張文杰，魏玉蓮

（沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)石化泵有限公司，遼寧沈陽(yáng) 100869）

1 前言

油田注水的目的是為了保持油田能量，保持油層壓力，提高供液能力，降低原油遞減率。人工來(lái)調(diào)節(jié)注水量的控制精度差，注水量調(diào)節(jié)難度大，工作量大，同時(shí)由于注水井位于野外，需要注水設(shè)備具有較高的智能化運(yùn)行水平。國(guó)際上很多國(guó)家正積極投入開(kāi)發(fā)油田注水系統(tǒng)，以俄羅斯、美國(guó)、澳大利亞等國(guó)為代表已全面推廣注水驅(qū)油技術(shù)。注水泵需求會(huì)越來(lái)越大，市場(chǎng)前景非常廣闊，注水泵屬于裝置中關(guān)鍵設(shè)備之一，目前我國(guó)市場(chǎng)完全由進(jìn)口（Sulzer、 Flowserve等公司）設(shè)備所壟斷，因此替代進(jìn)口，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化是當(dāng)務(wù)之急，具有長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略發(fā)展意義。

2 國(guó)內(nèi)外技術(shù)差距

我國(guó)海上油田注水泵的生產(chǎn)研制雖起步較早，但由于各種原因?qū)е陆?0年來(lái)技術(shù)發(fā)展相當(dāng)緩慢，基本處于停滯不前的狀態(tài)，因此該領(lǐng)域長(zhǎng)期被國(guó)外幾家公司所壟斷，國(guó)外注水泵結(jié)構(gòu)大都采用多級(jí)節(jié)段式離心泵（API BB4）。國(guó)產(chǎn)泵在水力模型開(kāi)發(fā)上以借鑒國(guó)外優(yōu)秀的水力模型為依據(jù)，配合國(guó)內(nèi)先進(jìn)的Numeca、Nrec、Proe等軟件進(jìn)行水力分析與優(yōu)化，使國(guó)產(chǎn)泵的性能與國(guó)外泵的性能不相上下，以國(guó)外某項(xiàng)目注水泵為例，技術(shù)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的注水泵種類較少，性能不能完全滿足用戶的要求。目前沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)石化泵有限公司正在研制完全適應(yīng)市場(chǎng)需求的高性能注水泵，性能要求達(dá)到或超過(guò)國(guó)外產(chǎn)品性能。

表1 國(guó)產(chǎn)注水泵與國(guó)外注水泵技術(shù)參數(shù)對(duì)比

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

注水泵一般都安裝在海洋平臺(tái)或陸地平臺(tái)上，位置偏僻、條件惡劣、缺水少油（可利用的），因此泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相當(dāng)重要，重量、潤(rùn)滑方式、泵組檢測(cè)儀表、水源、電源等都是非常重要的設(shè)計(jì)依據(jù)。

3.1 軸封

泵軸兩端密封采用集裝式機(jī)械密封（見(jiàn)圖1），盡可能地減小密封泄漏量，對(duì)機(jī)組的平穩(wěn)安全運(yùn)行也起到至關(guān)重要的作用；機(jī)械密封完全按照API682標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，沖洗方案按API682標(biāo)準(zhǔn)PLAN32執(zhí)行（見(jiàn)圖2）。

圖1 集裝式機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

圖2 機(jī)械密封系統(tǒng)示意

3.2 殼體口環(huán)和葉輪口環(huán)設(shè)計(jì)

殼體口環(huán)和葉輪口環(huán)采用以下2種方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1）采用雙向不銹鋼00Cr17Ni14Mo2材質(zhì)，在其表面做激光等離子熔覆處理（激光熔層缺陷率低，成品率高，其組織細(xì)密均勻，晶粒細(xì)小，成分稀釋率更小，對(duì)基體熱影響小，熔層硬度與強(qiáng)韌性更高；性能試驗(yàn)證明，激光熔層具有更高的耐腐蝕性能），使口環(huán)具有良好的硬度和耐腐蝕能力，采用激光、等離子表面強(qiáng)化技術(shù)，研發(fā)具有自潤(rùn)滑特性的梯度材料密封環(huán)，縮小密封間隙，提高效率。

（2）采用高分子（非金屬）復(fù)合材料WR-300。WR-300是一種長(zhǎng)碳纖維添加到PEEK（Poly-ether-ether-ketone）中強(qiáng)化壓模所制成的，PEEK添加了長(zhǎng)碳纖維加強(qiáng)了材料的強(qiáng)度、穩(wěn)定性及散熱性，且超越了其他種類的熱塑性工程塑料；WR-300的低摩擦系數(shù)及低熱膨脹特性，使其使用于軸承、襯套及離心式泵的口環(huán)設(shè)計(jì)，還可用于潤(rùn)滑性差的鍋爐給水、冷凝液、輕質(zhì)烴、芳香烴、丁二烯及其他低比重的介質(zhì)。

以上2種方案的目的是完全一致的，就是保證口環(huán)具有一定的硬度，能在最安全可靠的情況下盡可能減小間隙，以便提高泵的效率；并保證材料具有優(yōu)越的化學(xué)抗蝕性、較低的熱膨脹系數(shù)、較低的摩擦系數(shù)、良好的耐磨性、抗咬合、抗疲勞、耐熱沖擊性等特性；在正常情況下，殼體口環(huán)和葉輪口環(huán)具有一定的硬度差，一般應(yīng)大于或等于50HRC，確保泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中轉(zhuǎn)子與殼體不會(huì)發(fā)生咬合［1，2］。

3.3 軸承體的設(shè)計(jì)

由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境所限（無(wú)足夠的冷卻水源、潤(rùn)滑油，泵組位置偏僻等原因），必須要求泵組軸承具有自潤(rùn)滑特性（不能用外供潤(rùn)滑油站），為此設(shè)計(jì)2種軸承型式。

3.3.1 磁力軸承型式

磁力軸承結(jié)構(gòu)如圖3所示，其是靠磁場(chǎng)力支承載荷或懸浮轉(zhuǎn)子的一種支承形式，近年來(lái)，這種軸承發(fā)展很快，特別在高速、低摩阻、高（低）溫及真空環(huán)境下的應(yīng)用較廣泛。

圖3 磁力軸承結(jié)構(gòu)示意

3.3.2 不預(yù)潤(rùn)滑軸承型式

與第一種（磁力軸承）型式相比，這種型式性價(jià)比更高（價(jià)格便宜、安全穩(wěn)定性高、技術(shù)更為成熟），是一種可以快速啟動(dòng)，無(wú)需預(yù)潤(rùn)滑的軸承裝置［3，4］。

不預(yù)潤(rùn)滑軸承能夠很好承受殘余軸向力、使泵組安全可靠工作，無(wú)需預(yù)潤(rùn)滑就可以快速啟動(dòng)的軸承裝置。具體通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：

（1）軸承裝置分為2個(gè)獨(dú)立的單元（驅(qū)動(dòng)端軸承部件單元和非驅(qū)動(dòng)端軸承部件單元見(jiàn)圖4，5），2個(gè)單元之間靠油管道相連接。泵旋轉(zhuǎn)時(shí)非驅(qū)動(dòng)端單元能產(chǎn)生足夠壓力和流量的潤(rùn)滑油去潤(rùn)滑兩個(gè)單元的所有軸承，而不需要額外的潤(rùn)滑油系統(tǒng)。

圖4 驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承體部件結(jié)構(gòu)示意

圖5 非驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承體部件1.軸承體蓋2.推力軸承體；3.推力軸承；4.推力盤；5.調(diào)節(jié)環(huán)結(jié)合部；6.窗蓋；7.封油環(huán)；8.起吊螺栓；9.放氣塞；10.調(diào)整墊；11.測(cè)振孔；12.定位銷；13.調(diào)心徑向軸承；14.油擋丙；15.非驅(qū)動(dòng)端軸承出油孔；16.非驅(qū)動(dòng)端軸承回油孔；17.底蓋

（2）泵軸一旋轉(zhuǎn)，軸承裝置的調(diào)節(jié)環(huán)就能把潤(rùn)滑油從油槽中吸起，并且通過(guò)特定通道去潤(rùn)滑相應(yīng)的軸承，無(wú)需預(yù)先潤(rùn)滑。

（3）軸承裝置被設(shè)置為雙向，無(wú)論泵組是順時(shí)針還是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)都能實(shí)現(xiàn)其功能。

3.4 注水泵監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制點(diǎn)（不預(yù)潤(rùn)滑軸承）

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用直接關(guān)系到設(shè)備的安全及系統(tǒng)的正常運(yùn)行。該泵組的部分檢測(cè)系統(tǒng)和流程見(jiàn)圖6。

圖6 泵組測(cè)點(diǎn)流程圖

4 預(yù)期成果以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益

油田注水泵市場(chǎng)空間巨大，國(guó)內(nèi)外海上平臺(tái)新建項(xiàng)目每年都在增加，國(guó)內(nèi)以勝利油田為代表的多家油田注水項(xiàng)目每個(gè)項(xiàng)目的產(chǎn)值都在千萬(wàn)元左右；國(guó)外俄羅斯石油公司需要更換注水泵3000多臺(tái)套，俄羅斯盧克國(guó)際石油公司需更換1000多臺(tái)套，其產(chǎn)值將會(huì)在數(shù)十億元左右。

注水泵的研制成功不僅填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白、替代進(jìn)口、打破國(guó)外壟斷，更開(kāi)拓了石油化工用泵的新領(lǐng)域、新市場(chǎng)，在泵行業(yè)國(guó)產(chǎn)化系列中起著舉足輕重的作用。其口環(huán)及軸承的設(shè)計(jì)完全可以應(yīng)用到其它類似泵上，具有很大的推廣價(jià)值。

［1］ 沈陽(yáng)水泵研究所，中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院.葉片泵設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

［2］ 關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵理論與設(shè)計(jì).北京：中國(guó)宇航出版社，2011：241-360

［3］ 龐志梅，李猛，邱化青.不預(yù)潤(rùn)滑啟動(dòng)的軸承體結(jié)構(gòu)研制［J］.水泵技術(shù)，2011（1）：23-24.

［4］ Igor J Karassik，編.陳允中，曹占友，鄭國(guó)強(qiáng)，等，譯.泵手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2003：268-323.