率注水泵的示范应用策略进行相应的探讨[1]。

1 注水泵总体方案

1.1 泵型和结构的确定

文章所讲述的注水泵结构形式以BB3型为主。该种泵型主要运用在石油化工和天然气工业领域，泵壳体采用了水平中开轴向剖分的设计形式，泵体下方为水管道。该种设计方式能够在维修更换部件过程中不对管线和驱动机进行拆卸便可完成，在海上平台应用极为便捷，其结构优势有：(1)注水泵整体结构所采用的是6级转子，首级叶轮为双吸叶轮，该种设计可以降低泵体汽蚀的余量，让整体结构的汽蚀性能得到有效的提升；(2)双涡壳流道能够让径向力通过双吐出流道实现平衡状态，叶轮使用背靠背的布置形式可以让其实现自平衡；(3)叶轮与轴的配合可以对卡环进行单独的定位处理，壳体级间使用螺旋短流道完成过渡，可减小泵体轴向的整体尺寸，让整体结构更加的紧凑，从而让泵轴承的跨距能够有效减小，提升泵运行稳定性；(4)径向使用滑动轴承，并以平面止推力轴承对轴向进行有效控制，再使用强制润滑来提升轴承的使用年限；(5)高压端通过设置平衡室与低压端用平衡管进行有效连接，可以使高压端密封腔压力实现有效的降低；(6)机械密封所使用的管式为用集装波纹，通过选择PLAN 11自冲洗的润滑冷却方案来实现首级叶轮涡室取水[2]。

1.2 计算流体动力学流场分析

结合双精度计算方法及有限体积法离散控制方程，并选择使用分离式的求解器对流动定常进行假定处理，然后选择PNGK-ε的湍流模型。同时，需要分析弯曲壁面对流动所产生的具体影响，然后通过选择标准壁面函数对近壁区域发展非充分的湍流流动情况进行有效处理，使用SIMPLEC算法对压力和速度的耦合进行相应的计算。二阶中心差分格式可以对扩散项离散进行计算。二阶迎风格式可用于流顶、湍动能、耗散率运输方程的计算。控制方程通过使用二阶离散格式能够有效地降低数值计算截断误差对实际数额所产生的影响，让计算流体动力学的结果更加精确。

1.3 有限元强度分析

为了加强注水泵应变分析的有效性，可以通过使用静态有限元分析方式进行强度分析，并以此为基础对泵体和泵盖进行建模处理。通过使用ANSYS软件对模型网格进行自动划分，并对泵体螺栓孔等部分进行有效的简化处理，但前提是不能对计算结果产生影响。在进行网格划分过程中，单元类型作属于中节点的四面体，其中整个模型中所包含的单元四面体有50.5万个，节点有78.6万个。通过使用ANSYS软件对注水泵的泵体应力形变情况进行具体的校核分析，然后通过对工况加载压力载荷和管口载荷进行计算，对三种工况进行了考虑：正常工作时，泵体最大应力应当处于134.2 MPa，泵体最大总变形应当保持在0.114 mm，法兰最大轴向变形需要保持在0.024 mm；若是叠加三倍标准管口荷载之后的泵体最大应力需要保持在不变的状态，其最大形变保持在0.2 mm，法兰最大轴向变形需要保持在0.11 mm以内；根据最大允许工作压力校核泵体强度是需要保持在12.5 MPa，此时泵体的总形变最大需要保持在0.4 mm，各级口环径的变形程度为0.008～0.065 mm，此时泵体最大应力可以保持在276.7 MPa，此时泵体强度为材料屈服强度的23倍之内。本文所介绍的大功率注水泵在工作过程中可以达到的最大工作压力为12.5 MPa，在该压力下其运行能够保持安全稳定[3]。

1.4 水力性能分析及验证

文章所研究的注水泵定型参数经过出厂集成测试，并对水力性能的达标程度进行了相应的验证，能够满足大功率注水泵的使用要求。其中，额定工况点泵效保持在80%以内，其中震动、噪音、轴承温度等经过检测之后都能够完全满足具体使用要求。对关键性能参数进行对比之后证明，国产化大功率注水泵的运行水平已经可以完全和进口品牌大功率注水泵的运行效率相比拟[4]。

2 注水泵设计关键技术

2.1 注水泵材质优选

该项目中所选用的注水介质为生产水。生产水是通过生产分离器所产生的，然后根据比例进行海水的添加。对该水质进行分析之后，水质中的Cl-含量达到了12935.11 mg/L。以往周边平台所使用的都是C-6材质的进口注水泵，为确保国产注水泵在使用过程中材质达到规定要求，A海上平台项目所使用的是具有更高性能的D-1防腐等级材质。文章所提出的大功率注水泵需要配置相应的故障检测系统，能够在注水泵运行过程中对相关运行参数进行有效采集，并进行故障分析，让国产注水泵能够在项目运行过程中更好的发挥其实际功能。本文提出的大功率注水泵监测点冗余设计比之前的注水泵项目增加30%以上，对箱体震动及油箱滑油液位、轴承温度等都设置了相应的检测点，能够对整个泵体以图形方式统计运行数据。信号界面可以通过LCP控制盘直接显示，然后结合DCS系统通讯对注水泵的实际工作过程进行实时监控，并通过对远程数据传送接口的有效预留来实现提升注水泵的工作能力。

2.2 液力耦合器调速

为了让大功率注水泵能够在海上平台实现稳定的运行，需要通过对液力耦合器进行调速，然后让泵和电机在运行过程中共用滑油和滑油冷却器，有效地节约泵体占据的空间。注水泵则需要选择使用强制润滑的形式，并将液力耦合器底壳直接当做油箱来为注水泵进行加油工作[5]。

3 大功率注水泵的示范应用策略探讨

3.1 推进路线需要循序渐进

在使用国产化大功率注水泵的过程中需要合理控制风险。在运行过程中通过逐步推进的形式来实现完全替换进口大功率注水泵，让国产注水泵能够有足够的时间在实际工作中完全胜任自身工作，并通过对其使用过程中存在的风险进行分析，比如对输送介质、泄漏、震动、腐蚀、布置区域等存在的风险进行逐步分析。本文所举例的项目主要的输送介质为海水、生产水，危险性较小，所以能够保持一定的安全性。安全防护也准备的较为充分，左侧设置了防火墙，右侧设置了电气间，不需要设置相应的防爆电机，所以存在的风险也相对较低。输送介质泄漏风险需主要对中分面刺漏的风险进行控制，但该风险不存在爆裂现象。通过在设计阶段对泵壳流体和基座结构的设计能够减少振动风险。

3.2 核心部件使用国产制造

在注水泵设计中使用国产核心部件能够降低产品研制风险。本文所提出的注水泵设计要求必须要以API610最新版作为参照，严格根据该要求进行设计，所研制的产品在投入使用之前必须要通过第三方对其进行验证，确保其在实际使用过程中的不会出现质量问题。通过对国外以及国内所生产的陆上BB3型离心泵进行对比分析，可经看到国内在大功率注水泵的研制上已经基本成熟，且能够完全适应海上环境需要，在海上油气田开采中完全可以达到相应的要求和标准。为了让注水泵系统能够在运用过程中更加可靠，需要将泵体的核心部分逐渐实现国产化，对于部分较为精细的零配件可以使用进口品牌，提升注水泵在实际工作中的有效性。液力耦合器、探测元器件等关键零部件需要实现国产化，以逐步摆脱核心部件对进口产品的依赖[6]。

3.3 重视集成测试方案，对售后维护策略进行明确

本文所提出的大功率注水泵所采取的技术为新技术，即力耦合调速。该技术比成橇注水泵集成测试能力的要求更高，不仅需要对其全速性能进行相应的测试，还需要对液力耦合器调速联调，进行相应的试验工作。在售后保修方面需要与厂家进行协商，取得最低三年的保修服务。且需要在投入使用前对注水泵的具体能力进行相应的试验，确保注水泵在使用过程中能够充分发挥自身的能力。

4 结语

国产化大功率注水泵已逐渐应用于海上工程项目中，且已经取得了较为优异的成绩。国产化大功率注水泵的使用有效地降低了注水泵设备购买的成本，打破了外国长期的垄断式销售，随着维护后期本土化的跟进，未来国产化大功率注水泵有极大的发展空间，且能够在我国今后的海上油田开采过程中持续地发挥其降本增效的能力。