榮延成　馬軍　張德軍

摘 要：五柱塞泵是應(yīng)用繁多的采油設(shè)備其中重要的一個(gè)裝置，尤其在油氣進(jìn)入中后期開(kāi)采，出水量增大的情況下，五柱塞泵更加起到舉足輕重的作用。但是，五柱塞泵受到使用環(huán)境的影響較大，地下工業(yè)廢水長(zhǎng)時(shí)間的腐蝕，長(zhǎng)期機(jī)械性磨損等原因，柱塞的涂層會(huì)發(fā)生脫皮現(xiàn)象，沒(méi)有涂層保護(hù)的五柱塞泵，故障頻發(fā)，使用壽命明顯降低，給企業(yè)造成不小的經(jīng)濟(jì)損失，為此，本文針對(duì)這一現(xiàn)象，詳細(xì)的分析柱塞涂層在使用中失效的原因，并就這些原因?qū)Ρ玫闹繉佑枰詢?yōu)化改進(jìn)，延長(zhǎng)其使用期限，達(dá)到設(shè)備一直能穩(wěn)定良好運(yùn)行的目的。

關(guān)鍵詞：五柱塞泵;柱塞涂層;失效分析;注水;優(yōu)化

0 前言

國(guó)內(nèi)油氣田開(kāi)發(fā)進(jìn)入中后期，聯(lián)合站及各類(lèi)計(jì)量站生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生大量的工業(yè)廢水，工業(yè)廢水環(huán)境危害大，生產(chǎn)單位環(huán)保壓力高，地層水回注是目前采用較為廣泛的做法，由于工業(yè)廢水腐蝕性強(qiáng)，需要通過(guò)高壓注水設(shè)備增壓后注入地下，注水增壓設(shè)備根據(jù)地區(qū)不同，采用柱塞式注水泵和高壓離心泵進(jìn)行增壓，本文就柱塞式注水泵使用過(guò)程中，核心部件由于柱塞涂層脫皮，導(dǎo)致注水泵曲軸箱潤(rùn)滑油污染導(dǎo)致設(shè)備停運(yùn)進(jìn)行分析。

1 五柱塞泵工作原理

五柱塞泵屬于注水液壓系統(tǒng)的一個(gè)重要裝置（圖1），它依靠柱塞在缸體內(nèi)反復(fù)運(yùn)動(dòng)，使密封工作容腔的容積發(fā)生變化來(lái)實(shí)現(xiàn)吸液和注液，軸向柱塞泵一般都由缸體、配流盤(pán)、柱塞和斜盤(pán)等主要部件組成，缸體內(nèi)有五個(gè)柱塞，各柱塞是軸向排列的，即柱塞的中心線平行于轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸線，當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，泵缸與柱塞一同旋轉(zhuǎn)，柱塞頭永遠(yuǎn)保持與斜盤(pán)接觸，因斜盤(pán)與缸體成一角度，因此缸體旋轉(zhuǎn)時(shí)，柱塞就在泵缸中做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以一柱塞為例，它從0°轉(zhuǎn)到180°，即轉(zhuǎn)到上面柱塞的位置時(shí)，柱塞缸容積逐漸增大，因此液體經(jīng)配流盤(pán)的吸液口吸入液缸，而該柱塞由180°轉(zhuǎn)到360°時(shí)，柱塞缸容積逐漸減小，因此液缸內(nèi)液體經(jīng)配流盤(pán)的出口排出來(lái)，只要轉(zhuǎn)動(dòng)軸不斷旋轉(zhuǎn)，泵就不停的工作，改變傾斜元件的角度，就可以改變柱塞在泵缸內(nèi)行程的長(zhǎng)度。

2 五柱塞泵柱塞運(yùn)行的相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)

油氣田基層站隊(duì)注水單元核心設(shè)備注水泵通過(guò)設(shè)備更新改造，更換為5柱塞式注水泵，注水泵設(shè)計(jì)壓力為28MPa，注水流量65m3/h，柱塞直徑為80mm，按照一般柱塞分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，該注水泵使用的柱塞柱塞分類(lèi)（L>3×D），此柱塞體為細(xì)長(zhǎng)柱塞。

該柱塞泵設(shè)計(jì)采用變頻啟動(dòng)和流量調(diào)節(jié)，注水量在29～59m3/h之間波動(dòng)，出口壓力維持在10～11MPa之間，累計(jì)運(yùn)行達(dá)1700h，運(yùn)行至984h，編號(hào)為1#的柱塞涂層破損脫皮，根據(jù)涂層的磨損情況，該涂層磨損后的厚度為0.65mm，破損面積為150*60mm，根據(jù)更換的新柱塞涂層進(jìn)行換算，該電涂層為0.70mm，由于涂層結(jié)合面粘接強(qiáng)度低，涂層表層剛度低，具體表象為涂層軟更換的柱塞涂層損傷較為嚴(yán)重，

3 柱塞涂層使用失效原因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，綜合分析有以下幾個(gè)方面原因：柱塞表面涂層磨損后間隙超差的原因之一，是注入的液壓油的清潔度不符合標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致早期磨損。原因之二，柱塞表層涂層硬度未達(dá)到。原因之三，柱塞體圓柱表面粗糙度不夠。原因之四柱塞填料硬度大于柱塞表面涂層。原因之五就是涂層工藝參數(shù)不符合設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致涂層粘接強(qiáng)度不足，同時(shí)涂層硬度下降。

①該注水泵柱塞表面潤(rùn)滑油采用高差注入到柱塞表面，確保密封填料和柱塞之間的潤(rùn)滑達(dá)到清潔柱塞表面和降低填料磨損速率潤(rùn)滑油采取三級(jí)過(guò)濾注入，排除注入過(guò)程的二次污染;

②潤(rùn)滑油吸入水份或混入空氣，致使?jié)櫥统赡つ芰Υ蟠鬁p低，柱塞在缸體里高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，油膜附著力差，導(dǎo)致磨損或柱塞變色，根據(jù)已拆除的柱塞看柱塞表層未變色，運(yùn)行時(shí)間在984h以上更換柱塞，排除柱塞注入過(guò)程的空氣和水分造成的影響;

③目前柱塞采取的涂硬鉻是一種傳統(tǒng)的表面電涂技術(shù)，已經(jīng)應(yīng)用長(zhǎng)達(dá)70多年。具有涂鉻層硬度高、耐磨、耐蝕;

④由于傳統(tǒng)熱噴涂焊硬鉻，涂層表面制造過(guò)程存在微裂紋，甚至不可避免產(chǎn)生穿透性裂紋，導(dǎo)致腐蝕介質(zhì)從表面滲透至界面而腐蝕柱塞體，造成涂層表面出現(xiàn)銹斑甚至剝落，在已拆除的柱塞看完全吻合;

⑤傳統(tǒng)的熱噴焊工藝，涂層沉積速度慢，綜合考慮柱塞的經(jīng)濟(jì)性，涂層一般會(huì)采取涂20～30絲厚的涂層。

綜合以上情況，柱塞使用失效原因分析：原因之一看存在噴涂工藝參數(shù)選擇不合理，導(dǎo)致涂層粘接強(qiáng)度不足，出現(xiàn)銹蝕和剝離;原因之二是柱塞涂層厚度過(guò)大，表面強(qiáng)度較低;原因之三柱塞體材質(zhì)選擇不當(dāng)涂鉻層附著力差;原因之四水質(zhì)硬度大;由于該區(qū)塊的水質(zhì)礦化度為2.259×105，且鈣離子9.536×103mg/L，鎂離子含量8.358×103mg/L，水質(zhì)出現(xiàn)結(jié)晶體導(dǎo)致柱塞表面磨損加快。

4 五柱塞泵柱塞涂層的優(yōu)化

因此與制造單位結(jié)合后，對(duì)五柱塞泵采取了以下幾項(xiàng)優(yōu)化措施：①優(yōu)化柱塞體表面涂層噴涂工藝，采用熱噴焊接工藝提高涂層強(qiáng)度;②采取40#鋼加表面30～40絲涂鉻層，經(jīng)過(guò)磨削加工后，涂層厚度20～30絲，涂層與柱塞結(jié)合度良好;③由于涂層只有原設(shè)計(jì)的40%，柱塞加工成本只有原設(shè)計(jì)的70%，表面結(jié)合較好;④解決基材與涂層之間膨脹系數(shù)差導(dǎo)致的脫層;⑤提供注水泵運(yùn)行中的維護(hù)質(zhì)量，做好柱塞與連桿之間防松工作。

5 日常使用與維護(hù)保養(yǎng)

機(jī)器的日常維護(hù)和保養(yǎng)也是非常重要的，這其中有三點(diǎn)需要特別注意一下：第一，當(dāng)行程較大時(shí)，流體進(jìn)入放電室內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生回流和渦流，會(huì)引起泵頭本體振動(dòng)，長(zhǎng)時(shí)間作用會(huì)損壞放電室內(nèi)壁。第二，閥門(mén)和閥座的間隙近似為微孔，閥門(mén)底角處的最大速度非常大，密封圈易撕裂，導(dǎo)致泄漏，特別是當(dāng)行程為299轉(zhuǎn)/分時(shí)，液壓油平均速度過(guò)大，這會(huì)導(dǎo)致腔體被侵蝕。第三，在維修需要更換零件時(shí)，應(yīng)盡量使用原廠生產(chǎn)的零件，雖然這些零件可能比其他仿造零件價(jià)格貴，但是質(zhì)量和穩(wěn)定性好，便宜的仿造零件短期內(nèi)節(jié)省了費(fèi)用，但存在一定的風(fēng)險(xiǎn)隱患，將來(lái)可能對(duì)柱塞泵的使用造成更大的危害。

6 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上情況分析和優(yōu)化，目前試制5根柱塞已投入運(yùn)行，效果良好。柱塞泵使用壽命的長(zhǎng)短，與平時(shí)的維護(hù)保養(yǎng)有很大的關(guān)系，泵體涂層的有效保護(hù)，也是延長(zhǎng)柱塞泵使用壽命的有效途徑之一。隨著柱塞泵的發(fā)展，逐步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，自動(dòng)識(shí)別運(yùn)行狀態(tài)，這種調(diào)節(jié)方式最大優(yōu)點(diǎn)就是能降低柱塞泵的運(yùn)行能耗，節(jié)電效果可達(dá)30%以上，節(jié)省能耗，節(jié)約成本，無(wú)疑是對(duì)企業(yè)的發(fā)展最大的裨益。

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