注水站高压注水泵盘根盒压帽断裂分析*

王树涛, 于慧文, 苗立民, 陈永浩, 尹琦岭, 渠 蒲

(1.中国石化中原油田分公司,河南 濮阳 457001;2.中石化炼化工程集团洛阳技术研发中心,河南 洛阳 471003)

国内东部老油田已经总体进入高含水期[1],稳产和高效开发的关键在于平稳运行。中原油田地跨河南、山东两省,面积5 300 km2、石油资源储量为12.37×108t,目前动用石油地质储量为 5.4×108t,进一步开发潜力巨大,目前水驱是主要的开发方式,注好水、顺利平稳注水是水驱开发的关键环节[2-3]。

中原油田的部分区块,由于渗透率低,注水压力超过30 MPa,比如目前文南二区30号注水站泵压38 MPa左右、64号注水站泵压36 MPa左右、文南一区21号注水站35 MPa,因此,对注水泵在高压注水方面的技术要求较高。在一个月之内,连续出现了多起高压注水泵盘根盒压帽断裂、高压水刺出等问题,导致注水暂停、影响水驱开发工作的正常推进,也带来了安全隐患。

因此,针对高压注水泵盘根盒压帽断裂情况进行系统分析,从而弄清楚断裂的原因,既稳定了油田生产,又可为国内同类水驱油田提供借鉴。

1 高压注水泵盘根盒压帽断裂情况

1.1 文南二区30号注水站1号泵一缸

2022年7月12日,正常注水的30号注水站1号泵(注水压力38 MPa左右)一缸盘根盒压帽发生断脱(见图1),高压水柱刺出并打翻防水罩,造成大面积刺水进入1号泵和2号泵电柜。尽管泵房外采取了断电和关闭来水总阀的处置措施,但是也造成正常注水中断,经调查落实该泵盘根盒压帽服役周期少于一年。

图1 文南二区30号注水站1号泵

1.2 文南二区64号注水站1号泵一缸

2022年7月14日64号注水站2号泵(注水压力36 MPa左右)发生刺水,加盘根2 h后2号泵三缸盘根盒压帽发生断裂后脱出(见图2),高压水柱打翻防水罩大面积刺出,造成3号泵电柜进水和正常注水中断,经调查落实该泵盘根盒服役周期少于一年。

图2 文南二区64号注水站1号泵一缸

1.3 文南二区21号注水站1号泵二缸

2022年7月4号,正常注水的21号注水站1号泵(注水压力35 MPa左右)二缸盘根盒压帽发生断裂(见图3),高压水柱刺出打翻防水罩,造成大面积刺水进入1号泵电柜。尽管采取了切断总电源、关闭来水总阀处置措施,但也造成正常注水中断,经调查落实该泵盘根盒服役周期也少于一年。

图3 文南二区21号注水站1号泵二缸

2 断裂分析

取文南二区30号注水站1号泵一缸盘根盒压帽断裂试样进行了分析,注水压力为38 MPa左右。

2.1 化学成分与硬度分析

对压帽断口处进行材质成分分析,其化学成分见表1。压帽材质为典型的碳钢。

表1 现场断裂压帽的化学成分 w,%

采用硬度测试仪对压帽断口处进行硬度测试分析。测试条件为加载100 kg压力,结果见表2。由表2可知,压帽材质的硬度数据分散性比较大,试样1硬度范围在44.0 HRB至79.3 HRB,试样2硬度范围在47.3 HRB至72.3 HRB,说明材质的均匀性不好。

表2 现场断裂压帽的硬度

2.2 金相组织分析

对断裂压帽进行金相组织分析,将试样进行打磨和抛光后,使用2%硝酸酒精侵蚀,采用扫描电镜对试样进行金相分析,金相组织形貌见图4。断裂压帽材质组织为典型的“铁素体+珠光体”,存在一些微小的小孔,金相组织较为粗大,主要粒径分布范围为30～50 μm。按照标准GB/T 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》规定,显微晶粒度级别数为5.5～7.0。

图4 现场断裂压帽的金相组织

2.3 断口宏观形貌分析

2.3.1 清洗前形貌

从宏观形貌看,压帽存在环向裂纹,发生较为整齐的断裂有两部分,压帽表面覆盖一层黄色腐蚀产物,其宏观形貌见图5。

图5 现场断裂压帽的宏观形貌

2.3.2 清洗后形貌

采用“盐酸+水+六次甲基四胺”对断裂压帽进行清洗,除去表面黄色腐蚀产物,其宏观形貌见图6。由图6可知,断口整体平整,没有明显的缩颈现象,为典型的脆性断裂。断口存在剪切唇,即发生快速瞬断的区域,为断裂终点。与之隔环相对的区域为断裂起点,即裂纹源。

图6 清洗后宏观形貌-断裂起点与终点

2.4 断口微观形貌分析

2.4.1 断裂起点处

断裂起点处的显微形貌见图7。由图7可见,该处有较多的韧窝,材质比较疏松,且有较多的气孔。

图7 现场断裂压帽断裂起点处微观形貌

2.4.2 断裂终点处

断裂终点处的显微形貌见图8。由图8可见,该处有较多的韧窝,材质比较疏松,且有较多的气孔,同时能观察到较多的二次裂纹。

图8 现场断裂压帽断裂终点处微观形貌

2.5 综合分析

从材质因素和力学因素两方面对压帽断裂原因进行分析。

材质因素。化学成分和金相组织分析后判断压帽材质为典型的碳钢铸造成型,金相组织为典型的“铁素体+珠光体”,金相组织较为粗大,且存在一些微小的小孔。压帽断口处的硬度测试数据分散性比较大,说明材质均匀性不好。断裂起点处和终点处的显微形貌显示,材质比较疏松、有较多的气孔;终点处存在较多的二次裂纹,材质存在较多的铸造缺陷。故铸造材质疏松且存在缺陷,是断裂发生的根本因素[4]。

力学因素。高压注水泵盘根盒压帽在高压条件下工作,注水压力约为38 MPa,并且注水泵是往复式的应力波动。在高压作用下,从具有较多铸造气孔缺陷处开始起裂,并且裂纹快速扩展直到终点处发生瞬断产生宏观上的剪切唇和微观上的较多二次裂纹。故高压波动对断裂起到了关键性的破坏作用。

在材质因素和力学因素共同作用造成高压注水泵盘根盒压帽服役一年左右就出现断裂。

3 结论及建议

(1)压帽断裂为典型的脆性断裂。

(2)高压注水泵盘根盒压帽发生断裂的原因:一是碳钢铸造、材质均匀性不好,且存在较多的铸造缺陷;二是由于注水压力较高,且注水泵是往复式的应力波动。材质因素和力学因素共同作用导致其服役一年左右就出现断裂。

(3)尽管压帽是高压注水泵的一个小部件,但是其一旦出现问题就会导致注水泵停机,因此建议针对压帽进行金相组织、硬度和铸造缺陷控制方面的综合检测,确保压帽部件质量,从而降低高压注水泵停机概率。