楊露，王俊濤，劉叢，李俊成，韓濤

1.長(zhǎng)慶油田第三采油廠，寧夏銀川750006

2.長(zhǎng)慶油田油氣工藝研究院，陜西西安710018

柱塞泵進(jìn)口管道振動(dòng)原因與減振對(duì)策研究

楊露1，王俊濤2，劉叢1，李俊成1，韓濤1

1.長(zhǎng)慶油田第三采油廠，寧夏銀川750006

2.長(zhǎng)慶油田油氣工藝研究院，陜西西安710018

柱塞泵進(jìn)口管道的振動(dòng)，造成泵進(jìn)口管道的頻繁破裂，維修工作量大，影響了油田的正常注水。文章對(duì)引起注水泵進(jìn)口管道振動(dòng)的原因進(jìn)行了分析，計(jì)算了流體脈動(dòng)作用于管道彎頭的壓力，同時(shí)建立了喂水匯管平衡管模擬計(jì)算模型，探討了降低管道流體脈動(dòng)壓力的治理措施。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明治理措施的應(yīng)用效果良好，達(dá)到了減小管道振動(dòng)的目的。

柱塞泵；進(jìn)口管道；振動(dòng)原因；減振對(duì)策；脈動(dòng)壓力；平衡管

0 引言

柱塞泵由于其排量小、揚(yáng)程高的特點(diǎn)，可以很好地適應(yīng)超低滲透油藏注水要求，近年來(lái)在長(zhǎng)慶油田得到了廣泛使用。但是柱塞泵為往復(fù)式容積泵，其容積的周期性變化產(chǎn)生了流量脈動(dòng)，造成了排出流量的不均衡，加上管道內(nèi)流體對(duì)管壁產(chǎn)生沖擊力，導(dǎo)致注水泵進(jìn)出口管道因振動(dòng)而破裂，嚴(yán)重影響了注水系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行及注水時(shí)效。本文結(jié)合柱塞泵現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)際，對(duì)產(chǎn)生振動(dòng)的原因進(jìn)行了分析，并通過(guò)理論計(jì)算，提出了樁塞泵進(jìn)口管道減振對(duì)策。

1 振動(dòng)的危害

如果管道的振動(dòng)得不到有效吸收和化解，就有可能造成注水泵進(jìn)出口管道的破損，破損管道的維修工作量大，增加日常維護(hù)費(fèi)用，影響日常注水。

近年來(lái)通過(guò)對(duì)長(zhǎng)慶油田采油三廠部分注水站的注水管道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，統(tǒng)計(jì)了部分注水泵進(jìn)出口管道振動(dòng)破損的情況，見(jiàn)表1。

表1 采油三廠部分注水站注水泵進(jìn)出口管道振動(dòng)破損情況統(tǒng)計(jì)

從表1可知，注水站注水泵進(jìn)出口管道平均破損次數(shù)為7.8次/月，平均影響注水時(shí)間為15.3 h/月，平均因振動(dòng)造成管道破損維護(hù)費(fèi)用為0.15萬(wàn)元/月。而目前采油三廠現(xiàn)有各類(lèi)注水站86座，注水泵226臺(tái)，因此減小注水泵進(jìn)出口管道因振動(dòng)而損壞的意義重大。

2 振動(dòng)原因分析

根據(jù)振動(dòng)理論[1]，只有當(dāng)系統(tǒng)受到初始擾動(dòng)（外力或位移）破壞了系統(tǒng)的平衡狀態(tài)時(shí)，才會(huì)發(fā)生振動(dòng)。注水泵基礎(chǔ)為鋼筋混凝土基礎(chǔ)，剛性大，混凝土基礎(chǔ)與泵體牢固連接，通過(guò)對(duì)注水泵運(yùn)行狀況的檢查，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)地腳螺栓松動(dòng)等異常現(xiàn)象，這說(shuō)明泵振動(dòng)不是造成管道振動(dòng)的原因。另外，有學(xué)者已證實(shí)[2]，管道激振頻率與其固有頻率接近易引起共振，但它并非是引起柱塞泵進(jìn)口管道振動(dòng)的根本原因，管道的振動(dòng)主要是由管道內(nèi)流體介質(zhì)脈動(dòng)引起的[2-3]。

圖1為目前油田廣泛使用的三柱塞泵排出曲線。從該曲線可以看出，出口瞬時(shí)流量曲線呈波紋形態(tài)，存在流量波動(dòng)，因而注水泵運(yùn)行時(shí)會(huì)造成管道內(nèi)液體流量的不均勻，流量不均度也反映了壓力波動(dòng)情況[4]。

圖1 三柱塞泵排出曲線

由于泵的往復(fù)吸入、排出，因而液流的壓力和速度就呈現(xiàn)出了周期性的變化，這種壓力的脈動(dòng)變化是由管道和液體的彈性作用造成的。產(chǎn)生的壓力波在管內(nèi)迅速傳遞，液體對(duì)管壁產(chǎn)生了水擊作用。水擊的脈動(dòng)壓力ΔP可寫(xiě)成以下計(jì)算式：

ΔP=ρCΔV

式中ρ——水的密度，取ρ=1 020 kN·s2/m4；

C——脈動(dòng)壓力波速度/（m/s）；

ΔV——流體速度變化量/（m/s）；

C0——水中聲速/（m/s）；

D——鋼管內(nèi)徑/mm；

e——鋼管壁厚/mm；

E——水的彈性模量，取2.1×109kN/m2；

E0——鋼管的彈性模量，取2.1×1011kN/m2。

對(duì)于3 D型注水泵，流量不均勻度可由泵特性曲線查得，波峰流量為理論流量的1.029倍，波谷流量為理論流量的0.757倍，則有：

式中F——流體對(duì)彎頭的沖擊力/N；

S——彎頭的橫截面積/m2。

脈動(dòng)壓力導(dǎo)致彎頭、管件等周期性地受到推拉力的作用。泵進(jìn)口的彎頭所受到的作用力大小不等，時(shí)間不同步，方向也不盡相同，這些力有的疊加增強(qiáng)，有的消弱衰減，導(dǎo)致進(jìn)出口管道在軸向和徑向產(chǎn)生周期性位移，這就引起了泵入口管道的振動(dòng)。以采油三廠常用的三柱塞泵理論排量Qt=16.6 m3/h進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于不同進(jìn)口管徑的彎頭來(lái)說(shuō)，脈動(dòng)壓力引起的作用力差別并不明顯，見(jiàn)圖2。這說(shuō)明在滿足喂水充足的前提下，增大進(jìn)泵喂水管管徑并不能有效降低流體脈動(dòng)壓力。

圖2 三柱塞泵脈動(dòng)壓力對(duì)彎頭的作用力曲線（Qt=16.6 m3/h）

3 減振措施

從上述分析可知，要降低振動(dòng)，須減弱或消除脈動(dòng)壓力，這可以通過(guò)工藝流程的控制加以解決。

3.1 開(kāi)啟喂水旁通

為了做到供注匹配，當(dāng)喂水泵實(shí)際供水量低于或遠(yuǎn)大于柱塞泵理論排量時(shí)，可以通過(guò)開(kāi)啟喂水泵旁通閘門(mén)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)供需平衡，從而減小由于喂水量不足或過(guò)大而產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力，見(jiàn)圖3。

圖3 喂水泵流程改造示意

對(duì)振動(dòng)較大的4個(gè)站點(diǎn)的注水泵進(jìn)口管道振動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試[5]（見(jiàn)表2），結(jié)果表明：未開(kāi)喂水泵回流閘門(mén)的，管道的振動(dòng)位移較大，打開(kāi)喂水泵旁通閘門(mén)后，管道的振動(dòng)幅度有所降低。近年來(lái)對(duì)喂水泵的開(kāi)度進(jìn)行探索控制，在一定程度上也減輕了喂水系統(tǒng)管道的振動(dòng)。

表2 注水泵進(jìn)口管道振動(dòng)測(cè)試記錄

3.2 改造工藝流程

改造工藝流程主要是給注水泵進(jìn)口匯管配套平衡管，約束管道內(nèi)流體流向，調(diào)節(jié)壓力分布區(qū)間。提取核心流程進(jìn)行建模，見(jiàn)圖4，在理論計(jì)算過(guò)程中對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化。

圖4 注水泵進(jìn)口匯管平衡管模型

模型中匯管規(guī)格為D 219 mm×7 mm，匯管長(zhǎng)度為20 m，匯管進(jìn)口邊界設(shè)定壓力0.3 MPa；注水泵進(jìn)口（匯管出口）管道規(guī)格為D 159 mm×6 mm，邊界設(shè)定流速分別為0.5 m/s和0.48 m/s；回流平衡管規(guī)格為D 60 mm×4 mm。

對(duì)比無(wú)平衡管模型的壓力等值線和速度等值線（見(jiàn)圖5、6），可知有平衡管時(shí)匯管內(nèi)壓力分布更均勻，喂注匹配度更好。

此外針對(duì)匯管上注水泵進(jìn)口管道有無(wú)變徑必要的問(wèn)題，將模型中變徑頭調(diào)整為垂直焊接，其他參數(shù)維持不變，重新進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖7、8。可以看到變徑后，流體速度矢量趨于平行管壁，作用于管壁的切向力明顯降低。

圖5 有平衡管模型的計(jì)算壓力等值線和速度等值線

圖6 無(wú)平衡管模型的計(jì)算壓力等值線和速度等值線

圖7 帶平衡管流程上注水泵匯管內(nèi)速度矢量（變徑）

圖8 帶平衡管流程上注水泵匯管內(nèi)速度矢量（無(wú)變徑）

基于此，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)旗五轉(zhuǎn)注水系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改造。旗五轉(zhuǎn)注水量2 570 m3/d，設(shè)計(jì)能力3 350 m3/d。由于站內(nèi)5#注水泵來(lái)水管道工藝流程問(wèn)題，上注水泵匯管分岔，見(jiàn)圖9，導(dǎo)致泵房?jī)?nèi)管網(wǎng)整體振動(dòng)大，管道破損頻繁，嚴(yán)重制約了正常注水。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，對(duì)工藝流程進(jìn)行了兩方面優(yōu)化：

（1）整體連通5臺(tái)上注水泵匯管。

（2）匯管配套新增平衡管插接至凈化水罐，見(jiàn)圖10。

圖9 旗五轉(zhuǎn)改造前工藝流程

圖10 旗五轉(zhuǎn)改造后工藝流程

改造完成后，對(duì)站內(nèi)5臺(tái)注水泵進(jìn)口管道的振動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試，見(jiàn)表4，可見(jiàn)管道振動(dòng)幅度明顯下降；改造前泵進(jìn)口管道平均破損頻次3次/月，改造后運(yùn)行3個(gè)月未出現(xiàn)破損，效果顯著。

表4 旗五轉(zhuǎn)注水系統(tǒng)工藝改造前后注水泵進(jìn)口管道振動(dòng)測(cè)試記錄

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中，需根據(jù)注水量需求，摸索開(kāi)啟喂水泵臺(tái)數(shù)與旁通閘門(mén)開(kāi)啟程度，實(shí)現(xiàn)供注平衡。

（2）流程設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境，盡可能減少?gòu)濐^，縮短管道長(zhǎng)度，以減小脈動(dòng)壓力對(duì)管道附件的作用力，同時(shí)增加固定支撐，提高管道剛性。

（3）如果柱塞泵進(jìn)口管道振動(dòng)屬于機(jī)械共振，則需調(diào)整管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)采取增加或加密管道支撐、管卡固定、管道填埋夯實(shí)等措施，使管道自振頻率遠(yuǎn)離激振力頻率，避免機(jī)械共振。

（4）對(duì)于多臺(tái)注水泵并聯(lián)運(yùn)行的站點(diǎn)，前期流程設(shè)計(jì)及后期工藝改造過(guò)程中，盡可能共用一條上注水泵匯管，避免供水流程出現(xiàn)匯管套匯管現(xiàn)象；配套新增平衡管及大小頭等局部改造措施，在一定程度上也能有效降低注水泵進(jìn)口管道的振動(dòng)。

[1]吳福光，蔡承武，徐兆.振動(dòng)理論[M].北京：高等教育出版社，1987.

[2]程木根.注水泵入口管振動(dòng)分析與減振[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，1995，16（2）：50-52.

[3]唐健，李繼志，齊明俠.往復(fù)式注水泵吸入管線振動(dòng)試驗(yàn)研究[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1995，19（2）：63-67.

[4]袁恩根.工程流體力學(xué)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2000.

[5]汪家銘.管道振動(dòng)及其測(cè)量方法[J].壓縮機(jī)技術(shù)，1993，（2）：6-7.

Vibration Analysis and Reduction for Inlet Pipeline of Reciprocating Water Injection Pump

Yang Lu1，Wang Juntao2，Liu Cong1，LiJuncheng1，Han Tao1
1.Third OilProduction Plant of Changqing Oilfield Company，Yinchuan 750006，China
2.Oiland Gas Technology Institute of Changqing Oilfield Company，Xi’an 710018，China

The vibration of the inlet pipeline of reciprocating water injection pump is a harmful problem，which leads to the frequent rupture of the inlet pipeline and the increase of repair work and running expenses.Some main factors affecting the vibration are analyzed and the pressure in elbow pipe on account of fluid pulsation is calculated.The simulative calculation model of the balance pipe at water-feed manifold is established and the countermeasures to reduce fluid pulsating pressure are researched.The test shows that the countermeasures are effective to reduce the pipeline vibration.

reciprocating pump；inlet pipeline；vibration reason；countermeasure to reduce vibration；pulsating pressure；balance pipe

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.06.012

楊露（1984-），男，湖北天門(mén)人，工程師，2009年畢業(yè)于成都理工大學(xué)油氣田開(kāi)發(fā)專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)在主要從事地面集輸管網(wǎng)的設(shè)計(jì)工作。

2014-02-07