往复式柱塞泵管线振动分析及解决措施

谢光伟，张 哲，段宏伟，王 冠，李园园，桑科中

（渤海石油装备制造有限公司，天津 300457）

0 引言

当前国内各大油田均采用配注技术实现增产，输入介质有水、聚合物、二氧化碳等，且一般压力在10 MPa 以上。往复式柱塞泵具有压力高、泵效高的优点，而且压力不受流量影响，能提供比较稳定的流量输出。根据输入介质的特性，往复式柱塞泵配备不同结构、材料的液缸体，广泛用于国内油田各区块的增压采油系统中。往复式柱塞泵为曲柄连杆机构，其运动特征致使柱塞运行具有一定的加速度以及输送介质的间断性，导致输送介质会产生一定的能量波动，从而对输送管线产生冲击，造成管线振动。由于往复式柱塞泵是长期连续运转，如果输送管线的振动得不到缓解，可能会造成进、出口管线的疲劳损坏，同时会产生较大的噪声，对工作人员的身心健康造成影响。破损管线的维修工作量较大，不仅增加日常维护费用，也影响油田的正常生产。

本次研究以某油田所属往复式柱塞泵为对象，该油田往复式柱塞泵数量多，柱塞泵出口管线均存在不同程度的振动现象，个别泵站的柱塞泵进口管线也有振动现象。振动导致焊接部位开裂可能致使高压水泄露，存在很大的安全隐患。同时因为振动造成的电子元件失效、管网段渗水等现象，给现场人员的日常巡检工作带来额外的负担。

1 振动原因分析

管线振动的主要原因是对外部干扰的响应和管线内流体的不规则运动[1]。

1.1 机械振动引起管线振动

往复式柱塞泵不是一个独立的设备，而是管线、阀门、仪器仪表等设备与之组成的一个刚度较大的机械系统。机械系统在外力的作用下产生振动现象，此振动必然会传递到与之相连的管线上，从而引起管线振动。连接柱塞泵的管线一般会配置相应的支撑装置，由于管线内存在周期性的脉冲，所以管线的振动不是处于自由状态，而是由管线内的周期性脉冲引起的外力振动。由于往复式柱塞泵的固有特性导致其动力源在旋转运动时所产生的不平衡惯性力以及液缸内压力波动性的变化构成了往复式柱塞泵自身振动的原因。

1.2 流体脉动引起管线振动

当管线内的流体遇到外部干扰时，比如遇到弯头转变流向、阀门调节、管径变化造成流速突变，流体就会对管线产生激振力，激振力作用在管线内部引发管线振动，当此激振力频率与管线系统上的某一设备或者装置的固有频率相同时，就会产生共振，加剧管线的振动。

往复式柱塞泵的曲柄连杆机构决定了其吸入和排出流体的工作具有周期性的波动，而且一般油田作业区的配注间有多台柱塞泵同时工作，导致吸入和排出的介质具有一定的间歇性，并形成了一种不稳定的流体状态，产生一种脉动力[2]。此脉动力在遇到弯头、变径、阀门等管线元件时，会产生管线激振力，引发管线振动。同时，振动的管线也会反作用于管线内流体介质，从而产生更加复杂的流固耦合振动。其次，当管线对于此脉动力产生的激励响应频率与其自身的固有频率相重合的时候，管线系统与此脉冲力就会产生共振，破坏管线的安全运行。

2 管线振动实际分析

管线振动的主要来源是往复式柱塞泵本体振动的传递、输送管线的布置因素以及输送介质产生的流体脉动。

2.1 往复式柱塞泵本体振动原因分析

柱塞泵内部的激振源主要包括泵的旋转件的偏心、不平衡引起的振动以及液缸内压力变化造成的振动。

（1）大皮带轮的动平衡不合格会造成往复式柱塞泵存在高频振动。柱塞（注水）泵的转速一般在200 r/min 以上，转速比较高，如大皮带轮的动平衡在出厂时未达到规定要求，那么往复式柱塞泵在高速旋转时，会造成往复式柱塞泵本体振动。

（2）地基平面度不合格，造成往复式柱塞泵存在高低不平现象。柱塞泵在安装时，需将水平仪曲轴箱已加工的面上，调整楔铁，使横向纵向水平达0.1/1000。第二次浇注混凝土需经15 d 的养护期，再次检查调整泵机组的纵向、横向水平达要求并固定。

（3）阀组密封不严造成高低压水串压。柱塞泵在运行一段时间后，吸、排阀组经过介质或杂质的冲刷，会对密封面造成损伤，无法密封，引发介质从高压区窜向低压区，导致振动。

2.2 进口管线振动原因分析

管线受到外力的激振频率与管线本身的固有频率接近时，极易引发共振现象，但其并不是引起柱塞泵进口管线振动的根本原因，进口管线的振动主要是由管线内的流体介质的脉动引起的[3-4]。

（1）来水压力不足或水中含有气体。往复式柱塞泵在运行时，由于是过流件均有密闭性能，柱塞泵带有一定的自吸功能，但如果来水压力不足，柱塞泵会发生抽空现象，大量空气进入泵腔内，产生气蚀、气击，同样会造成阀组空打而形成冲击载荷，除影响阀组的寿命外，还会产生噪声和振动。

（2）进口管线规格过小。由于柱塞泵具备一定的自吸功能，当进口管线的规格过小不足以满足柱塞泵的排出流量时，管线内的介质流速会增加，从而对柱塞泵液缸体吸入口产生一定的冲击力，引发柱塞泵的轻微振动，此振动反过来会加剧进口管线的振动。

2.3 出口管线振动原因分析

出口管线输送的介质是从柱塞泵出口输出，一般压力比较高，对管线的冲击力较大，所以出口管线的振动现象比较普遍，主要原因集中在以下4 个方面：①出口蓄能器失效。蓄能器有吸收脉冲，减少压力波动的功能，如若检查不及时，蓄能器里的皮囊损坏或者氮气压力不足，则起不到吸收脉冲的功能；②出口管线缺乏支撑或支撑采取刚性连接；③出口阀门密封不严。柱塞泵的出口一般采取闸阀和止回阀配套使用，如若阀门密封失效或者异物卡阀等现象，会造成管线的压力变化而产生剧烈振动；④出口管线过细。有的注水站由于后期调参的原因，将柱塞的规格加大，而没有相应的增加介质的过流通道，造成流速过高。

3 治理措施

3.1 进口管线振动解决措施

以某油田第二油矿注水间为例，该注水间共5 台柱塞泵，需同时运行3 台泵才能满足井口注入。其中1 台柱塞泵的进口振动较大，造成管线上安装的进口传感器部分零件松动失效，存在安全隐患。

柱塞泵基础为钢筋混凝土结构，其高度根据现场地质工况来确定，刚性较大，混凝土基础与柱塞泵底座通过埋地螺栓再次浇筑后连接。通过对柱塞泵运行情况的反复勘察，发现地脚螺栓的螺母有松动现象，通过增加垫圈以及在底座空隙处浇灌混凝土等方式加固后，进口管线仍然有振动现象，说明地脚螺栓松动是由管线振动引起的，而不是柱塞泵振动引起的管线振动。

经过现场调频试验，当把柱塞泵的变频由25 Hz 逐渐调至40 Hz 时，进口管线振动无异常，当频率调至41 Hz，进口管线振动明显加大，说明造成进口管线振动的主要原因为柱塞泵的高速运转产生的振动与管线内的介质的流动频率产生共振造成，初步判断吸入口管径过小造成流速过高是进口管线振动的主要因素。

在现有条件下，尽量减少改造成本和工作量的前提下，将柱塞泵的吸入口规格由DN150 增加至DN200（图1、图2），同时将液缸体的吸入口规格由Φ50 mm 扩至Φ55 mm，增大了进口管线和液缸体吸入口的过流面积，降低了流速，避免介质流速过高造成的高频冲击，同时在地下进口汇管上加装支墩。经过改造后，流动冲击和涡流流动状况明显改善。

图1 改造前（DN150）

图2 改造后（DN200）

3.2 出口管线振动的解决措施。

以某油田第三油矿注水间为例，该站前期有3 台柱塞泵，运2 备1，其中一台转速为350 r/min 的柱塞泵自运行起出口管线就存在轻微振动。后期由于产能扩建，加装了2 台柱塞泵。之前有轻微振动的那台柱塞泵随着运行时间延长，出口管线振动越来越剧烈，造成出口阀门的旋转手柄脱落，具有严重的安全隐患。为避免剧烈振动造成管线焊接部位的出现疲劳损伤，导致焊口开裂，经过现场勘察，站在出口管线附近，明显能感觉地面振动比较剧烈。

首先在排除柱塞泵本体振动因素后，通过在出口管线上加装支撑后，振动有所减轻，但无法根除。初步怀疑是柱塞泵的高转速与管线产生共振而造成的振动，但该泵无法进行变频调速试验，无法确定是否由共振导致的管线振动。后期通过同种泵型的应用现场现场考察，说明高转速不是造成出口管线振动的因素，从而判定是埋地出口汇管的振动引起了地面出口管线振动。经过现场施工改造，发现是因为施工单位施工不规范，未按要求安装支墩和浇灌，管线施工后用渣土进行填充，致使埋地汇管未进行固定，通过高压水流冲击未固定的埋地管汇造成的管线振动。后期经过重新安装支墩和填充，该泵的出口管线振动现象得到了明显改善。

其余泵站的柱塞泵管线振动比较具有共性，均是出口有振动现象。首先是出口管线缺少支撑，而出口安装的压力传输管线和回流管线会加剧管线振动（图3）；其次出口用于稳压的蓄能器未按要求进行保养，不具备吸收脉冲的功能（图4）。按蓄能器的保养要求，每年应进行检测并及时充入氮气，蓄能器使用2 年后应及时更换。相应的解决措施主要是增加出口管线上的支撑以及检修或更换出口稳压装置。

图3 柱塞泵出口工艺

图4 蓄能器（2003 年生产）

4 应用效果及结论

由于往复式柱塞泵的固有特性，与之连接的管线上必然会存在振动现象，管线振动引发的疲劳损伤造成管线焊接部位开裂事故是不可忽视的安全隐患，可以通过设计、施工等手段可以极大地降低进、出口管线振动，消除安全隐患。①降低柱塞泵冲次，减少液体脉冲的频率；②扩管降速，减少水锤冲击[5]。增大管线的过流面积，减低流速，减轻脉冲液流造成高频冲击；③优化减振措施，在地面上管线增加支撑加以约束，并在管卡与管线之间垫橡胶板；地下汇管浇筑支墩固定管线，减少地下汇管的自由振动；④连接部位采用弹性连接，尤其是进口低压部位，可避免从液缸体的流体脉冲造成进口管线的振动。